摩尔定律消退后 计算机行业将如何发展？

　　(9)3D 芯片

　　撇开鳍形晶体管(finned transistors)不谈，现代芯片都是非常扁平的。但是也有一些公司，包括 IBM，正在研究将芯片互相叠加——就像一层一层叠高楼房一样——来让设计师们能够在给定区域里安置更多晶体管。三星已经在销售用垂直堆叠的闪存制作的存储系统了。去年，英特尔和 Micron(一家大型内存制造商)宣布研发出了一种名为 3D Xpoint 的新型内存技术，能够利用堆叠的内存。

　　IBM 的研究人员们则致力于研究某种稍有不同的东西：将内存层(slices of memory)叠在处理逻辑层(slices of processing logic)之间，像三明治一样的芯片。这将能让工程师们把大量的计算封装到非常小体积的芯片上，同时带来很大的性能提升。传统计算机的主存储器(main memory)位于距离处理器几厘米远的地方。从硅晶的传递速度(silicon speeds)来说，一厘米已经是非常长的距离了。在这样的距离上传递信号也很浪费能量。将内存移至芯片中以后，就把这些距离从厘米级降到了微米级，使数据传输更快速。

　　但是 3D 芯片面对着 2 个大问题。第一个就是热量。扁平的芯片在这方面已经够糟糕了，在传统数据中心里有数以千计的风扇为服务器散热，轰鸣声不绝于耳。增加叠加层数以后，芯片内部——也就是热量产生的地方——热量增加速度会超过散热速度。

　　第二个问题是如何接入电力。芯片通过其背面数以百计的金属 “针(pins)” 与外界相连。现代芯片对电力的需求高到多达 80%的金属针都被设置为用来传输电力，只剩下非常少的数量用来处理数据输入和输出。在 3D 形态下，这种局限被放得更大，因为同样数量的金属针必须要满足比原先复杂得多的芯片。

　　IBM 希望能通过在 3D 芯片中置入微型内部管道来一箭双雕地解决这 2 个问题。微流控通道(microfluidic channels)可以将冷却液运往芯片的核心部分，一下子将内部空间中的热量都带走。这家公司已经在传统的扁平芯片上测试了这种液体冷却技术。微流控系统可以最终从 1 立方厘米的空间里带走大约 1 千瓦的热量——差不多和电加热器上一片加热器的输出差不多，这个团队的负责人 Bruno Michel 说道。

　　而液体能做的不只是冷却芯片，它也能传递能量。受到自己生物学背景的启发，Michel 将这种液体命名为 “电子血液”。如果他能顺利完成的话，这种液体之于计算机芯片就会像生物血液之于生物体：在提供能量的同时保持体温恒定。Michel 的想法是液流电池(flow battery)的一种变体：在液流电池中，两种液体在膜的两侧相遇并产生电流。

　　液流电池非常简单易懂。电力行业一直在研究液流电池，想将它作为储存来自可再生能源的能量的一种方式。Michel 的系统距离商业应用来说还有许多年要走，但是原理已经确立：当 Ruch 打开液流开关，管道连接到的芯片就会 “苏醒”——而你在视线范围内根本看不到插头或是电线。

　　四、计算框架变革

　　(10)量子计算

　　量子技术可以实现速度上的大飞跃，但是只是在特定的应用上。

　　THE D-Wave 2X 是一个黑色的盒子，看起来有点像电影《2001：太空漫游》中神秘的黑石板的缩小版。它不是一般的机器，它是世界上第一台在商业上可用的量子计算机。目前已经和惠普、微软、IBM 和谷歌建立了合作。

　　量子计算是一种完全不同的处理信息的方法。在一些普通机器难以处理的问题上，它拥有巨大的速度优势。即使摩尔定律得以无限地延伸下去，这些问题也会持续的困扰普通机器。

　　而量子计算常常是被误解，有时是过分吹嘘的。其中部分原因是该领域本身还很新，所以其理论基础依然还在搭建中。在一些任务的完成上，量子机器毫无疑问要比最好的非量子机器要快。但是在其它的大部分任务上，这一优势就没那么明显了。“在许多情况下，我们不能确定某个量子计算机会比大家熟知的经典计算机快”，麻省理工学院的计算机科学家 Scott Araronson 说。可用的量子计算机将会是一个福利，但是没人能确定这个福利会有多大。

　　一个例子是，找到一个很大的数字中的质数因子：这个问题中，随着目标数字变大，难度会呈指数式的递增。换句话说，摩尔定律中，每一次芯片工艺的升级，都只能再影响到稍微大一点的数字。确定质数因子组成了大多数密码的数学支柱，这能在数据游走在互联网上时起到保护作用，恰好是因为这很困难。

　　两个非常规的量子现象，量子比特，或者说是量子位，在运行是完全不一样的。第一是 “叠加” 态，指一种持续不确定性的状态，能让原子同时能在不同的状态存在。比如，一个量子粒子是没有具体的位置的，只有说是有出现在某个地方的可能性。在计算层面，这意味着，一个量子位，不是特定的 1 或特定的 0，而是以二者混合的方式存在。第二个量子现象是 “牵连” 态，不同粒子的发展绑被在一起，所以其中某一个粒子受到影响的话，会立刻在其它粒子上有所反映。 这能让量子计算机在同一时间处理所有的量子位。

　　结果便是，一台机器能够一次性地呈现并处理海量的数据。例如，一个 300 量子位的机器，能够同时描绘 2300 个不同的 1 和 0 串，这一数字几乎等同于可见宇宙中所有的原子数量。并且，由于量子位是牵连的，所以要同时处理所有的这些数字也是可能的。