没法做得更小,电脑如何挖掘潜力?
1965年,英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔在准备一份报告的时候发现,在过去的年代里,电脑芯片上的元件数量差不多每两年就翻一番,计算速度也由此翻番。这就是我们现在熟知的摩尔定律。
摩尔定律虽然是上世纪60年代提出来的,并且只是一个经验规律,但在后来的岁月里不断得到印证。短短的半个世纪的时间,一块芯片上包含的元件数由原来的几百个猛增到现在的数十亿个,假如没有遵循这种隔年翻番的规律,我们很难想象芯片会达到目前这个水平。
但是近年来,有人开始担心,除非新型电脑出现(比如量子计算机),否则摩尔定律可能很快就要失效,电脑的性能也将达到极限。理由是:芯片上的元件已经快要小到不能再小了。这个道理似乎也是显然的,比如说,一个晶体管,它是由上亿个硅原子组成的,当缩小到上百万个硅原子时,它或许还能工作,缩小到上千个硅原子时,或许也还能工作,但再缩小到几百、甚至几个硅原子,那就没法工作了。
一块芯片上不能容纳下更多的元件了,——这或许是真的,但由此就说电脑的性能将达到极限,这个结论似乎下得太早了点。因为科学家发现,芯片在另一方面依然有巨大的改进空间,那就是能耗。电脑速度越快,其能耗就越大,如果降低能耗,电脑的速度依然可以得到长足的发展。
为什么降低能耗能提高电脑的速度呢?这是因为电脑就像赛车一样,运行速度越快,就会变得越热。这个热量若不及时疏散,将会妨碍它工作,降低它的速度。而就目前来说,人们在散热方面并没有更有效的措施,于是降低芯片的能耗就成了一个合理的选择。
降低能耗,潜力无限
美国斯坦福大学的乔纳森·库美发现,在过去的年代里,虽然科学家们的着眼点在于使芯片做得更加紧凑,运算速度更快,但无意中,他们也使电脑的能耗不断降低;这是因为那些改进电脑工作能力的措施,如减少部件体积、部件之间的通讯时间等等,事实上也降低了电脑的能耗。因此,与摩尔定律相伴随的,还有一条叫库美定律,大意是说,在过去的岁月里,电脑的能耗也差不多每两年就降低一半。
那么,电脑在降低能耗方面的发展空间有多大?会不会像在缩小体积方面那样遇到极限呢?1985年,著名物理学家理查德·费曼分析之后认为,传统电脑的能耗在理论上可降低到100亿分之一才会到达极限,因为实际的信息处理所需能量是非常少的。虽然自那以后到现在,电脑的能耗已经降低了4万倍,但若他的分析正确,那么我们离这个极限还非常遥远。
举例来说,芯片上的重要元件——晶体管在降低能耗方面就大有改进的余地。
晶体管是一种半导体器件,可以用于整流、放大、开关等多种用途。晶体管的能耗与工作电压的大小关系密切。
近10年来,虽然晶体管越做越小,但其工作电压一直停留在1伏,没有变化。这意味着在过去10年,晶体管的能耗基本没有降低。但最近,美国加州大学伯克利分校的科学家找到一种新材料,用它做成的晶体管可以降低这个工作电压,这意味着晶体管散发更少的热量。
事实上,作为全球主要的芯片生产商,英特尔已经注意到芯片的能耗问题了。2006年,该公司推出的双核芯片CoreDuo能耗低于25瓦特,比此前的同类产品能耗几乎降低了一半。
假如你使用的是笔记本电脑,能耗降低,也就意味着你充一次电,使用的时间就更长了。
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