摩尔定律有没有终结
高性能计算，到了今年，蓝色基因C就要到了1000万亿次，能不能不断上去，有没有极限？在计算机界、半导体界有一个摩尔定律，这是1965年因特尔公司的创始人之一高登·摩尔在观察半导体器件制造状况的时候，归纳出的一个设想。这不是严格的数学和物理基础上的定义，虽然它叫“定律”，但并不是一个严格的定律，而是一个设想。西方社会是商品社会，所以有时候愿意夸大，就是愿意包装。其实，摩尔只是个设想，愣给它起名叫“定律”，也是个包装。最早的设想是一个器件上的数目，每24个月翻一番，过一段时间发现不对，又改成18个月翻一番，这就被人们恭维成“摩尔定律”。这个状况，大体上在30年内是正确的，从1965年提出这个设想，一直到20世纪末，整个发展基本是这个情况。现在的问题是，摩尔定律是永无止境就这样下去，还是有一个终结？
1965年，芯片上只有65个三极管，现在已经做到了一亿五千万个。2010年前后，将达到10亿个。2000年，CPLJ芯片上的线款做到了0.18个微米，或者叫180个纳米。2006年已经做到了60纳米。在芯片上的器件越来越多，器件之间的连线越来越细。现在的问题是，如此下去，有无尽头，有无极限？
大家公认，半导体工业、半导体技术的发展有它的极限，提出了三重极限。
第一个是物理极限，它包括三个部分：
一是材料的物理性能极限。器件越来越多，器件里边的几何尺寸越来越小，小到一定程度，器件的物理性能就要起变化。这里讲到了“隧道效应”，就是我们用半导体器件做一个数字开关，用它来代表1和0，因为数字计算机最基本的就是一个1，一个0，二进制。假定一个器件的导通的状态叫1，关闭状态就叫0，导通和关闭在半导体上就是在门上一个经过的电流大，一个是堵塞状态，电流很小，基本上就说是没有，所以一个是导通，一个是不导通，这两种物理状态才能代表二进制的1和0。
但是现在，当器件即门电路的门的几何尺寸已经小到1至2个纳米了，再小下去，量子物理里边所讲的“隧道效应”就要发生作用了。“隧道效应”就会在器件关闭状态关不住了，照样有电子泄漏过去，而且这个数量和导通状态已经是同样量级了。到这个时候，开关管的二进制性能就不存在了，半导体就变成导体，起不了一个开的稳定状态和一个关的稳定状态，代表数字上的1和0，0就出不来了。所以器件越多，器件尺寸越小，小到一定程度，一个门的尺寸小到1个纳米以下，到时候“隧道效应”要起作用，1和0的表示从根本上就会出问题。
二是延迟和串音。当器件数目越多，器件之间的联系越细，两条连线之间的距离越近的时候，就会有串音。大家知道，两条线离得越近，它们之间的分布电容就大了，这上面传输的信号就会在另一条线上出现串音。而且线越细，它的阻抗也就越大，延迟也就越大。所以，一个延迟和一个串音，本身也是个极限。
三是散热。每一个器件本身是有功耗的，现在一个芯片上的密度已经是1.5亿个器件了，2010年可能到10亿了，这时候器件上的发热和散热就变成了大问题。如果散热器不能把发出的热量散掉，不能达到一个平衡，它的温度就会不断上升，一直到芯片毁掉。
所以，有热的问题，有串音的问题，有“隧道效应”致使半导体性能本身不能再成立的问题，这是物理的极限。
第二个是工艺的极限。
物理上能够站得住了，工艺上能不能做出来？我们现在做大规模的集成电路，很像印刷术，是用光刻腐蚀这套办法。这套光刻的办法，线要做得很细，受到光学规律的制约。现在如果是采用普通光刻，就做到0.15、0.13微米以上，即130纳米以上的线宽。现在要做到100纳米（0.1微米）和它以下的线宽，用的是深超紫外线（DuV），它的波长是240纳米，可以做出分辨率100多纳米的线宽。如果小于100纳米，深超紫外线也不行。现在日本人研究出极度紫外线，可以把线宽做到70纳米，可是要做到小于50纳米的线宽，光的办法就不行了，不管是常规光还是紫外光。从理论上说，x射线可以做到0.6纳米，可那完全是另外一个领域。到做X射线的时候，几何光学用不深，整个工艺设备都要重新换一套。即使物理材料上允许，你的器件密度和线宽进一步发展，在工艺上也有它的局限，工艺上做不到。
第三个是经济可行性局限。
1968年，英特尔刚起步的时候，一个生产线、一个制造车间的投资大概是300万美元，还是当时的钱。到90年代，建立一个0.25微米工艺芯片车间的投入是20亿至25亿。到0.18微米工艺时，是30亿至40亿美元。小于100纳米，估计这个生产车间的投入费用就要超过100亿美元，达到100亿至200亿美元。所以出现了摩尔第二定律。
摩尔定律是1965年的设想，1995年，还是高登·摩尔，在英国的《经济学家》杂志上发表了第二篇文章，被认为是“摩尔第二定律”。他说：“在过去的30年里，我发现，半导体器件的技术的发展、工艺的发展，除了我第一定律讲的每18个月翻一番，还要受着经济学定律的约束。我发现，从1968年到1990年的32年里，工艺设备的投资，每翻一番，产品的性能可以翻三番。可是，从1995年后的几年，我发现，工艺设备、装备投资每增加一倍，提高的性能只有50％。”所以就发生一个问题，即使物理上和工艺上还能把它推上去，经济可行性允许不允许？他当时预计到1998年，新生产线的投资要到百亿美元。所以有人估计，到2000年，英特尔公司投入的新生产线要到150亿元，相当于英特尔整个公司净值的80％。
建一条生产线，要把整个公司的80％净值投进去，这个风险太大了。而且经济学上的可行性有一个问题，投资在一定的预期里能否收回。如果投资在一定的预期里收不回来，谁都不肯去投的，这叫ROI（Return Over Investment）。假定我投下100亿，做出一个新的芯片，比原来芯片的性能提高50％，我就要考虑这个芯片投放市场多少年才能收回钱。这里有一个鸡生蛋、蛋生鸡的互相影响关系。如果定价定高了，比如投进去100亿，要生产一百万片，每片要卖1万美金，那连一百个人都不买，我不是净赔吗？所以，不能想象一次投放市场就能收回，我预计它10年收回。开始的卖价，本来应该卖1万美金，我愣赔了，头几年就准备赔，一块芯片，成本假定是1万美金，我就卖200美金，我是赔了。200美金投下去以后，如果市场培养起来，到了一年销售100万户，那很快就能收回投资。如果到不了，第二年是不是还是按照200美金一片？
有可能这么大的投入永远收不回来。你的价格和培育市场有关系，到一定时期，前几年赔钱，后几年再赚回来，有可能根本就培育不起来，这个市场就根本形成不了。也很明显，最大的市场是个人电脑市场。但是，现在个人电脑在国内已经卖到三四千块钱，一个芯片就1万美金，谁买呢？个人电脑不买你的。超级机一年在全世界也卖不了20台，这个投资永远也收回不了。所以还受第三个限制，就是经济可行性。
所以现在就出现了一个问题，高性能计算要依托芯片性能的提高、处理能力的提高、速度的提高，但是客观上有物理极限、工艺极限和经济极限，怎么办？有人说，摩尔定律到2010年左右就走到了尽头，再也没可能向前发展。也就是说，前50年出现的那个奇迹再也不会发生了，到了尽头了。现在人们在想的就是另辟蹊径。
一门技术的推广有很长的过程
有人提出了生物计算机，生物计算机就是发现的DNA（脱氧核糖核酸），它本身有可能在两种不同的状态下代表二进制的数，而且DNA本身有很强的三自由度的存储空间，有很强的存储能力。人往生物方面想也是有道理的，“紫色”耗电7500千瓦，耗资几十上百亿美元，还比不上我的小脑袋瓜，所以生物有道理，人们在生物上找出路。那么就找到了分子生物学的发展，特别是很多核物理学家都去搞生物，促使生物学科在现代物理的基础上有了新的境界、新的发展，分子物理学、生物物理学都有很大的发展。发现了DNA有一个潜力，有可能用它实现二进制的存储和运算，DNA的能量消耗是普通计算机的十分之一，速度可以达到很快，比电子的办法要快得多，可是现在怎么样？普林斯顿的生物学家，也是生物计算机很有名的科学家劳拉·兰德韦伯，他对这种技术将来可以达到100％准确率的能力持乐观态度，但是他与其他研究人员很快就指出，与传统运算方法相比，他们研究的课题还处于刚刚起步的阶段，而且对许多应用领域来说，硅材料制成的硅芯片总是会略胜一筹。生物分析运算研究协会会长、杜克大学计算机科学家约翰·赖夫指出，硅运算技术不会退出历史舞台，生物计算的前途和希望，很可能会出现在某些适合它优势的领域。
最前沿的，做生物计算机科学研究的科学家认为，生物计算机的前景、未来不是普遍地取代现在的传统计算机，而是在某个特定领域发挥它的特定的、内在的优势，他们特别指出了在军事密码破译方面，有可能用生物计算的装置和传统的电子的装置混合起来，专门针对一些特定的领域、特定的问题，实现比现在纯电子的方法更高的效率和结果，特别指的就是军事密码破译。
还有就是光。人们很容易想到光，因为光的传导不发热。刚才说，物理极限里有散热的问题，而光没有这个问题。同时，光也没有串音的问题。所以，用光来实现更高的计算速度和更高的器件密度的可能性是存在的。电子传输速度是每秒593公里，而光是光速，比电子在导体中传送的速度要快。没有热瓶颈的问题、没有串音和干扰的问题。但是现在进展得如何？1990年1月，美国贝尔实验室做出最原始的光计算机的雏形，用激光器、透镜、棱镜组成，只能进行很简单的运算。到现在为止，光计算技术也在想办法，现在存储技术进展比较快，但整体上光计算机的构成方面还有很多障碍。贝尔实验室在十多年前做的还用激光器、透镜、棱镜组成，这样的组成怎么能做到运算单元的高密度化、小型化、超小型化？太困难了。你要有激光发生器，透镜的几何尺寸要缩到很小，像现在，一个芯片上到了1.5亿个器件，太困难了，所以也只处于探索阶段。
再有就是量子计算机。在1981年，IBM公司的物理学家Charles Bennett和英国牛津大学的研究人员DavisDeutsch在美国德克萨斯州的一次会议上碰头了。上面开大会，两个人底下议论，议论现在的计算机这套办法基本是牛顿力学的办法。因为我们现在做的还是靠电路原理，说得深一点，最多是电动力学，还是宏观上的东西，还没有跳出牛顿力学的范畴。他说，我们有没有可能创造新一代的计算技术的概念和方法，不是以牛顿力学为依据，而是以量子力学为依据。
萌生了这个想法以后，他们开始搞量子计算机。量子计算机最简单的根据是，传统计算机最小的单元是一个电子元件，一个三极管，这个器件要求有两种稳定的物理状态，当然是指在相对某一段时间内的稳定状态。一个状态代表1，一个状态代表2。
在同一个时间，这个器件只能是一种状态，要么是1，要么是2。一个门，在二进制中管它叫一个bit，就是一个二进制的位。一个bit在物理上就是一个门，要么是1，要么是0，同时只有一种可能性。如果是两个位，两个bit，这个bit或是1，或是0，两个都是0，或者是两个都是1，那么有2的2次方，四种可能性：11、00、10、01。但是，同时只能存四种可能性中的一种可能性：要么是01，要么是00，要么是10，要么是11。有四种排列，但同时只能存在一种。如果是3个bit，那就是2的3次方，有八种可能，但同时也只能有一个。
可量子力学不一样，量子bit，现在起名叫qubit，区别于传统的二进制位的bit。
