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?jī)赡昃蜁?huì)增加一倍。也就是說，一臺(tái)計(jì)算機(jī)大小不變，性能大約每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番，每十年就會(huì)加個(gè)零。當(dāng)然，摩爾定律不是一個(gè)科學(xué)理論，而是對(duì)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(lái)，這種指數(shù)速度的增長(zhǎng)，拉動(dòng)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。

而接下來(lái)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(guó)大片式的想象世界：事實(shí)上，從進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，已經(jīng)有不少人開始在質(zhì)疑，摩爾定律是否能無(wú)窮無(wú)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(huì)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(huì)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(wú)法持續(xù)升級(jí)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(lái)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(huì)——

準(zhǔn)備再活100年監(jiān)督摩爾定律的壹讀君|何滿子

越來(lái)越小的晶體管

多年以來(lái)，計(jì)算機(jī)得以越變?cè)叫?、越?lái)越快，主要得益于晶體管越變?cè)叫?。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(jí)。

當(dāng)然這么尖端的技術(shù)不是誰(shuí)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(chǎng)：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(tái)將近1億美元，而且此等絕密級(jí)技術(shù)還不是有錢都能買。建設(shè)社會(huì)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：?jiǎn)蝹€(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(huì)飆升，更會(huì)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(huì)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(lái)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(dòng)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(dòng)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(wú)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(jí)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(wú)法再提高單個(gè)CPU的性能，一臺(tái)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(duì)數(shù)字信號(hào)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(lái)，各有側(cè)重、各司其職，也會(huì)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?cè)谟脀ord online的時(shí)候越來(lái)越快；英特爾也剛剛收購(gòu)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(lái)。

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(huì)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。endprint

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(cè)它的那一刻，才能將它確定為0或1。

這樣一來(lái)，一個(gè)傳統(tǒng)比特，只能存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)的信息量，將呈幾何級(jí)數(shù)地增長(zhǎng)，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(chǔ)器，經(jīng)典比特只能存儲(chǔ)0-3四個(gè)數(shù)的其中之一，量子比特卻能同時(shí)存儲(chǔ)4個(gè)數(shù)字。相應(yīng)地，一個(gè)10比特的存儲(chǔ)器，經(jīng)典比特依然只能存儲(chǔ)0-1023之間的其中一個(gè)數(shù)字，量子比特卻能存儲(chǔ)全部1024個(gè)數(shù)字。而20個(gè)量子比特，已經(jīng)能存儲(chǔ)上百萬(wàn)個(gè)信息。

四個(gè)量子比特所能存儲(chǔ)的16種信息

更可怕的是，量子比特中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，從而使其無(wú)論容量還是速度，都將遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩出經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)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(lái)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(huì)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(jí)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(wú)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(jí)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(duì)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(wú)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(jiǎn)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(wú)數(shù)活動(dòng)，也許我們也應(yīng)該向自然學(xué)學(xué)，用分子來(lái)制造電子部件?！?/p>

用一個(gè)有機(jī)分子來(lái)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(lái)，材料學(xué)家對(duì)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(chǎng)爆炸性大發(fā)現(xiàn)和接踵而來(lái)的丑聞。

2001年，年僅31歲的德國(guó)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(zhēng)相發(fā)表他的論文，這個(gè)本來(lái)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(wàn)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(zhǎng)還要小數(shù)百倍。

納米級(jí)機(jī)器人——無(wú)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(wú)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(jí)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(lái)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(lái)，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(lái)的幾十年來(lái)，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(hào)相連結(jié)，思維和記憶將可以被下載。腦力將不受限制，知識(shí)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(wú)聲無(wú)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(huì)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(dòng)物的資源，植被凋零、動(dòng)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(lái)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(huì)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(lái)對(duì)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(lái)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(duì)于任何兩次實(shí)驗(yàn)來(lái)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(zhǎng)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(chǎng)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(huì)也許不會(huì)出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)的未來(lái)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(lái)、無(wú)法預(yù)測(cè)的新發(fā)現(xiàn)。

唯一毫無(wú)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(huì)愈來(lái)愈多，而計(jì)算時(shí)間則只能愈來(lái)愈短。但無(wú)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(mèng)，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(duì)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(lái)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. 52-60endprint