摩尔定律是经济学上的考量 ， 因为总是会有让计算机更快、更便宜的动机 。但在某个时刻 ， 物理定律就会起到干扰作用 ， 例如量子隧穿效应 。芯片的发展不可能永远跟上摩尔定律 ， 因为要使晶体管更小变得越来越困难 。根据摩尔第二定律 ， 芯片制造工厂的成本每隔几年就会翻一番 。据报道 ， 半导体公司台积电(TSMC)正在考虑建造一座耗资250亿美元的工厂 。
如今 ， 摩尔定律不再成立 ， 晶体管数量翻倍的速度逐渐减缓 。尽管我们继续在每一代芯片上添加更多的晶体管 ， 但添加晶体管的速度却越来越低 。英特尔晶体管设计负责人那塔金说:“我们相信 ， 我们已经从目前被称为FinFET的晶体管结构中 ， 挤出了所有你能挤出的东西” 。在接下来的几年里 ， 芯片制造商将开始生产新的晶体管结构 ， 使设备速度更快 ， 消耗的能源和空间更少 。即使那塔金是对的 ， 晶体管已经接近其最小尺寸的极限 ， 但计算机仍然有很多需要改进的地方 。通过摩尔的“设备和电路的智慧” ， 今天的电子设备可以包含许多种加速器 ， 这些是为了特殊目的如人工智能、图形或通信等定制化设计的芯片 ， 可以比通用处理单元更快、更有效地执行任务 。
从1985年到2015年的计算机性能
直到大约2004年 ， 晶体管的缩小伴随着计算机性能的提高(下面黑色表示行业基准)和时钟频率 ， 即每秒运行的周期数(绿色) ， 时钟频率越高 ， 计算机性能越好 。但2005年后 ， 这种规律就不再适用 ， 缩小的晶体管不再产生同样的好处 。
未来某些类型的加速器可能有一天会使用量子计算 ， 它利用了量子领域的两个特征 。第一种是叠加 ， 在叠加状态中 ， 粒子不仅可以以一种或另一种状态存在 ， 而是可以以某种状态的组合存在 ， 直到这种状态被明确地测量出来 。因此 ， 量子系统不是以比特的形式来表示信息 ， 而是以量子单元的形式来表示信息 ， 量子单元在测量时可以保留为0或1的可能性 。第二个是纠缠 ， 即遥远的两个单元之间的相互依赖 。这两个特征加在一起 ， 意味着一个量子计算系统可以以指数方式表示比量子单元更多的可能性 ， 包含所有1和0的同时组合 。
量子计算可以有多种形式 ， 但最普遍的一种形式是采用超导导线 。这些导线必须保持在绝对零度以上几分之一的温度 ， 即零下273摄氏度左右 ， 以防止热的、抖动的原子干扰量子单元微妙的叠加和纠缠 。
量子计算机有几个潜在的应用 ， 例如机器学习 ， 优化诸如火车调度 ， 模拟真实世界的量子力学等 。但它不太可能成为普通人的通用电脑 ， 事实上我们不清楚如何使用它来运行文字处理器 。
新芯片的概念
除了专业加速器外 ， 还有许多新方法可以大幅提高通用芯片的速度 。亚特兰大乔治亚理工学院的计算机科学家汤姆·孔特是IEEE重启计算倡议(IEEE Rebooting ComputingInitiative)的负责人 ， 他指出了两种模式 。第一种是超导 ， 让芯片在足够低的温度下运行以消除电阻 。
第二种模式是可逆计算 ， 在这种模式中 ， 比特被重复使用 ， 而不是作为热量排出 。1961年 ， IBM的物理学家罗尔夫·兰道尔将信息论和热力学结合起来 ， 他注意到当一个逻辑门接收两个比特并输出一个比特时 ， 它就会破坏一个比特 ， 并以热量的形式将其以熵或其它随机性的形式排出 。当数十亿个晶体管以每秒数十亿次的周期运行时 ， 浪费的热量就会累积起来 ， 这时机器就需要更多的电力来计算和冷却 。阿尔伯克桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)从事可逆计算研究的计算机科学家迈克尔·弗兰克在2017年写道:“传统计算机本质上是一个昂贵的电加热器 ， 它的一个副作用是恰好执行少量的计算 。”
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