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5G|現在電腦連接了我們所有人，那么接下來會發生什么?( 三 )

5G央企


摩爾定律是經濟學上的考量 ， 因為總是會有讓計算機更快、更便宜的動機 。 但在某個時刻 ， 物理定律就會起到干擾作用 ， 例如量子隧穿效應 。 芯片的發展不可能永遠跟上摩爾定律 ， 因為要使晶體管更小變得越來越困難 。 根據摩爾第二定律 ， 芯片制造工廠的成本每隔幾年就會翻一番 。 據報道 ， 半導體公司臺積電(TSMC)正在考慮建造一座耗資250億美元的工廠 。
如今 ， 摩爾定律不再成立 ， 晶體管數量翻倍的速度逐漸減緩 。 盡管我們繼續在每一代芯片上添加更多的晶體管 ， 但添加晶體管的速度卻越來越低 。 英特爾晶體管設計負責人那塔金說:“我們相信 ， 我們已經從目前被稱為FinFET的晶體管結構中 ， 擠出了所有你能擠出的東西” 。 在接下來的幾年里 ， 芯片制造商將開始生產新的晶體管結構 ， 使設備速度更快 ， 消耗的能源和空間更少 。 即使那塔金是對的 ， 晶體管已經接近其最小尺寸的極限 ， 但計算機仍然有很多需要改進的地方 。 通過摩爾的“設備和電路的智慧” ， 今天的電子設備可以包含許多種加速器 ， 這些是為了特殊目的如人工智能、圖形或通信等定制化設計的芯片 ， 可以比通用處理單元更快、更有效地執行任務 。

從1985年到2015年的計算機性能
直到大約2004年 ， 晶體管的縮小伴隨著計算機性能的提高(下面黑色表示行業基準)和時鐘頻率 ， 即每秒運行的周期數(綠色) ， 時鐘頻率越高 ， 計算機性能越好 。 但2005年后 ， 這種規律就不再適用 ， 縮小的晶體管不再產生同樣的好處 。
未來某些類型的加速器可能有一天會使用量子計算 ， 它利用了量子領域的兩個特征 。 第一種是疊加 ， 在疊加狀態中 ， 粒子不僅可以以一種或另一種狀態存在 ， 而是可以以某種狀態的組合存在 ， 直到這種狀態被明確地測量出來 。 因此 ， 量子系統不是以比特的形式來表示信息 ， 而是以量子單元的形式來表示信息 ， 量子單元在測量時可以保留為0或1的可能性 。 第二個是糾纏 ， 即遙遠的兩個單元之間的相互依賴 。 這兩個特征加在一起 ， 意味著一個量子計算系統可以以指數方式表示比量子單元更多的可能性 ， 包含所有1和0的同時組合 。
量子計算可以有多種形式 ， 但最普遍的一種形式是采用超導導線 。 這些導線必須保持在絕對零度以上幾分之一的溫度 ， 即零下273攝氏度左右 ， 以防止熱的、抖動的原子干擾量子單元微妙的疊加和糾纏 。
量子計算機有幾個潛在的應用 ， 例如機器學習 ， 優化諸如火車調度 ， 模擬真實世界的量子力學等 。 但它不太可能成為普通人的通用電腦 ， 事實上我們不清楚如何使用它來運行文字處理器 。
新芯片的概念除了專業加速器外 ， 還有許多新方法可以大幅提高通用芯片的速度 。 亞特蘭大喬治亞理工學院的計算機科學家湯姆·孔特是IEEE重啟計算倡議(IEEE Rebooting ComputingInitiative)的負責人 ， 他指出了兩種模式 。 第一種是超導 ， 讓芯片在足夠低的溫度下運行以消除電阻 。
第二種模式是可逆計算 ， 在這種模式中 ， 比特被重復使用 ， 而不是作為熱量排出 。 1961年 ， IBM的物理學家羅爾夫·蘭道爾將信息論和熱力學結合起來 ， 他注意到當一個邏輯門接收兩個比特并輸出一個比特時 ， 它就會破壞一個比特 ， 并以熱量的形式將其以熵或其它隨機性的形式排出 。 當數十億個晶體管以每秒數十億次的周期運行時 ， 浪費的熱量就會累積起來 ， 這時機器就需要更多的電力來計算和冷卻 。 阿爾伯克桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)從事可逆計算研究的計算機科學家邁克爾·弗蘭克在2017年寫道:“傳統計算機本質上是一個昂貴的電加熱器 ， 它的一個副作用是恰好執行少量的計算 。 ”

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