摩爾定律是經(jīng)濟(jì)學(xué)上的考量 ， 因?yàn)榭偸菚凶層?jì)算機(jī)更快、更便宜的動機(jī) 。但在某個(gè)時(shí)刻 ， 物理定律就會起到干擾作用 ， 例如量子隧穿效應(yīng) 。芯片的發(fā)展不可能永遠(yuǎn)跟上摩爾定律 ， 因?yàn)橐咕w管更小變得越來越困難 。根據(jù)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(jù)報(bào)道 ， 半導(dǎo)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(shù)量翻倍的速度逐漸減緩 。盡管我們繼續(xù)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(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人那塔金說:“我們相信 ， 我們已經(jīng)從目前被稱為FinFET的晶體管結(jié)構(gòu)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(chǎn)新的晶體管結(jié)構(gòu) ， 使設(shè)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(jīng)接近其最小尺寸的極限 ， 但計(jì)算機(jī)仍然有很多需要改進(jìn)的地方 。通過摩爾的“設(shè)備和電路的智慧” ， 今天的電子設(shè)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(shè)計(jì)的芯片 ， 可以比通用處理單元更快、更有效地執(zhí)行任務(wù) 。


從1985年到2015年的計(jì)算機(jī)性能
直到大約2004年 ， 晶體管的縮小伴隨著計(jì)算機(jī)性能的提高(下面黑色表示行業(yè)基準(zhǔn))和時(shí)鐘頻率 ， 即每秒運(yùn)行的周期數(shù)(綠色) ， 時(shí)鐘頻率越高 ， 計(jì)算機(jī)性能越好 。但2005年后 ， 這種規(guī)律就不再適用 ， 縮小的晶體管不再產(chǎn)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(jì)算 ， 它利用了量子領(lǐng)域的兩個(gè)特征 。第一種是疊加 ， 在疊加狀態(tài)中 ， 粒子不僅可以以一種或另一種狀態(tài)存在 ， 而是可以以某種狀態(tài)的組合存在 ， 直到這種狀態(tài)被明確地測量出來 。因此 ， 量子系統(tǒng)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(shí)可以保留為0或1的可能性 。第二個(gè)是糾纏 ， 即遙遠(yuǎn)的兩個(gè)單元之間的相互依賴 。這兩個(gè)特征加在一起 ， 意味著一個(gè)量子計(jì)算系統(tǒng)可以以指數(shù)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(shí)組合 。
量子計(jì)算可以有多種形式 ， 但最普遍的一種形式是采用超導(dǎo)導(dǎo)線 。這些導(dǎo)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(jì)算機(jī)有幾個(gè)潛在的應(yīng)用 ， 例如機(jī)器學(xué)習(xí) ， 優(yōu)化諸如火車調(diào)度 ， 模擬真實(shí)世界的量子力學(xué)等 。但它不太可能成為普通人的通用電腦 ， 事實(shí)上我們不清楚如何使用它來運(yùn)行文字處理器 。
新芯片的概念
除了專業(yè)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(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)家湯姆·孔特是IEEE重啟計(jì)算倡議(IEEE Rebooting ComputingInitiative)的負(fù)責(zé)人 ， 他指出了兩種模式 。第一種是超導(dǎo) ， 讓芯片在足夠低的溫度下運(yùn)行以消除電阻 。
第二種模式是可逆計(jì)算 ， 在這種模式中 ， 比特被重復(fù)使用 ， 而不是作為熱量排出 。1961年 ， IBM的物理學(xué)家羅爾夫·蘭道爾將信息論和熱力學(xué)結(jié)合起來 ， 他注意到當(dāng)一個(gè)邏輯門接收兩個(gè)比特并輸出一個(gè)比特時(shí) ， 它就會破壞一個(gè)比特 ， 并以熱量的形式將其以熵或其它隨機(jī)性的形式排出 。當(dāng)數(shù)十億個(gè)晶體管以每秒數(shù)十億次的周期運(yùn)行時(shí) ， 浪費(fèi)的熱量就會累積起來 ， 這時(shí)機(jī)器就需要更多的電力來計(jì)算和冷卻 。阿爾伯克桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories)從事可逆計(jì)算研究的計(jì)算機(jī)科學(xué)家邁克爾·弗蘭克在2017年寫道:“傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)昂貴的電加熱器 ， 它的一個(gè)副作用是恰好執(zhí)行少量的計(jì)算 ?！?/p>

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