1965年，計(jì)算機(jī)技術(shù)處在萌芽期，計(jì)算機(jī)工程先驅(qū)戈登?摩爾(Gordon Moore)寫了一篇論文，沖擊了科技產(chǎn)業(yè)。摩爾認(rèn)為，計(jì)算機(jī)的性能每隔12個(gè)月翻一倍，成本下降50%。過去40年的歷史證明摩爾定律相當(dāng)正確。

現(xiàn)在摩爾定律進(jìn)入困難時(shí)期。去年，英特爾曾表示，現(xiàn)在要讓處理器的性能翻倍需要30個(gè)月的時(shí)間。2016年5月，曾經(jīng)刊發(fā)一篇文章，標(biāo)題就是“摩爾定律終結(jié)”。

的確，計(jì)算機(jī)性能的提升速度正在放緩。放緩還帶來一個(gè)問題：許多下一代產(chǎn)品依賴于更快、更節(jié)能 、更便宜的芯片，而芯片的進(jìn)步建立在一個(gè)假設(shè)之上，那就是摩爾定律仍然有效。如果芯片的提升速度放慢，甚至停滯，VR、AI、無人駕駛汽車、醫(yī)療、遺傳工程，甚至連最新的智能手機(jī)都會(huì)受到干擾，無法快速推出。

真的會(huì)死亡嗎?也許有些夸大。

芯片到底可以變得有多小

“必須”不是建議，而是物理的必然。幾年來，計(jì)算機(jī)工程師不斷縮小芯片的尺寸，獲得更高的性能，但是這種策略漸漸走到了盡頭。設(shè)計(jì)芯片時(shí)我們遇到了物理和幾何瓶頸：要讓芯片變小極為困難。

現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)將芯片組件之間的間隙縮小到十幾納米。如果不是工程師，可能不知道十幾納米是什么概念。一張紙的厚度約為0.1毫米，它相當(dāng)于10萬納米。現(xiàn)在芯片中空間的尺寸大約相當(dāng)于一張紙厚度的1/8000。雖然進(jìn)一步縮小尺寸是有可能的，比如降到7納米，不過按照產(chǎn)業(yè)的估計(jì)，即使只是開發(fā)一款7納米原型芯片，成本也會(huì)達(dá)到1億美元，目前全球只有3家企業(yè)可以做到：臺積電、三星和英特爾。英特爾已經(jīng)宣布，投入90億美元開發(fā)7納米處理器，開發(fā)至少要4年時(shí)間。

7納米實(shí)際上已經(jīng)做到了。如果想進(jìn)一步縮小尺寸，進(jìn)步的空間并不大。因此在7納米之后，如果我們想提高計(jì)算技術(shù)的性能必須從兩個(gè)方面下手：一是熱管理，二是能源密度。熱量和能源問題是巨大的設(shè)計(jì)難題，也是“設(shè)備殺手”。它們對創(chuàng)新至關(guān)重要，由于尺寸受到限制，熱量和能源問題束手束腳，所以我們基本上只能維持現(xiàn)狀。

第一步：減少熱量

要讓計(jì)算性能飛速提升，我們必須強(qiáng)化熱量管理技術(shù)。打個(gè)比方：要讓汽車跑得更快，我們需要安裝更強(qiáng)大的引擎，裝備更好的輪胎;但目前的問題在于，如果讓引擎更強(qiáng)大，輪胎會(huì)爆胎。

熱問題已經(jīng)阻擋了某些計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，比如堆疊(stacking)，這種設(shè)計(jì)方案將計(jì)算機(jī)組件堆疊起來，比如處理器、內(nèi)存、電源。采用堆疊設(shè)計(jì)，機(jī)器內(nèi)部命令、電能移動(dòng)的距離就會(huì)縮短，節(jié)省能源，提升處理速度。

雖然堆疊組件可以讓計(jì)算機(jī)更快，但是生成的熱量比分離更多。組件靠得太近為工程師帶來挑戰(zhàn)，他們要讓設(shè)備在安全可行的溫度下運(yùn)行。正因如此，高通和英特爾已經(jīng)拋棄了堆疊概念。英特爾組裝和測試開發(fā)技術(shù)主管巴巴克?沙比(Babak Sabi)說：“從邏輯上講，沒有人能夠真正將內(nèi)存堆疊，除非有人可以拿出熱解決方案……我不認(rèn)為有人會(huì)使用堆疊技術(shù)。”

老式散熱技術(shù)依賴于銅管和鋁管，用墊片導(dǎo)熱。但金屬管和墊片太笨重了，裝在筆記本、手機(jī)、汽車中效率不高。另外，老散熱系統(tǒng)太堅(jiān)硬，不夠靈活，結(jié)果成為了設(shè)計(jì)的“噩夢”：你必須用銅墊片設(shè)計(jì)苗條性感的智能手機(jī)。

熱技術(shù)阻礙了計(jì)算機(jī)整體性能的提升，但是技術(shù)正在快速進(jìn)步，這是一個(gè)好消息。以后的熱解決方案包括了凝膠、糊狀物、新型柔性纖維，拋棄那些笨重堅(jiān)固的材料。例如，NASA正在測試新散熱材料，這種材料很輕很柔軟，跟天鵝絨很相似。

第二步：增加能源密度

如果說熱問題讓摩爾定律“蹣跚前進(jìn)”，那么能源密度問題則將摩爾定律變成了“跛子”。

所謂能源密度，就是說我們可以在特定空間內(nèi)存儲多少能源。能源密度越高，相同尺寸的電池就可以提供更多的電能。我們可以用賽車類比，如果說計(jì)算機(jī)處理器就是引擎，熱管理是輪胎，那么能量密度就是燃油。

計(jì)算機(jī)及其它電子產(chǎn)品越來越快，越來越強(qiáng)，我們需要在更小的空間存儲更多的能源，可惜電池技術(shù)進(jìn)步緩慢。三星Note 7告訴我們：一面我們希望電池能夠提供更多的電能，另一方面又要遵守嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)范，二者必須平衡，如果平衡稍稍打破就會(huì)變成災(zāi)難。

能量密度問題成為一只攔路虎，影響了下一代計(jì)算產(chǎn)品的發(fā)展，比如機(jī)器人、無人機(jī)、太空探索設(shè)備、電子設(shè)備。在這些領(lǐng)域能量密度決定一切。對于消費(fèi)者來說，由于能量密度沒有大幅增加，所以我們會(huì)覺得手機(jī)電池不夠用。

問題還不只這么簡單，能量密度與熱量管理問題是相互關(guān)聯(lián)的。存儲能源，充電，抽取電能，全都會(huì)產(chǎn)生熱量。每一次當(dāng)工程師在某方面取得進(jìn)步，另一方面又會(huì)失常，導(dǎo)致問題變得更復(fù)雜。

未來的芯片技術(shù)

前路并非一片黑暗。我們應(yīng)該保持樂觀，相信科學(xué)家、工程師會(huì)在熱量管理、能源密度方面取得突破。我之所以有信心，主要是因?yàn)榭朔夹g(shù)、工程、設(shè)計(jì)問題是消費(fèi)者渴望的。消費(fèi)者想要更好的電池，它可以使用更長的時(shí)間，不讓筆記本太熱，消費(fèi)者認(rèn)為輕薄比強(qiáng)大的處理能力更重要。如果能夠正確解決熱量和能源密度問題，經(jīng)濟(jì)回報(bào)無疑是巨大的。

之所以樂觀還有一個(gè)原因：當(dāng)我們在熱量、能源技術(shù)上前進(jìn)一步，就會(huì)在其它地方取得相應(yīng)的進(jìn)步。如果真的做到了，新產(chǎn)品和新技術(shù)會(huì)變得更快，它們既可以保證摩爾定律繼續(xù)有效，甚至還可以摧毀摩爾定律。技術(shù)的進(jìn)步不是線性的，但最終它會(huì)帶來更加激動(dòng)人心的好消息。