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在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域,，有一個(gè)廣為流傳的「摩爾定律」：一個(gè)芯片上可以容納的晶體管數(shù)量,，每兩年就會增加一倍。也就是說,，一臺計(jì)算機(jī)大小不變,，性能大約每兩年就會翻一番，每十年就會加個(gè)零,。當(dāng)然,，摩爾定律不是一個(gè)科學(xué)理論，而是對計(jì)算機(jī)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的觀察：從上世紀(jì)70年代起,，一代代的計(jì)算機(jī),，都有如命中注定般地遵守了這個(gè)神奇的規(guī)律，矢志不渝地飛快發(fā)展,。

過去的幾十年來,，這種指數(shù)速度的增長，拉動著全球經(jīng)濟(jì)的一次次跨越,，并且不斷重新定義著人類的生活,。 

請注意,，橫軸的時(shí)間是逐年增加，縱軸的晶體管數(shù)量（計(jì)算機(jī)性能）是以10倍增長

而接下來的十年,，按照摩爾定律,，將更加驚人：晶體管的體積將繼續(xù)縮小，計(jì)算機(jī)芯片將小過細(xì)胞,，小過分子,，人類將生產(chǎn)出極為微型的小電腦，這些小電腦將可以進(jìn)入人體,，不管是作為醫(yī)藥還是生化武器,。摩爾定律預(yù)言說，這些事件的發(fā)生,，都近在咫尺,。

這樣有沒有一點(diǎn)驚喜、一點(diǎn)驚詫,、和一點(diǎn)毛骨悚然,？ 

不過先別急著沉浸于美國大片式的想象世界：事實(shí)上，從進(jìn)入21世紀(jì)以來,，已經(jīng)有不少人開始在質(zhì)疑,，摩爾定律是否能無窮無盡地延續(xù)下去？甚至有人提出,，從2015年、甚至2010年起,，計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度已經(jīng)在變慢,，從之前的兩年翻一番變成了三年翻一番。

可是人類社會已經(jīng)習(xí)慣了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,。不要是停滯,、哪怕計(jì)算機(jī)只是發(fā)展速度減慢一點(diǎn)點(diǎn)，都將給人類社會的前進(jìn)產(chǎn)生大幅度的影響,。摩爾定律一旦被打破,，軟件、游戲,、電子消費(fèi)品等大量產(chǎn)業(yè)將無法持續(xù)升級和更新?lián)Q代,，而一旦停止創(chuàng)新，這些產(chǎn)業(yè)即刻將面臨枯萎,、大量人口失業(yè)……引起的災(zāi)難旋風(fēng)將不亞于有史以來的任何一次經(jīng)濟(jì)危機(jī),。

為了守住摩爾定律，堅(jiān)定不渝地將它延續(xù)下去,，科學(xué)家們還有這些機(jī)會——

準(zhǔn)備再活100年監(jiān)督摩爾定律的壹讀君｜何滿子

越來越小的晶體管

多年以來,，計(jì)算機(jī)得以越變越小,、越來越快，主要得益于晶體管越變越小,。晶體管相當(dāng)于貼在計(jì)算機(jī)芯片上的成千上億個(gè)超小的開關(guān),，因?yàn)樽陨淼陌雽?dǎo)體特性，源源不斷地記憶和傳輸著數(shù)據(jù),。 

晶體管：組成電腦的最小開關(guān)

而晶體管所用的半導(dǎo)體材料,，就是硅。 

從60年前只有四個(gè)晶體管的收音機(jī)到如今有17億晶體管的英特爾第四代處理器,，晶體管從人的手掌那么大已經(jīng)縮至了納米級,。 

當(dāng)然這么尖端的技術(shù)不是誰都有，世界上可以刻出如此精度的半導(dǎo)體的公司,，事實(shí)上只有一家,，壟斷了整個(gè)行業(yè)的高端市場：專門生產(chǎn)光刻機(jī)的荷蘭公司ASML。這個(gè)叫ASML的公司也許在大眾視線里名不見經(jīng)傳,，卻是電子巨鱷英特爾,、IBM必須仰賴的供應(yīng)商：它生產(chǎn)的光刻機(jī)能夠達(dá)到3納米的精度，是所有芯片生產(chǎn)者不可替代的必需品,。 

光刻機(jī)賣得確實(shí)貴,，1臺將近1億美元，而且此等絕密級技術(shù)還不是有錢都能買,。建設(shè)社會主義,，華為重任在身呀 

光刻機(jī)的精度固然一直在進(jìn)步，可是以硅為原料的晶體管的變小,，總是有限度：單個(gè)硅原子的大小大約是半個(gè)納米,，也就是說，在現(xiàn)在的電路中,，晶體管小開關(guān)的端點(diǎn)之間的距離只有30個(gè)硅原子,。如果再繼續(xù)縮短，不僅造價(jià)會飆升,，更會導(dǎo)致穩(wěn)定性變差—— 

晶體管的開關(guān)端點(diǎn)之間的距離一旦降到個(gè)位數(shù),，量子物理就會開始給這些小開關(guān)們搗亂：即使開關(guān)被斷開，電子仍然可能自發(fā)地在端點(diǎn)之間跳來跳去（這一現(xiàn)象被稱為「量子隧穿」）,，晶體管作為開關(guān)就意義盡失了,。試想如果汽車的制動因?yàn)橐粌蓚€(gè)晶體管被干擾而失靈，飛機(jī)在空中突然失去動力,，后果將是不可承受的災(zāi)難…… 

一個(gè)核不夠,，再加一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)……

如果無法再把晶體管繼續(xù)變小,，那么要以摩爾定律的速度繼續(xù)提高計(jì)算機(jī)性能,，就得另辟蹊徑，從比晶體管高一級別的處理器設(shè)計(jì)上想辦法,。

如果一個(gè)核（處理器）不能裝下足夠多的晶體管,，雙核、四核就成了顯而易見的解決方案,。英特爾也正是這么做的,，既然無法再提高單個(gè)CPU的性能，一臺電腦里放2個(gè),、甚至4個(gè)CPU,，就成了多快好省的最佳選擇。

不過,，眾所熟知的CPU事實(shí)上只是處理器的一種,，根據(jù)需求不同，還有一些有其他側(cè)重的處理器,，譬如善于處理圖像的GPU,，針對數(shù)字信號的DSP，還有上個(gè)星期一出現(xiàn)就引發(fā)業(yè)界旋風(fēng),、谷歌專為深度學(xué)習(xí)開發(fā)的TPU（Tensor Processing Unit）,。如果將不一樣的核并行連接起來，各有側(cè)重,、各司其職,，也會極大地提高計(jì)算機(jī)性能。 

除去以上的各種核,，還有一種工藝——FPGA也開始被應(yīng)用到處理器中,。FPGA與其他處理器有什么本質(zhì)不同？FPGA最大的特點(diǎn),，在于它是一種可以編程的處理器,。也就是說,，每一個(gè)FPGA在出廠時(shí),，只是一個(gè)“半成品”，可以隨時(shí)根據(jù)需求變換結(jié)構(gòu),、寫入邏輯,，并且可以近乎不限次數(shù)地再次變換、重新配置,，通過不同的程序,，從一個(gè)收音機(jī)變成手機(jī)再變成計(jì)算器，游刃有余,。 

在多核,、并行成為剛需的時(shí)代,，作為處理器中的變形金剛，F(xiàn)PGA已經(jīng)開始在工程界受到矚目,。Microsoft的云服務(wù)器catapult中,，F(xiàn)PGA處理器就挑起了大梁，讓我們在用word online的時(shí)候越來越快,；英特爾也剛剛收購了生產(chǎn)FPGA的龍頭廠商Altera,，CPU與FPGA這樣的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手即將到來。

 Altera生產(chǎn)的FPGA旗艦產(chǎn)品,，Stratix第四代

量子之光,？

上面說了，當(dāng)晶體管變得太小,、開關(guān)之間距離極短的時(shí)候,，量子隧穿效應(yīng)就會顯現(xiàn)，破壞傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),。 

不過好在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)并不是科學(xué)家們探索的盡頭,。事實(shí)上，物理學(xué)家們正在試著將量子的怪異秉性為己所用——量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)想由此誕生,，成為計(jì)算機(jī)革命的新希望,。盡管這個(gè)概念也不算太新了——上世紀(jì)80年代量子物理學(xué)大師理查德·費(fèi)曼就提出了這個(gè)量子計(jì)算。

量子計(jì)算機(jī)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的最核心之處,，在于量子本身的性質(zhì)：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)以比特作為記錄信息的最小單位：每一個(gè)比特可以是0或1,，以二進(jìn)制的方式記錄信息。

但是量子不止可以設(shè)定0和1兩種狀態(tài),，量子可以處于任何一種“疊加態(tài)”：就如薛定諤的貓中所比喻的亦生亦死的疊加態(tài)一樣,，一個(gè)量子也可以處于0和1各占一定比例的疊加態(tài)。 

疊加態(tài)的神奇之處在于,，一個(gè)量子比特,，可以同時(shí)處于0和1兩種狀態(tài)，而只有當(dāng)觀測它的那一刻,，才能將它確定為0或1,。 

這樣一來，一個(gè)傳統(tǒng)比特,，只能存儲0或1一種信息,，一個(gè)量子比特卻能夠以一定的概率同時(shí)存儲0和1兩種信息。一旦比特?cái)?shù)增加,，量子計(jì)算機(jī)所能存儲的信息量,，將呈幾何級數(shù)地增長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同等比特的經(jīng)典計(jì)算機(jī)：譬如一個(gè)2比特的存儲器，經(jīng)典比特只能存儲0-3四個(gè)數(shù)的其中之一,，量子比特卻能同時(shí)存儲4個(gè)數(shù)字,。相應(yīng)地，一個(gè)10比特的存儲器,，經(jīng)典比特依然只能存儲0-1023之間的其中一個(gè)數(shù)字,，量子比特卻能存儲全部1024個(gè)數(shù)字。而20個(gè)量子比特,，已經(jīng)能存儲上百萬個(gè)信息,。 

四個(gè)量子比特所能存儲的16種信息 

更可怕的是，量子比特中存儲的數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行計(jì)算,，從而使其無論容量還是速度,，都將遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩出經(jīng)典計(jì)算機(jī)無數(shù)條街，尤其將在人工智能,、優(yōu)化這種需要處理超大量數(shù)據(jù)的領(lǐng)域大放異彩,，甚至還將反過來反哺量子化學(xué)模擬。同時(shí),，由于量子的干涉效應(yīng)（前一次操作的結(jié)果會影響后一次的操作）,，量子計(jì)算還可以極大地提高信息檢索速度，經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)要試1000年才能破解的密碼,，量子計(jì)算機(jī)只要一天時(shí)間,，毫不夸張地實(shí)現(xiàn)了量子物理學(xué)家Grover所說的，“量子力學(xué)可以在稻草堆中尋找一根針”,。

只要合理利用疊加態(tài),、量子糾纏和干涉，量子計(jì)算機(jī)（左）的效率將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)（右）

一旦實(shí)現(xiàn),，量子計(jì)算機(jī)將無疑是創(chuàng)造新紀(jì)元的顛覆性產(chǎn)品,，可是理想畢竟只是理想：時(shí)至今日，量子計(jì)算機(jī)仍然處于極為初級的研究階段——量子的不穩(wěn)定性是科學(xué)家們所面臨的最大難題,，量子計(jì)算所需要的極端低溫也對與之配合的其他部件提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),。

有機(jī)分子材料：世紀(jì)大偽裝

眾所周知，以硅作為半導(dǎo)體原料制造的晶體管,，體積已經(jīng)縮小到了極限,，而量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)又遙遙無期。那么,，是否有其他材料可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅,，讓計(jì)算機(jī)從大小到性能都遠(yuǎn)進(jìn)一步,？ 

有,。

但也不僅僅是有那么簡單。四十多年前，紐約大學(xué)的一個(gè)計(jì)算機(jī)系博士生在自己畢業(yè)論文的開頭寫道,，“大自然用分子進(jìn)行了無數(shù)活動,，也許我們也應(yīng)該向自然學(xué)學(xué)，用分子來制造電子部件,?！?nbsp;

用一個(gè)有機(jī)分子來代替硅，作為半導(dǎo)體材料,，這個(gè)提議是驚人而又誘人的,。如果計(jì)算機(jī)的晶體管能像DNA那樣傳送信息——分子計(jì)算機(jī)這個(gè)帶著奇幻色彩的想象橫空出世。

40年來,，材料學(xué)家對于用分子材料代替硅的研究始終不斷,，并且取得過幾次突破、盡管最后都?xì)w于失望,。生物分子材料在一蹦一跳中緩慢發(fā)展,，而這過程中最大起大落的一幕，莫過于21世紀(jì)初的一場爆炸性大發(fā)現(xiàn)和接踵而來的丑聞,。

2001年,，年僅31歲的德國天才Jan Hendrik Sch?n，聲稱自己在實(shí)驗(yàn)室中從一種染料中提取的分子,，和半導(dǎo)體具有相同的導(dǎo)電屬性,。自然、科學(xué)雜志爭相發(fā)表他的論文,，這個(gè)本來就被譽(yù)為當(dāng)世最矚目的潛力之星,，瞬間成為了聚光燈下的焦點(diǎn)——隨后他甚至還給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，向全世界報(bào)告說自己做出了第一個(gè)單分子晶體管,。 

單分子晶體管,！ 

現(xiàn)在的每個(gè)硅制的晶體管有幾萬個(gè)原子，而單分子晶體管可能只有十幾個(gè)原子,，甚至幾個(gè),。如果能制作出一個(gè)完全由有機(jī)分子制成的芯片……這個(gè)芯片的大小是HIV病毒的1／120，是紅細(xì)胞的1/5000,，甚至比可見光的波長還要小數(shù)百倍,。 

納米級機(jī)器人——無所不在的、肉眼完全看不見,、就算比喻成一?；覊m都是將它放大了無數(shù)倍的極度微型的有機(jī)分子機(jī)器人，瞬間成為了可能,。

像一團(tuán)灰塵一樣席卷人間,、擁有智能,、甚至還能自己分裂繁殖的納米“仿生物”機(jī)器人，忽然從科幻小說被拉近成觸手可及的現(xiàn)實(shí),。

就是這些分子,，將制造出前所未有量級的納米計(jì)算機(jī)

這是所有人都在等待的突破性成果。在未來的某一天,，極微小而強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)以極低的成本生產(chǎn)出來,，軍方、醫(yī)藥公司興奮若狂,，倫理學(xué)家惶恐失措,，人們的生活在接下來的幾十年來，也許將以不可想象的方式被徹底顛覆,。 

這些微型計(jì)算機(jī)可以被織入衣物,、送入血管、甚至……植入大腦,。計(jì)算機(jī)可以和大腦里的每一個(gè)信號相連結(jié),，思維和記憶將可以被下載。腦力將不受限制,，知識的定義幾乎被改變,，而人類將通過大腦、通過大腦中的人工大腦,，獲得永生,。

而另一方面，這些微型計(jì)算機(jī)也可以被制成最鋒利的武器,，殺人于無聲無形,。更甚的是，因?yàn)橥耆缮锊牧现瞥?，這些計(jì)算機(jī)將學(xué)會自我繁殖,，而當(dāng)它們的繁殖和生存需要占據(jù)更多的資源，它們將不得不搶奪植物,、動物的資源,，植被凋零、動物滅絕……甚至危及人類,。

而這一切的一切,，都因?yàn)镠enrik Sch?n的研究，成為近在咫尺的可能,。這位來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的年輕人,、物理學(xué)界冉冉升起的新星、正在快速通道上駛向諾貝爾獎(jiǎng)的絕頂天才,，正在將人類社會的發(fā)展推向一個(gè)也許連他自己也未曾想過的巔峰,。 

直到他論文中的兩張圖被翻出來對比了一番,。 

兩張出現(xiàn)在不同論文、登于不同雜志,、出自完全不同的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，畫出來的圖,，竟然只有輕微拉伸的變化,，就連圖上的“噪音”（曲線上細(xì)微的凹凸）都完全一致。 

對于任何兩次實(shí)驗(yàn)來說,，取得這樣完全一致的結(jié)果,，可能性根本為零。

隨后的調(diào)查,、取證,、媒體曝光接踵而至，沒過多長時(shí)間,，Hendrik Sch?n承認(rèn)了自己偽造數(shù)據(jù)的做法,，論文被撤回，他自己被辭退,，甚至還被母校撤銷了博士學(xué)位,。 

一場突破性的納米革命，一夜之間大廈傾塌,，然后回歸了失落和平靜,。 

 Jan Henrik Sch?n

向前看！

鉆進(jìn)大腦的人工智能,、藐視光速的超能計(jì)算機(jī),，一時(shí)半會也許不會出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)的未來可能仍舊屬于某種納米材料,、量子,、光電子，也可能屬于出人意料的混搭,，或者某種突如其來,、無法預(yù)測的新發(fā)現(xiàn)。

唯一毫無疑問的是,，在人工智能和大數(shù)據(jù)風(fēng)卷殘?jiān)频臅r(shí)代,，數(shù)據(jù)只會愈來愈多，而計(jì)算時(shí)間則只能愈來愈短,。但無數(shù)的過往先例都告訴我們：即使是最不可能實(shí)現(xiàn)的夢,，追逐的途中都可能撿到意想不到的甜蜜收獲。

波士頓大學(xué)CAAD 實(shí)驗(yàn)室的耿同先生和代爾夫特理工大學(xué)QuTech 實(shí)驗(yàn)室的付祥先生對本文亦有貢獻(xiàn),。 

參考資料：

1. Kushmerick J. (2009), “Nanotechnology: Molecular transistors scrutinized”, Nature 462, 994-995

2. 郭光燦（2016）,，“量子信息與量子計(jì)算未來發(fā)展”,，摘自光明網(wǎng)

3. Grover L.K. (1997), “Quantum Mechanics Helps in Searching for a Needle in a Haystack”, Phys. Rev. Lett. 79, 325

4. Kelly K.F. & Mody C.C.M. (2015), “The booms and busts of molecular electronics', IEEE Spectrum, vol. 52, no. 10, pp. 52-60

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