我们能将计算推到多远?
如今,大规模的进展是通过扩大规模来实现的——设想更多的芯片被放入越来越大的数据中心。但是随着我们接近能够构建的上限,仍然有很多空间在计算的基本物理极限下。理查德·费曼1959年在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)发言。麻省理工学院技术评论解释:让我们的作者解开科学和技术的复杂杂乱世界,以帮助您了解未来的趋势。您可以在这里阅读该系列的更多内容。1959年12月29日,在加州理工学院举行的美国物理学会会议上,物理学家理查德·费曼进行了题为《底部有足够的空间》的讲座,讲述了我们如何在一个极小的尺度上操纵和控制事物。他辩称,没有任何物理法则阻止我们在一个针尖上写下整个《大英百科全书》,或者把写过的每一本书存储在一个微尘大小的物体中——或者,最终,把物质按原子排列。生物学已经实现了这一点(一个活细胞在一缕DNA中保留其指令),因此这一切显然是物理法则所允许的。我们只是还没有制造出相应的工具。换句话说,底部确实有足够的空间。他是对的,几十年来我们几乎是免费的进入了那个空间。晶体管——计算机芯片核心的开关——反复减小其尺寸,芯片的密度得以加倍;一个曾经占据一个房间的计算机现在可以放进手表里。但是,这种容易的下降现在已经停滞,最清晰的迹象是数据中心的建设。在全球最大的六个超大规模数据中心公司预计在今年将在计算基础设施上花费超过7000亿美元,这几乎是他们在2025年创下的记录的两倍,用混凝土、铜和硅快速建设新的场所,快于电网的供电能力。这种建设通过蛮力来获取性能,增加了我们已经会制造的东西。另一种进步,就是提高计算机芯片性能的那种,正静静地耗尽。20世纪信息时代显著进步的趋势线,现在正在随着21世纪智能时代的到来而弯曲或破裂。摩尔定律,描述了在硅上可以构建晶体管的密度,正在放缓;德南德定律,指出在一个特定的计算机芯片区域内,功耗即使随着晶体管变得越来越小而保持不变,已经结束;库米定律,追踪我们从每焦耳能量中能够榨取的计算量,开始减弱;克雷德定律,描述了用于构建磁存储的比特如何紧密打包,速度已经放缓;而凯克定律,描绘了一根传统光纤能够承载的信息数量的指数增长,正在平坦化。但是这些扩展法则仅仅是对我们所工程化的系统的观察;它们不是基本的物理法则。计算和通信的物理极限——由量子力学、广义相对论和信息理论决定——远低于今天数据中心的任何东西。这些扩展法则描绘了我们在背后下降的过程。基本物理极限描绘了剩下的空间。有些极限在实践中可能遥不可及。但它们仍然值得探索,因为这项工作带来了双重成果:一次是在技术发展上,一次是在基础科学上。接近极限的概念验证系统,是一种迫使停滞的范式让位的技术,也是加深我们对物理法则本身理解的实验。在他1959年的讲座中,费曼用自己的口袋提供了两项各1000美元的奖励。其中一项将奖励给第一个建造出小于0.4毫米立方体的工作电动机的人。他希望这个挑战能迫使某人发明一种真正的新微技术。结果,一年后,一位加州理工学院训练的工程师威廉·麦克莱伦带来了已建成并正在运行的电动机。这台四分之一毫克的机器,约为一粒沙的大小,是通过手动与牙签和钟表制造商的车床在显微镜下组装而成。根据费曼自己的说法,他只是有一点失望。这个奖项以想象不到的无趣方式证明了他的观点。确实在下面存在空间,但达到这一第一个里程碑根本没有使用任何新技术——只是一个异常耐心的人,双手稳重。第二个奖项则以不同的方式老去,更具启发性。它是提供给任何能够在每个方向上将一页文本缩小到25000分之一的,以便整个《大英百科全书》可以放在针尖上。这个奖项在长达四分之一个世纪的时间内无人认领。它最终于1985年被斯坦福大学的研究生汤姆·纽曼获得,他使用了一台电子束光刻机——一种图案制作设备的祖先……
本站免费、广告极少。如果觉得有帮助,可以请我们喝杯咖啡 —— 任何金额都对持续运营有实际帮助。
☕请我喝杯咖啡