摩爾定律終結(jié)，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(dāng)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(jù)英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）的預(yù)測，芯片一直持續(xù)改進。遵循眾所周知的“摩爾定律”經(jīng)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(xiàn)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(shù)級增長在物質(zhì)世界是難以實現(xiàn)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(xiàn)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?，F(xiàn)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(shù)行業(yè)被數(shù)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?yōu)橐环N文化寓意：硅谷內(nèi)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(jīng)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(fā)展會即刻停止，而是這種發(fā)展的本質(zhì)已經(jīng)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(xiàn)在每2.5年才翻一番）。計算的未來將取決于3個領(lǐng)域，而不再只與硬件的性能有關(guān)。

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(shù)為五輪的對峙中，以4：1的成績戰(zhàn)勝了世界最佳棋手之一的李世石。由于異常復(fù)雜，電腦科學(xué)家們非常著迷于研究圍棋，因為圍棋存在的戰(zhàn)術(shù)可能性比宇宙中的原子還要多。所以下圍棋的程序系統(tǒng)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(xué)習(xí)算法，一是所謂的策略網(wǎng)絡(luò)，用來訓(xùn)練模仿人類行為?？催^數(shù)百萬計的對局后，它已學(xué)會提取特征、原則和經(jīng)驗法則。它在對局中的工作就是觀察棋盤的狀態(tài)，并產(chǎn)生一些看起來有希望的步數(shù)來給第二個算法考慮。第二個算法叫做價值網(wǎng)絡(luò)，用來評估一個步數(shù)的制勝概率。機器試驗策略網(wǎng)絡(luò)的建議，將這些建議產(chǎn)生的數(shù)以千計的走法進行評估。因為圍棋是如此復(fù)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(wǎng)絡(luò)評估數(shù)個步數(shù)后可能的棋盤狀態(tài)，并與它之前見過的例子進行比較。這種想法是找出統(tǒng)計意義上最像過去能夠獲勝的棋形。策略和價值網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來構(gòu)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(xiàn)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(fā)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(xué)習(xí)系統(tǒng)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(zhàn)的系統(tǒng)版本使用了1920個標(biāo)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(xué)習(xí)正是學(xué)習(xí)人類下圍棋的方式。

第二個影響進程的領(lǐng)域是“云”，就是通過因特網(wǎng)傳遞服務(wù)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。在計算機作為獨立設(shè)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(yōu)行駛路線等任務(wù)時，它們能夠利用云端龐大且靈活的計算資源?；ヂ?lián)性強化了它們的功能：比如智能手機中，衛(wèi)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(jié)構(gòu)——為特殊工作特制優(yōu)化的芯片，甚至通過探索離奇的量子力學(xué)同時處理多個數(shù)據(jù)集。隨著通用微處理器的迅速發(fā)展，對于上述方式的需求已經(jīng)降低，但時至今日，業(yè)內(nèi)在專門針對云計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理、計算機視覺等任務(wù)設(shè)計芯片。這類專用硬件將會嵌入云端，需要時即可調(diào)用。這也說明，終端用戶設(shè)備的硬件性能已經(jīng)沒有以往那么重要。

速度不是一切

在現(xiàn)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(xiàn)的預(yù)言。這是中心計劃的勝利——科技行業(yè)從此得以協(xié)調(diào)和同步所有行動。摩爾定律的終結(jié)將使科技的進步變得難以預(yù)測。當(dāng)科技產(chǎn)業(yè)時不時推出更高性能的技術(shù)時，科技發(fā)展的路上難免出現(xiàn)磕磕碰碰。但是，當(dāng)大多數(shù)人是以功能和特性的有效性評判自己的計算設(shè)備而非處理速度時，對于消費者而言，科技發(fā)展看起來并沒有減弱多少。

對企業(yè)來說，向云計算轉(zhuǎn)換可以掩蓋摩爾定律的結(jié)束。實際上，許多企業(yè)已經(jīng)減少了個人電腦的升級頻率，也不再管理自己的郵件服務(wù)器?？墒?，這種模式需要依靠快速且可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。這樣將增強對改善帶寬基礎(chǔ)設(shè)施的需求：隨著云供應(yīng)商數(shù)據(jù)中心內(nèi)部計算能力的迅猛提升，無法提供合理帶寬的廠商越發(fā)無法在行業(yè)中受益。

對于科技行業(yè)自身來講，摩爾定律的結(jié)束增強了集中云計算服務(wù)的邏輯。目前，云計算行業(yè)已經(jīng)被科技界幾大巨頭所占領(lǐng)：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(chǔ)設(shè)施的性能，同時也在尋找引領(lǐng)新熱點的初創(chuàng)公司：Google在2014年收購了就是開發(fā)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(jīng)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(fā)展的進程將不再呈現(xiàn)節(jié)奏化。而計算機和其他設(shè)備將變得更加強大——以不同和更加多元的形式。