• 我的订阅
  • 科技

为什么计算机的性能如此强悍?

类别:科技 发布时间:2022-12-27 09:07:00 来源:浅语科技

与50年前相比,今天的计算机处理器性能强悍得多。处理器的计算速度大约每两年翻一倍。

这种加倍效应被称为“摩尔定律”(Moore'sLaw)是以英特尔公司联合创始人戈登・摩尔的名字命名的,他早在1965年就预测到了这一趋势。

如果汽车的最高速度自1965年以来也遵循同样的增长趋势,英国赛车手刘易斯・汉密尔顿(LewisHamilton)――7届世界一级方程式锦标赛(F1)冠军,将以超过每小时110亿英里(约177亿千米)的速度在赛道上飞驰。接近临界点

对计算机行业而言,摩尔的预言变成了某种自我实现的预言。

芯片制造商受到摩尔的启发,希望达到摩尔定律预测的性能。他们确实也这样做了:不断缩小电子元件,适配越来越小的芯片,并加快电子元件间的交互速率。

这种高度集成的电路使处理器性能越来越强大,计算机也在很大程度上改变了世界。从食品配送到交通运输,数字化几乎涉及到生活的方方面面,科学家和工程师还开发出了以前的处理器永远不可能实现的新技术,如社交媒体、在线游戏、机器人、增强现实(AR)等。

芯片技术的持续进步使这些转变成为可能。但对于技术的快速革新,人们已经习以为常,软件开发商也认为摩尔定律仍然适用。

但是,今天的互联网世界每天都会制造天量数据,这就催生了巨大的数据存储需求,而数据量越大,所需的数据分析能力就越大。

但芯片飞速发展的故事不会永远持续下去。我们正在接近一个临界点,因为晶体管的尺寸已做到了极致,继续缩小晶体管,就会遭遇物理规律的限制。

例如,苹果公司在2017年9月发布的A11芯片是当时最好的芯片之一,87.66平方毫米大的芯片包含43亿个晶体管。

如果比苹果A11芯片还小,意味着晶体管要变得更小,那么晶体管就会受到量子效应干扰(发生电子跃迁)。

另外,由于空间太小,排布芯片的内部结构,控制芯片的电性能也变得十分困难。如果晶体管数量过多,工作速度就会加快,而芯片内部阻抗过小会使芯片温度过高,如果不能立刻冷却下来,芯片就会自燃。

苹果公司在2022年发布了A16芯片,这块芯片的性能相比A11有了明显提升,但也更加接近物理极限。

A16包含约160亿个晶体管,因为尺寸过小,量子效应已经非常明显。为防止电子隧穿效应的出现,芯片制造公司改进工艺,在晶体管上覆盖了多层硅。

通过不断改进工艺,芯片上的晶体管数量还能在未来几年继续增多,但即便这样,晶体管也不能无限变小,因为硅原子的直径是0.2纳米,晶体管不管怎么缩小,也不可能小于硅原子。

因此,要进一步提升计算机的性能,只能找到绕开量子效应的方案。替代策略:专用芯片

芯片制造商从几十年前就开始尽最大努力解决这些问题。处理器的时钟频率(计算机的基本运行速度)每年都在提高。

1991年,英特尔公司i486处理器的时钟频率为25MHz:1998年,奔腾Pro处理器的时钟频率为200MHz;2008年,奔腾4处理器的时钟频率为3.8GHz。

但这已是可以实现的最快速度。从那以后,制造商不得不使用多核处理器,这样处理器就可以并行工作,运行得更快――先是双核,然后是四核、八核、十六核,等等。

继续按照摩尔定律所预测的速度提升芯片性能已经极其困难,而且耗资巨大,几乎所有芯片制造商都放弃了这场竞赛。继续往这个方向发展已经不划算了,因此,从事尖端芯片制造工艺研发的实验室明显减少。摩尔定律的时代即将结束。

取而代之的是,制造商集中精力研发专用芯片,以加速特定类型的算法。例如最常见的图形处理器。

最初开发图形处理器是为了并行执行多个算法,帮助计算机快速处理游戏的图像数据。图形处理器现在已经进化为通用处理器,用于数据分析和机器学习。芯片制造商还推出了专用集成电路(ASIC),如谷歌的张量处理器。

张量处理器是由256个芯片组成的并行工作电路,专门为提高深层神经网络的运算速度而研发,现在正在进行验收测试。

不过,摩尔定律的终结不应被视为进步的终结。

创造新可能的时代已经到来,科学家正在开发真正意义上的新的计算机架构和技术,并在材料科学领域投入更多精力,寻找可以替代硅的材料,用来制造晶体管。

这些新技术表明,尽管计算机的运算速度可能不再以指数级增长,但仍会飞速进步,而数据处理方式也会以全新的方式进行。

原文刊载于《科学焦点》202212.

为什么计算机的性能如此强悍?

以上内容为资讯信息快照,由td.fyun.cc爬虫进行采集并收录,本站未对信息做任何修改,信息内容不代表本站立场。

快照生成时间:2022-12-27 10:45:07

本站信息快照查询为非营利公共服务,如有侵权请联系我们进行删除。

信息原文地址:

你现在能刷手机,全靠他 50 年前的一句话
...一位真正的“大佬”,人类科技发展的推进者,影响整个计算机行业的巨匠。摩尔定律作为摩尔先生最伟大的成就,不仅推动了计算机技术的快速发展,使计算机走向更广泛的应用,还在无形中对人
2023-04-23 09:49:00
二维场效应晶体管的三维集成
在计算机芯片上的晶体管数量大约每18个月翻一番,这一产业发展的规律被称为摩尔定律。然而,随着近年来晶体管的尺寸趋近物理极限,摩尔定律的进一步发展对半导体工程师来说是一场噩梦,因为
2024-01-17 10:42:00
台积电正在押注的硅光子,到底是什么?
...仅可以实现跨国数据传输,还可以在数据中心之间甚至是计算机之间传输数据,乃至在芯片与芯片之间,于是就有硅光子技术的出现。 硅光子芯片原型,图/Imec相比电子通过铜等芯片互连
2023-09-13 17:03:00
通往万亿晶体管芯片,关键技术揭秘
...命摩尔定律还记得1946年在美国诞生的世界上第一台电子计算机么?它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物,耗电量高达150千瓦。如果计算机发展停滞在那一刻,那么家家户户
2022-12-17 01:00
「硅酷科技」获亿元级战略融资,自研运控技术、专注芯片键合设备国产替代 | 硬氪首发
...硅芯片上的晶体管数量将定期翻倍,从而以指数方式提高计算机的数据处理能力。但随着技术发展,半导体制造工艺面临越来越多的物理限制,晶圆代工制程不断缩小,摩尔定律已然发生变化,同时
2024-09-09 14:36:00
芯片集群「贵」出天际,10年内单个集群价值将达万亿美元
...倍。这种指数级的进步,被粗略地称为摩尔定律,一直是计算机革命的引擎之一。随着晶体管变得越来越小、越来越便宜以及速度越来越快,今天实现了手握“超级计算机”的奇迹。但人工智能时代
2024-12-07 09:58:00
改变世界的芯片:从Intel 8080到AI时代的50年传奇
...时,很少有人会想到,正是这颗50岁的芯片,开启了个人计算机的新纪元。当时的Intel还主要是一家内存芯片公司。处理器业务始于1971年为日本计算器公司开发的4004芯片——这
2024-12-24 09:48:00
如果你的大脑可以模拟,会发生什么?
...自适应学习。小小芯片,模拟大脑与人类大脑不同,迄今计算机的计算体系结构采取冯·诺依曼架构,计算与存储分离。数据在处理器和存储器之间不停地来回传输,约80%至90%的功耗都消耗
2024-05-09 15:21:00
英特尔介绍最新 PowerVia 背面供电技术
...芯片。英特尔开发PowerVia背面供电技术的背景一直以来,计算机芯片都是像披萨一样自下而上,层层制造的。芯片制造从最小的元件晶体管开始,然后逐步建立越来越小的线路层,用于连
2023-08-03 17:28:00
更多关于科技的资讯: