PC的盡頭還有多遠

藍色

如今的PC以及電子計算機體系是建立在現(xiàn)代半導體技術的基礎之上，這一領域在過去的幾十年間曾經(jīng)多次遇到發(fā)展的瓶頸，而且也不止一次的被宣布已經(jīng)瀕臨崩潰的邊緣，但我們的確很少量化地去思考PC以及電子計算機體系究竟將會在何時終結(jié)的問題。

也許您正駕駛著坦克馳騁在二戰(zhàn)中的著名戰(zhàn)場，也許您正在用Office軟件處理日常工作，無論您正在用電腦上做著什么，總有著一群數(shù)之不盡的微小電子無時不刻地在你的電腦中跑來跑去，在某個不經(jīng)意的瞬間，您有沒有考慮過這樣的問題——我們的PC會不會在哪天走到發(fā)展的盡頭呢？

沒有什么東西是永遠存在的，誰都有走向終點的一天，我們和PC都不會例外。如今的PC以及電子計算機體系是建立在現(xiàn)代半導體技術的基礎之上，這一領域在過去的幾十年間曾經(jīng)多次遇到發(fā)展的瓶頸，而且也不止一次的被宣布已經(jīng)瀕臨崩潰的邊緣，但我們的確很少量化地去思考PC以及電子計算機體系究竟將會在何時終結(jié)的問題。

我們的PC乃至整個電子計算機體系距離終點還有多遠？有沒有誰能充當電子計算機以及PC的繼任者？在那之前我們都能做些什么呢？

1nm之下就是命運

視界之外（對于此時的觀測者來說，光錐之外的宇宙是沒有意義的）是命運，這是物理學的一句名言，它闡明的是一個觀點，即：視界之外的事物，看不見，但不能當它不存在。將這句話說得通俗點，也可以延伸為“我們目視所及之外的未知只能交給命運來決定”，用這句話來形容PC以及電子計算機的極限是相當合適的。

其實PC的理論極限距離我們還很遙遠，即便是在距今“遠古”的上世紀八十年代，可預期的并可以通過模型在實驗室中實現(xiàn)（基于光刻技術）的電子元件的幾何尺寸也可以達到幾個埃（0.x納米）。如果以今天的技術來衡量，我們甚至可以把元件的尺寸做到原子級，但是理論上能夠?qū)崿F(xiàn)并不代表在工業(yè)級的場合能夠造得出來。半導體工業(yè)畢竟是一門把技術轉(zhuǎn)變成消費品和財富的手藝，它始終要遵從可制造性原則的限制，能夠在實驗室當中實現(xiàn)與能夠造出來賣錢/使用完全是兩個層次的概念，當前技術范疇下的電子計算機在可制造性方面還是存在極限的。當工藝觸及到這一極限而又無法突破時，電子計算機的終點也就到了。

PC/電子計算機的極限源自多個層面，包括但不限于光刻反應速率、刻線寬深比、光刻穩(wěn)定性、EoT（等效氧化物曾厚度）極限、基底隧穿以及柵極減薄隧穿，還有由此一系列問題所帶來的下游效應等等，這里涉及了太多物理學（同時包括宏觀物理學和量子物理學）、物理化學、材料學以及反應工程學方面的知識，說多了枯燥乏味，所以我們不再繼續(xù)深入討論，而是根據(jù)綜合信息直接給出目前所能夠規(guī)劃到的半導體工藝極限——1nm。

在線寬低于1nm時，目前及可見未來的技術均無法突破可制造性問題以及物理表達形式層面的極限，芯片可以被制造出來，但它的運行狀態(tài)以及良品率完全無法得到有意義的保證，因為這一尺度下，量子效應會更明顯地反映出觀察者的存在和干擾，我們甚至無法知道一顆有故障的芯片究竟是哪里壞了又為什么壞了，無論收集問題還是解決問題都無從談起。1nm工藝就是當前半導體工藝的光錐和視界。現(xiàn)在沒有人知道1nm之后的半導體工業(yè)會發(fā)生什么，所以1nm就是當前技術環(huán)境下PC以及電子計算機的“命運”，無論CPU、顯卡、內(nèi)存還是硬盤都無法回避。

1nm工藝距離現(xiàn)在還有多少時間呢？粗略算下來，在不考慮半代工藝的前提下，半導體工業(yè)還有14/10/7/5/3以及2nm工藝總計6代的可發(fā)展余地，按照當前節(jié)奏來看起碼還應該有144至216個月左右的周期（考慮到工藝下探難度的提升以及需求放緩導致的增速放緩，我們將工藝升級周期從摩爾定律周期模糊處理至24～36個月）。換句話說，如果這一極限在18年內(nèi)得不到被突破，甚至是連具有可行性的解決模型都沒有出現(xiàn)的話，電子計算機以及基于電子計算機技術的現(xiàn)有形態(tài)PC就算是發(fā)展到頭了。

那么在這之后呢？總不能就停滯不前了吧，我們覺得應該不會。人類在一般情況下都不會在遇到難以逾越的障礙時選擇回避并靜待消亡，人們總能找到解決問題的其他突破口，更何況計算能力是現(xiàn)代以及未來人類文明不可或缺的組成部分，任其消亡無疑意味著人類文明的消亡，所以盡管還有幾十年的時間，但電子計算機的繼任者們已經(jīng)在路上了，這些繼任者包括但不限于如下這些各位也許已經(jīng)耳熟能詳?shù)募一铩孔佑嬎銠C，光子/光電子計算機和DNA計算機。

“糾纏”，25年之后的希望

電子計算機最“科幻”、最具希望、最被公眾所期待同時也是最難以被理解的繼任者，毫無疑問的當屬量子計算機。顧名思義，量子計算機基于量子以及量子比特作為運算基礎，使用粒子的糾纏態(tài)、退相干過程或者隧穿效應等量子效應來完成運算，能夠達到常規(guī)電子門電路無法達到的運算速度和并行度。不過，有鑒于糾纏態(tài)以及退相干過程與宏觀及日常經(jīng)驗認知之間巨大的差異，我們不打算在此用太多筆墨去解釋這兩種現(xiàn)象，跟量子力學一樣，量子計算機以及量子比特也屬于“根本就不是要讓常人明白”的那種存在。

雖然原理難以被理解，但量子計算機的發(fā)展速度相對其他方案而言完全稱得上“火力全開”，這種新的計算模式已經(jīng)有了許多接近具備解決實際問題能力的原型機，比如Google斥數(shù)千萬美元巨資分別購買的兩臺基于量子計算原理的實驗性超級電腦——D-wave以及D-wave 2，雖然這兩臺量子計算機基于量子退火（亦即隧穿效應，一種能夠讓粒子隔空瞬移的現(xiàn)象）而非糾纏態(tài)量子門電路（令粒子處于相干糾纏態(tài)的邏輯門電路結(jié)構(gòu)），但Google仍宣稱這兩臺量子計算機在經(jīng)過充分優(yōu)化之后在解決自然解優(yōu)化問題（該問題對于AI、大數(shù)據(jù)高效檢索以及圖像識別等領域有重要意義）時擁有數(shù)千倍于傳統(tǒng)電子計算機的性能。而采用傳統(tǒng)意義上的量子門電路解決方案，則擁有比D-wave系列更快的運算速度以及更大的應用廣度。

盡管量子計算機的發(fā)展迅速并且前景誘人，但眼下就激動著暢想關于量子PC的未來還為時尚早，畢竟它距離真正實現(xiàn)還有相當遙遠的距離并且困難重重。

量子計算過程并非基于二進制，這與現(xiàn)行的電子計算機計算體系有著巨大沖突，而且量子計算并不能進行現(xiàn)實意義上的邏輯運算，它僅能利用糾纏態(tài)完成運算然后輸出同樣處于糾纏態(tài)的結(jié)果，這些結(jié)果處在無法操作的狀態(tài)，需要復雜的轉(zhuǎn)換過程才能變成具有實際意義的結(jié)果。這無疑會帶來大量的重建協(xié)議工作，所以目前量子計算還僅用于加解密以及部分數(shù)學問題等特殊且極具針對性的領域，并不具備進行實際的通用計算或者與現(xiàn)有電子計算體系融合的能力（D-wave系列已經(jīng)算是一次朝這個方向的嘗試了）。

另外，量子計算的民用化也存在相當現(xiàn)實的障礙，比如說為了抑制熱噪聲以及粒子熱振動對維持糾纏態(tài)的影響，大部分量子計算機的原型都需要超導級低溫的協(xié)助，以可接受的成本和形式在家中或者辦公桌上實現(xiàn)這一環(huán)境（持續(xù)穩(wěn)定的保持零下200度）絕不是一件容易的事。那么，若是未來的技術無法在常溫環(huán)境下構(gòu)筑量子門電路的話，預測量子計算機PC化無異于癡人說夢。

所以說，我們也不知道量子PC什么時候才能出現(xiàn)，思考它是否會替代當前的PC也沒有什么意義。我們真正需要的，是把量子計算機甚至量子計算機集群同云體系結(jié)合在一起。基于云環(huán)境的量子計算機體系，即中央超級處理器集群和單純呈現(xiàn)節(jié)點相結(jié)合的環(huán)境在理論和技術上都相對容易實現(xiàn)，我們只需要在超級計算機層面實現(xiàn)可用型的量子計算機，然后以此來構(gòu)筑云端計算能力，而那些超低恒溫環(huán)境等煩人的問題就扔給集群解決，最后，在每個用戶手中發(fā)一個類似平板電腦一樣的終端就大功告成了。

如果市場環(huán)境（主要是構(gòu)筑云所需的帶寬環(huán)境）能夠接受，同時量子計算在技術、協(xié)議以及編程環(huán)境等領域均發(fā)展穩(wěn)定且可以正常提速的話，我們認為這樣的遠景在25至35年之后可以實現(xiàn)，如果人類在退相干領域取得決定性的技術突破并伴有重大需求刺激，這一進度最快可以提前到15年左右。取個平均的話，也許20至25年之后，您就能捧著一個小窗口暢快的享受量子計算帶來的“一股神秘的速度”了。

上帝說，要有光

當然，我們不能在一棵樹上吊死，量子計算體系雖然誘人且具備一定的可實現(xiàn)性，但只探索一種發(fā)展方向顯然是不夠的，更何況量子計算還存在特別基礎的“與現(xiàn)有計算體系相容難度極大”的問題。所以人們也搞了些相對簡單的玩法，那就是光子計算機以及光電子計算機。

光子/光電子計算機并沒有量子計算機那么“玄幻”，它所基于的理論基礎是相當簡單自然的光學和光電效應。光子計算機使用光子來替代電子完成運算及操作過程，除了需要發(fā)光元件（激光器）以及對應的光導纖維作為“導線”之外，它并沒有提出太多過分的技術要求，所以曾經(jīng)一度被認為是最有希望替代電子計算機的全新計算方式。

光子擁有相對論范圍內(nèi)最快的速度，本身沒有質(zhì)量，與自身及其他物質(zhì)的相互作用遠低于電子，所以光子/光電子計算機的能耗低，避免了電子在速度、傳輸能量損失以及工作發(fā)熱等層面的束縛，信號傳輸及處理快，具備先天的并行傳輸/存儲信息能力，而且可處理的數(shù)據(jù)類型相當廣泛，對現(xiàn)有的二進制體系相對友好，如果基于光電轉(zhuǎn)換/光電開關，那么現(xiàn)有計算協(xié)議可在相當程度上予以保留。

這一切看上去的確很美，相對于量子計算也更容易實現(xiàn)，不過，我們必須很抱歉的告訴您，光子計算機未必能比量子計算機更早實現(xiàn)。光子計算機較低的“理論難度”并不意味著同樣較低的“實現(xiàn)難度”，人類雖然已經(jīng)擁有了數(shù)百年（我們以牛頓開始分光處理并系統(tǒng)研究光學起計）成熟的操作和控制光線的歷史，但在微觀領域完成同樣的事卻并不容易。在半導體層面實現(xiàn)小尺寸可用光學元件，尤其是可以在常規(guī)環(huán)境下穩(wěn)定使用的光柵開關仍存在困難，技術瓶頸相當明顯。而如果使用光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)化回電信號加以處理，協(xié)議復雜不說，接口部分的速度還難以提升，所以光電子的運算速度起碼在現(xiàn)在看來沒什么優(yōu)勢可言。

天堂入口還是地獄之門

如此看來，量子計算機和光子/光電子計算機都不是短時間以內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)的替代方案，那么DNA計算機呢？

DNA計算機與生俱來就有很多耀眼的特質(zhì)，它天生高度并行，能耗極低，體積超小，協(xié)議重建難度介乎于量子計算機與光子計算機之間，運算模式與神經(jīng)系統(tǒng)最為接近，運算結(jié)果可以和特定生化過程同步完成并直接將運算結(jié)果呈現(xiàn)為實驗結(jié)果，在解決可以充分網(wǎng)格化的非順序問題時有獨特優(yōu)勢。基于DNA/RNA分子及基因編碼序列，以生化過程完成計算的DNA計算機雖然距離傳統(tǒng)意義上的“計算機”最遙遠，但卻擁有令人難以拒絕的種種優(yōu)勢。只需要一滴水大小的溶液，其中成百上千億的DNA分子就能超快速的搞定各種難解的數(shù)學問題，如果用它來打造超強PC，那豈不是相當美好的未來圖景？

但令人遺憾的是，DNA計算機別說做成“一滴水大小的PC”了，就是做成字面意義上的“計算機”都還是不可能的任務。

與量子和光子計算相比，DNA計算的起步最晚而且完成度也最低，幾乎還沒有真正意義上的計算原型機，絕大部分所謂的DNA計算模型都還只是試管里或者顯微玻片上的一抹溶液。與前兩者相同的是，DNA計算現(xiàn)階段的應用范圍同樣狹窄，它只能被用來解決特定的數(shù)學問題而非通用計算問題，其結(jié)果表達形式也相當復雜，需要重建的協(xié)議仍舊極多，甚至連最基本的IO接口都難以構(gòu)筑，對二進制體系的友好程度無法量化判明。

另外，DNA計算對環(huán)境的要求甚至遠超需要超低溫制冷的量子計算機，它要求絕對純凈的環(huán)境，即便是試管上最小的污漬也會給計算過程帶來毀滅性的影響。DNA計算基本上還處在理論階段，距離實用還有相當遙遠的距離。

不僅如此，DNA計算還存在層級甚高的非技術性問題——將龐大的計算能力、有序性以及邏輯性賦予理論上擁有自我復制以及形成生命潛力的存在形式，這無疑是個極端危險的決定么，DNA本來就是生命的基礎，地球上所有生命形式都是構(gòu)筑在DNA/RNA分子的生化行為之上的，如果肆意改變DNA/RNA的編碼體系，讓DNA/RNA具備了龐大且有序的運算能力，甚至是自反饋性以及目的性，一旦觸發(fā)某個方向上的耗散系統(tǒng)的自組織現(xiàn)象，甚至由此而產(chǎn)生了AI或者類似AI的有序自主存在形式，其結(jié)果可能是不堪設想的。

計算機如果因為強大的運算能力而產(chǎn)生了AI，那也不過是機械或者某些有爭議的智慧體而已，如果DNA運算體系產(chǎn)生了AI，其產(chǎn)物就很可能是所謂的“新的智慧生命”了。

不可否認，DNA計算的特性造就了其無可替代的價值，未來的醫(yī)學、生化以及生物學研究將會越來越多的從其中獲益，諸如拓撲學、任務的無損拆解及網(wǎng)格化還有神經(jīng)系統(tǒng)模型的研究也能由DNA計算模型中得到幫助，但DNA計算應該存在不可逾越的紅線——不要觸及實際的通用運算任務，不要形成系統(tǒng)性的計算體系，更不要拿它來替代電子計算機。

在終點前尋找新的起點

一個難懂而且起碼要等上2、30年的時間，另一個難實現(xiàn)而且還不知道什么時候可以被實現(xiàn)，最后一個更難實現(xiàn)而且干脆就不要被實現(xiàn)的好，如此看來，似乎每一條前進的道路都是荊棘密布、難以前行。當然，本文的目的也不是探索可行的方案，而只是著重于展示PC/電子計算機時代的極限以及“后PC時代”的繼任者風貌，雖然可以相對輕松的知曉終點何在，但從繼任者的角度上看，PC發(fā)展進入死胡同之后的未來圖景并不令人樂觀。

毋庸置疑，如果電子計算機體系壽終正寢，整個產(chǎn)業(yè)以及我們的生活都將會隨之發(fā)生巨變。無論用哪種技術手段接替，屆時要更換的都將不僅僅是設備，還有幾乎所有內(nèi)、外部協(xié)議和應用環(huán)境，這不僅是技術的問題，同時也是產(chǎn)業(yè)、消費者甚至社會環(huán)境的大問題。除了成本堪稱天文數(shù)字，對整個人類的文明也將會產(chǎn)生未知且深遠的影響。

如此看來，我們今天所面對的這三位在現(xiàn)階段的表現(xiàn)似乎都難以盡如人意，除非有重大的產(chǎn)業(yè)級乃至社會級的變革加以刺激，否則電子計算機的極限很有可能會先于備選接替者們到來，無論是量子計算機，光子/光電子計算機，還是“禁忌級”的DNA計算機恐怕是都跟不上節(jié)奏了。即時，迎接我們的，將很有可能會是無奈的停滯不前。

工藝的極限是存在的，如果無法突破原有極限，同時又沒有新的方向或繼任者，在現(xiàn)有環(huán)境下繼續(xù)進行技術改進并尋求新的解決方案就成了必要的手段，比如說出現(xiàn)在當前GPU業(yè)界的“向邏輯結(jié)構(gòu)而非工藝要效率”的設計思路無疑是有益的嘗試。如果能在相同工藝環(huán)境下通過優(yōu)化邏輯結(jié)構(gòu)設計來提升硬件架構(gòu)的性能功耗比，我們就有了更晚觸及工藝極限的正當理由。當然，由于邏輯門電路的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)幾無優(yōu)化余地，對其宏觀組合方式的優(yōu)化并不能讓我們永遠回避性能滯漲的問題，最后回到向頻率要性能的路上是唯一的結(jié)局。但對于打著摩爾定律的旗號向終點發(fā)足狂奔的整個PC及電子計算機業(yè)界而言，這種嘗試無疑會提供更多寶貴的時間來為我們緩沖。

包括憶阻器以及碳納米管在內(nèi)的一系列新元件也許是PC潛在的元件級技術希望，這其中尤其以憶阻器最為引人矚目，作為新近發(fā)現(xiàn)的第四基本元件，憶阻器斷電之后狀態(tài)信息不丟失的特性給PC以及電子計算機體系帶來了新的希望，它甚至被譽為“晶體管和現(xiàn)有數(shù)字邏輯電路的替代者”。但是憶阻器本身的研究進展剛剛起步，大部分細節(jié)以及專利均掌握在惠普手中，而且并沒有表現(xiàn)出能夠讓我們通過1nm關卡的趨勢，還有沒有其他可行性更高的方案來充當備份呢？

我們注意到，基于超大規(guī)模集群和高帶寬低延遲通訊協(xié)議的云計算/云應用環(huán)境也是未來之一，它能改變現(xiàn)有PC的存在形式，將“采購本地運算能力”變成“采購超大規(guī)模運算能力當中的一部分”，這等于把PC的運算極限從單臺/本地級別大幅提升到集群規(guī)模，將受迫于工藝極限的單節(jié)點硬件性能的瓶頸轉(zhuǎn)嫁給集群，因此，理論上可以讓個人/單節(jié)點運算能力大幅提升到完全滿足任何需求的地步。如果云技術能夠充分實踐化，PC或者說接近我們現(xiàn)在意義上的個人PC節(jié)點的極限起碼可以再推后10年左右，盡管在那之后增長仍將會停止，但這段緩沖期無疑是寶貴的。而且云體系的建立，本身也與量子計算機及量子計算的民用普及條件不謀而合。

總之，以今天的眼光來看，在可遇見的未來，對于PC以及電子計算機發(fā)展到盡頭這件事兒，我們大概還有15至20年可以安心等待的時間，在這段時間里，就讓我們擦亮雙眼仔細把握每一次關鍵性的技術進步吧。□