如果我們的電子產(chǎn)品想要變得更小更快，就需要技術(shù)上的進(jìn)步。

圖片來源：英特爾

我們生活在一個(gè)由計(jì)算機(jī)電路驅(qū)動(dòng)的世界。現(xiàn)代生活依賴于半導(dǎo)體芯片和硅基集成電路上的晶體管，它們可以開關(guān)電子信號(hào)。大多數(shù)晶體管使用豐富而廉價(jià)的硅元素，因?yàn)樗瓤梢宰柚挂部梢栽试S電流流動(dòng)，它既是絕緣體又是半導(dǎo)體。

直到最近，擠壓在硅芯片上的微型晶體管每年的體積都縮小一半。它造就了現(xiàn)代數(shù)字時(shí)代，但這個(gè)時(shí)代即將結(jié)束。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)駕駛汽車、5G和6G手機(jī)這些計(jì)算密集型工作的問世，科技的未來岌岌可危。那么接下來會(huì)發(fā)生什么呢?

摩爾定律是計(jì)算能力的指數(shù)增長(zhǎng)。早在1965年，英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾就觀察到，一英寸計(jì)算機(jī)芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番，而成本則減半。現(xiàn)在，這個(gè)時(shí)間是18個(gè)月，而且越來越長(zhǎng)。事實(shí)上，摩爾定律不是定律，只是一個(gè)為芯片制造商工作的人的觀察結(jié)果，但增長(zhǎng)的時(shí)間意味著未來的密集計(jì)算應(yīng)用可能受到威脅。

一部智能手機(jī)包含超過2000億個(gè)晶體管。資料來源：CC0 Creative Commons

沒有，但是速度太慢了，硅芯片需要幫助。英國(guó)半導(dǎo)體應(yīng)用公司Catapult的首席執(zhí)行官Stephen Doran說：“在越來越多的需要提高速度、減少延遲和光檢測(cè)的應(yīng)用中，硅正在達(dá)到其性能的極限?！?br/>

然而，他認(rèn)為現(xiàn)在談?wù)摴璧奶娲镞€為時(shí)過早。他補(bǔ)充稱：“這意味著硅將被完全取代，這在短期內(nèi)不太可能發(fā)生，很可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生?！?p>

Imagination Technologies營(yíng)銷傳播副總裁David Harold表示：“至少在2025年之前，摩爾定律式的業(yè)績(jī)提升仍有潛力。直到20世紀(jì)40年代，硅仍將主導(dǎo)芯片市場(chǎng)?！?p>

仔細(xì)研究硅晶體管問題非常重要；作為一個(gè)概念，它并沒有“死亡”，但是它已經(jīng)超過了它的頂峰。Rambus內(nèi)存和接口部門首席科學(xué)家Craig Hampel表示：“摩爾定律專門指的是由半導(dǎo)體制造的集成電路的性能，而且只記錄了過去50多年的計(jì)算?！?p>

這場(chǎng)超越硅的競(jìng)賽正在進(jìn)行。 圖片來源：英特爾

“人類對(duì)計(jì)算需求的增長(zhǎng)趨勢(shì)可追溯到算盤、機(jī)械計(jì)算器和真空管，并可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出半導(dǎo)體（如硅），包括超導(dǎo)體和量子力學(xué)?！?p>

超越硅是一個(gè)問題，因?yàn)槲磥淼挠?jì)算設(shè)備將需要更加強(qiáng)大和靈活。Harold說：“日益增加的計(jì)算問題是，未來的系統(tǒng)將需要學(xué)習(xí)和適應(yīng)新的信息。它們必須‘像大腦一樣’。再加上芯片制造技術(shù)的轉(zhuǎn)型，它們將為計(jì)算創(chuàng)造革命性的第二個(gè)時(shí)代。”

一些研究人員正在研究用更少的能量獲得高性能計(jì)算機(jī)的新方法?！皵?shù)據(jù)中心或超級(jí)計(jì)算機(jī)的冷運(yùn)行可以帶來顯著的性能、功耗和成本優(yōu)勢(shì)?！盚ampel說。

微軟的Natick項(xiàng)目就是一個(gè)例子，作為該項(xiàng)目的一部分，一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)中心沉入了蘇格蘭奧克尼群島海岸，但這只是一小步。進(jìn)一步降低溫度意味著漏電流更少，晶體管開關(guān)的閾值電壓更低。

作為Natick項(xiàng)目的一部分，微軟在大西洋沉入了一個(gè)數(shù)據(jù)中心。 圖片來源：微軟

Hampel說：“它減少了延伸摩爾定律的一些挑戰(zhàn)?！彼a(bǔ)充說，對(duì)于這些類型的系統(tǒng)來說，自然的操作溫度是77K（-270℃）的液氮?！按髿庵泻胸S富的氮，以液態(tài)形式收集相對(duì)便宜，而且是一種有效的冷卻介質(zhì)。我們希望，在內(nèi)存性能和功耗方面，或許能再延長(zhǎng)4~10年的時(shí)間。”

下一代半導(dǎo)體由兩種或兩種以上的元素組成，這些元素的特性使它們比硅更快、效率更高。這是“機(jī)會(huì)”，它們已經(jīng)在使用，并將有助于創(chuàng)建5G和6G手機(jī)。

Doran說：“化合物半導(dǎo)體結(jié)合了元素周期表中的兩種或多種元素，例如鎵和氮，形成氮化鎵?！彼忉屨f，這些材料在速度、延遲、光檢測(cè)和發(fā)射等方面都優(yōu)于硅，這將有助于實(shí)現(xiàn)5G和自動(dòng)駕駛汽車等應(yīng)用。

化合物半導(dǎo)體將進(jìn)入5G手機(jī)。 圖片來源：AT&T

盡管它們可能與普通硅芯片一起使用，但化合物半導(dǎo)體將進(jìn)入5G和6G手機(jī)，本質(zhì)上使它們足夠快、足夠小，同時(shí)還具有良好的電池壽命。

Doran說：“化合物半導(dǎo)體的出現(xiàn)改變了游戲規(guī)則，它有潛力帶來變革，就像互聯(lián)網(wǎng)變革通訊領(lǐng)域一樣?！边@是因?yàn)椋衔锇雽?dǎo)體的速度可能比硅快100倍，因此可以為物聯(lián)網(wǎng)增長(zhǎng)帶來的器件激增提供動(dòng)力。

當(dāng)你可以擁有量子世界的疊加和糾纏現(xiàn)象時(shí)，誰還需要經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)呢？IBM、谷歌、英特爾和其他公司都在競(jìng)相使用量子比特（又稱“qubits”）來制造具有強(qiáng)大處理能力的量子計(jì)算機(jī)，其處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅晶體管。

問題是，在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的潛力之前，量子物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)架構(gòu)師要實(shí)現(xiàn)許多突破，有一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試，量子計(jì)算界的一些人認(rèn)為，在量子計(jì)算機(jī)問世之前，需要滿足他們的要求：“量子至上”。

Hampel表示：“這只是意味著，在摩爾定律的道路上，量子機(jī)器比傳統(tǒng)半導(dǎo)體處理器更擅長(zhǎng)完成特定的任務(wù)?！钡侥壳盀橹?，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍然遙不可及。

由于英特爾是制造硅晶體管的先驅(qū)，因此英特爾在硅基量子計(jì)算研究方面投入巨資也就不足為奇了。

英特爾銷售與營(yíng)銷集團(tuán)副總裁兼英國(guó)區(qū)總經(jīng)理Adrian Criddle表示：“除了投資擴(kuò)大需要在極低溫度下存儲(chǔ)的超導(dǎo)量子比特外，英特爾還在研究一種替代方法。替代架構(gòu)基于‘自旋量子比特’，在硅片中運(yùn)行?！?p>

自旋量子比特使用微波脈沖來控制硅基器件上單個(gè)電子的自旋，英特爾最近在其最新的“世界最小的量子芯片”上使用了自旋量子比特。至關(guān)重要的是，它使用硅和現(xiàn)有的商業(yè)制造方法。

英特爾的自旋量子比特。 圖片來源：Walden Kirsch /英特爾公司

Criddle解釋說：“自旋量子比特可以克服超導(dǎo)方法帶來的一些挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊奈锢沓叽绺?，更容易微縮，而且可以在更高的溫度下工作。更重要的是，自旋量子比特處理器的設(shè)計(jì)類似于傳統(tǒng)的硅晶體管技術(shù)?！?p>

然而，英特爾的自旋量子比特系統(tǒng)仍然只能接近絕對(duì)零度；冷計(jì)算將與量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)。與此同時(shí)，IBM有一個(gè)50比特的處理器Q，而谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室有72比特的Bristlecone處理器。

這些所謂的神奇材料有朝一日可能會(huì)取代硅。Doran說：“它們現(xiàn)有的電氣、機(jī)械和熱學(xué)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了硅基器件所能達(dá)到的水平?！比欢嬲f，可能需要很多年才能準(zhǔn)備好迎接黃金時(shí)代。

他說：“硅基器件經(jīng)過了幾十年的改進(jìn)，并隨著相關(guān)制造技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。石墨烯和碳納米管仍處于這一旅程的起點(diǎn)，如果它們要在未來取代硅，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的制造工具仍然需要開發(fā)?！?p>

石墨烯墨水有一天可能取代硅。 圖片來源：Jamie Carter

無論其他材料的前景如何，我們現(xiàn)在正處于原子時(shí)代。Harold說：“每個(gè)人都在考慮原子。我們的進(jìn)展現(xiàn)在已經(jīng)到了單個(gè)原子計(jì)數(shù)的階段，甚至存儲(chǔ)正在尋找在原子水平上工作的方法——IBM已經(jīng)展示了在單個(gè)原子上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可能途徑。”今天，創(chuàng)建1或0，即用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)字，需要10萬個(gè)原子。

然而，這里有一個(gè)問題。Harold補(bǔ)充說：“作為存儲(chǔ)或傳輸信息的手段，原子本質(zhì)上不太穩(wěn)定，這意味著需要更多的邏輯來糾正錯(cuò)誤?！币虼?，未來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)很可能是各種技術(shù)的疊加，每一種技術(shù)都是為了彌補(bǔ)另一種技術(shù)的缺點(diǎn)。

因此，沒有哪個(gè)答案可以將硅的壽命延長(zhǎng)到下一個(gè)計(jì)算時(shí)代?；衔锇雽?dǎo)體、量子計(jì)算和冷計(jì)算都有可能在研發(fā)中發(fā)揮重要作用。計(jì)算機(jī)的未來很可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)器的層級(jí)結(jié)構(gòu)，但到目前為止，沒有人知道明天的計(jì)算機(jī)會(huì)是什么樣子。

Hampel表示：“雖然摩爾定律將會(huì)終結(jié)，但指數(shù)計(jì)算能力的長(zhǎng)期和持久趨勢(shì)很可能不會(huì)終結(jié)?！?p>