摩爾定律終結，計算的未來在哪里

李雨蒙

1971年，全球最快的汽車是時速可達280千米時（約合174英里/時）的法拉利代托納（Daytona）跑車。而全球最高的大樓是紐約的雙子塔，高415米（約1362英尺）。就在當年11月，英特爾公司推出了首款商用微處理機芯片4004，該芯片中包含了個如紅血球般大小的微型晶體管。

自此，根據英特爾聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）的預測，芯片一直持續改進。遵循眾所周知的“摩爾定律”經驗法則，更小的晶體管緊密地裝入硅片中，大約每兩年芯片的處理能力就會翻倍，從而提升性能并降低成本。

現代的英特爾Skylake處理器大約包含17.5億個晶體管——其中一半可以裝入“4004”的單個晶體管——整體能夠傳遞40萬倍的計算能量。這種指數級增長在物質世界是難以實現的。如果自1971年以來，汽車和摩天大樓能以這種速度增長，那么現在最快的汽車就可以達到1/10光速的速度，最高的大樓可達地球與月球之間一半的距離。

摩爾定律的影響在我們的生活中隨處可見。現在，世界上有30億人的口袋中裝著智能手機：每個智能手機都遠比20世紀80年代那種房間般大的超級計算機性能強大。無數行業被數字化所顛覆，強大的計算能力甚至縮短了核試驗的時間，因為對核武器來說，使用模擬爆炸實驗要比真實實驗容易的多。摩爾定律演變為一種文化寓意：硅谷內外的人都期望科技能夠一年比一年好。

然而，50年后的今天，摩爾定律的終點即將到來。晶體管變小已經不足以保障它們可以更加廉價更加快速的進行計算。這并不意味計算能力的發展會即刻停止，而是這種發展的本質已經有所變化。芯片依舊會變得更好，但是進步的速度會減弱（正如英特爾公司所言，單位晶體管的運算功能現在每2.5年才翻一番）。計算的未來將取決于3個領域，而不再只與硬件的性能有關。

不再相信摩爾

首先是軟件。3月，AlphaGo（阿爾法狗），一款可以下圍棋的人工智能程序，在總局數為五輪的對峙中，以4：1的成績戰勝了世界最佳棋手之一的李世石。由于異常復雜，電腦科學家們非常著迷于研究圍棋，因為圍棋存在的戰術可能性比宇宙中的原子還要多。所以下圍棋的程序系統無法簡單依靠摩爾定律的蠻力運算去演進。

此次獲勝的Alfago運用了兩個深度學習算法，一是所謂的策略網絡，用來訓練模仿人類行為。看過數百萬計的對局后，它已學會提取特征、原則和經驗法則。它在對局中的工作就是觀察棋盤的狀態，并產生一些看起來有希望的步數來給第二個算法考慮。第二個算法叫做價值網絡，用來評估一個步數的制勝概率。機器試驗策略網絡的建議，將這些建議產生的數以千計的走法進行評估。因為圍棋是如此復雜，將所有可能的走法都進行到底是不可能的。作為替代，價值網絡評估數個步數后可能的棋盤狀態，并與它之前見過的例子進行比較。這種想法是找出統計意義上最像過去能夠獲勝的棋形。策略和價值網絡結合起來構成了人類棋手需要通過幾年實踐才能累積的圍棋智慧。3月的勝利體現出，運用新的計算法則獲得了巨大的能力。由此看出，緩慢的硬件發展將極大推動更加智能的軟件的研究。

然而，如同Brundage先生所指出的，強力算法并沒有被DeepMind完全摒棄。像許多深度學習系統一樣，AlphaGo的性能隨著更多的計算單元而改善，至少能上升到某個點。與李先生對戰的系統版本使用了1920個標準處理芯片和280個原用于視頻游戲的圖形芯片。盡管如此，他說，AlphaGo自我學習正是學習人類下圍棋的方式。

第二個影響進程的領域是“云”，就是通過因特網傳遞服務的數據中心網絡。在計算機作為獨立設備運用時，無論主機或臺式機的性能都完全取決于處理芯片的速度。而今天的計算機不用改變硬件也能夠增強性能。在搜索電子郵件、計算最優行駛路線等任務時，它們能夠利用云端龐大且靈活的計算資源。互聯性強化了它們的功能：比如智能手機中，衛星定位、運動傳感器、無線支付支持等功能與處理器速度同樣重要。

第三個影響因素是新的運算結構——為特殊工作特制優化的芯片，甚至通過探索離奇的量子力學同時處理多個數據集。隨著通用微處理器的迅速發展，對于上述方式的需求已經降低，但時至今日，業內在專門針對云計算、神經網絡處理、計算機視覺等任務設計芯片。這類專用硬件將會嵌入云端，需要時即可調用。這也說明，終端用戶設備的硬件性能已經沒有以往那么重要。

速度不是一切

在現實中這意味著什么呢？摩爾定律從來都不是一條物理定律，而是自我實現的預言。這是中心計劃的勝利——科技行業從此得以協調和同步所有行動。摩爾定律的終結將使科技的進步變得難以預測。當科技產業時不時推出更高性能的技術時，科技發展的路上難免出現磕磕碰碰。但是，當大多數人是以功能和特性的有效性評判自己的計算設備而非處理速度時，對于消費者而言，科技發展看起來并沒有減弱多少。

對企業來說，向云計算轉換可以掩蓋摩爾定律的結束。實際上，許多企業已經減少了個人電腦的升級頻率，也不再管理自己的郵件服務器。可是，這種模式需要依靠快速且可靠的網絡連接。這樣將增強對改善帶寬基礎設施的需求：隨著云供應商數據中心內部計算能力的迅猛提升，無法提供合理帶寬的廠商越發無法在行業中受益。

對于科技行業自身來講，摩爾定律的結束增強了集中云計算服務的邏輯。目前，云計算行業已經被科技界幾大巨頭所占領：Amazon、Google、Amazon、、Microsoft、阿里巴巴、百度以及騰訊。這些公司正在竭力增強云基礎設施的性能，同時也在尋找引領新熱點的初創公司：Google在2014年收購了就是開發出AlphaGo的英國公司。

50多年來，表面上看晶體管縮減的頹勢已經不可阻擋，使計算機變得價格更加廉價、功能更完備。隨著摩爾定律的褪色，科技發展的進程將不再呈現節奏化。而計算機和其他設備將變得更加強大——以不同和更加多元的形式。