摩爾定律走向黃昏與晶片業的下個黎明何在?

作者 | 發布日期 2016 年 03 月 28 日 13:58 | 分類 晶片 , 電腦 follow us in feedly

摩爾定律最早由英特爾聯合創始人 Gordon Moore 提出,內容是:當價格不變時,積體電路上可容納的元器件數量約每隔 18-24 個月就會增加一倍,性能也將提升一倍。後面 Moore 修正了模型,變為:單位面積晶片上的電晶體數量每兩年能實現翻倍。



Gordon Moore

誰也想不到,這個 1971 年提出的定律,竟能支配電腦計算領域長達 44 年的時間。直到今天,英特爾官方宣布,放棄過去 10 年堅持的 Tick-Tock 處理器發展模式,透過延長製程的生命周期,將之前的處理器研發周期從 「兩步」 變成 「三步」:

  • 製程(PROCESS)
  • 架構更新(ARCHITECTURE)
  • 優化(OPTIMIZATION)。

英特爾 CEO Brian Krzanich 表示,「我們的更新周期已經從 2 年延長到了 2 年半。」

這意味著對於英特爾而言,摩爾定律已經失效。

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摩爾定律的失效,並不出乎人們的意料。微軟研究院的副總裁 Peter Lee 曾開玩笑說:「預測摩爾定律將會失效的人數,每 2 年都會翻上一倍。」 而在英特爾官方宣布放棄追求摩爾定律曲線的時候,這一天也就到來了。

摩爾定律對整個電腦產業有著舉足輕重的影響。我們最為關心的是,在摩爾定律之後,計算領域會發生什麼改變?答案就在以下十大方向,包括:

  1. 從根本上改變晶片的設計:包括 3D 維度的晶片設計、周圍尸匣極、量子穿隧效應等。
  2. 尋找矽材料的替代品:包括矽-鍺(SiGe)、合金隧道、III-V 材料設計、石墨烯、自旋電晶體等。
  3. 從現有電晶體尋找出路:多核心晶片、特製晶片、新品種晶片。
  4. 計算框架的變革:量子計算框架、光通信、量子阱電晶體、神經形態計算、近似計算。

摩爾定律的黃昏將帶來機遇、混亂和大量的摧毀性創意。一個原本依賴於大量設備穩步升級的產業將被撕碎。那麼電腦的未來,究竟會怎樣發展?

 

摩爾定律背後的物理瓶頸

摩爾定律並不是一套 「物理定律」,而是大公司定義的經濟規則。在以英特爾為首的晶片公司定義了一套遊戲規則,要在兩年的時間裡把晶體數量增加一倍,同時成本減少一半。

過去這套經濟規則並沒有違反物理定律。研究人員發現,當電晶體在體積變小時,性能也會變得更好:

體積較小的電晶體在開啟關閉時需要的能量更少、速度也更快。這意味著你可以使用更多更快的電晶體,而無需付出更多能量或產生更多廢熱,因此晶片可以在越做越大的同時、性能也越來越好。

能做到這一點的公司獲得了成功,而做不到的則逐漸被歷史淘汰。但當電晶體尺度變小到小型化的極限 「原子尺寸」 的時候,事情變得和人們期待的有所不同。

在這種原子尺寸下,現代電晶體的源極和汲極非常接近,匣極尺寸縮減,大約是 20 奈米的量級。這會引起穿隧效應,剩餘電流能夠在裝置關閉的時候通過,浪費了電量和產生不必要的熱量。

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 ▲ 製程縮小下,電晶體中的源極與汲極的距離縮減,也容易造成穿隧效應(圖片來源:維基百科

從這個來源產生的熱量會導致嚴重的問題。許多現代晶片都必須低於最高的速度運作,或者周期性的關閉部分開關以避免過熱,這限制了它們的性能表現。

現在的晶片電晶體間距已經在 10 奈米左右的量級了。減小間距會帶來非線性的成本增加,根據國際商務戰略公司 CEO Handel Jones 的估計,當業界能夠生產電晶體間距 5 奈米的晶片時(根據過去的增長率來看可能出現在 2020 年代早期),晶圓廠的成本可能飆升到超過 160 億美元,這是英特爾目前年營收的三分之一。

2015 年英特爾的年營收是 554 億美元,只比 2011 年增長了 2%。這種營收的緩慢增長與成本的大幅上漲,帶來了顯而易見的結論:從經濟的角度來看,摩爾定律已經過時了。

 

摩爾定律的下一步

很顯然,傳統的晶片設計方案已經到達了瓶頸。要找到下一代晶片,會需要兩個廣泛的變化。

  1. 電晶體的設計必須從根本改變;
  2. 行業必須找到矽的替代品,因為它的電學屬性已經被推到了極限。

 

一、根本改變晶片設計

(1)第三個維度

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針對這個問題,一個解決方案是重新設計隧道和匣極。按照慣例,電晶體一直是平面的,但自從 2012 年之後,英特爾給產品增加了第三個維度。要啟用它來生產出只有 22 奈米的晶片,它切換到了被稱為 「finFETch」 的電晶體。這個產品讓一個通道在晶片表面豎起來,匣極圍繞著該通道 3 個裸露的方向(如上圖),這使得它能夠更好的處理發生在隧道內部的任務。這些新的電晶體做起來比較棘手,但相比過去相同尺寸的版本,要快 37%,而且僅僅消耗一半的電量。

(2)Gate-All-Around

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下一個邏輯步驟,Argonne 國家實驗室的 Snir 先生說,是周圍匣極(Gate-All-Around)的電晶體,它的通道被四面的匣極環繞。這能提供最大的控制,但它給製造過程增加了額外的步驟,因為匣極必須在多個部分分別構建。大的晶片製造公司,例如三星曾經表示,它可能會使用周圍匣極的電晶體來製造 5 奈米分離的晶片,三星以及其他的製造商希望能做 2020 年代前期達到這個階段。

(3)量子穿隧效應

除此之外需要更多外部的解決方案。一種想法是利用量子穿隧效應,這對於傳統的電晶體來說是很大的煩惱,而當電晶體縮小的時候,事情也總會變得糟糕。這是有可能的,透過施加電場,以控制隧道效應發生的速率。低洩漏率對應狀態 0,高洩漏率對應 1。第一個實驗隧道電晶體由 IBM 的團隊在 2004 年展示。從那之後,研究人員一直致力於商業化。

2015 年,美國加州大學一個由 Kaustav Banerjee 領導的研究小組,在 Nature 上發表了一篇文章,他們已經建立了一個隧道電晶體,工作電壓只有 0.1,要遠遠小於比目前正在使用的 0.7V,這意味著更少的熱量。但是在隧道電晶體變得可用之前,還有更多的工作需要完成。ARM 的微晶片設計師 Greg Yeric 說:「目前它們在打開和關閉開關的速度還不夠快,不足以讓它們在快速的晶片中使用。Jim Greer 和他在愛爾蘭 Tyndall 研究院的同事提出了另一個思路,它們的設備被稱為無連接奈米線電晶體(JNT),旨在幫助解決小尺度製作的問題:讓摻雜做得夠好。「這些天你正在談論半導體摻小量的矽雜質,然後會很快來到這個點,即便是一個或兩個雜質原子的錯誤位置,都會激烈的影響電晶體的表現。」 Greer 博士說。

相反,他和他的同事提出建立自己的 JNTs,距離一種一致摻雜的矽,只有 3 奈米的跨越。通常來說,這會導致一條電線,而不是一個開關:一個有著均勻導電能力的設備,而且不會被關閉。但是在這種微小的尺度下,匣極的電子影響能夠剛好穿透電線,所以單獨的匣極能夠防止,在電晶體關閉的時候進行電流流動。

傳統電晶體的工作原理是,在原本彼此隔離的源極和漏極之間搭建電橋。Greer 博士的設備以其他的方式工作:更像一個軟管,匣極充當著避免電流流動。「這是真正的奈米技術,」 他說:「我們的設備只能在這個尺度上工作,而最大的好處是,你不需要擔心製造這些繁瑣的結點。」

 

二、尋找矽的替代品

晶片製造商也在用超越矽的材料進行試驗。去年,一個包括了三星、Gobal Foundries、IBM 和紐約州立大學的研究聯盟,公布了一個 7 奈米的微晶片,這個技術被在 2018 年以前,並不被期待來到消費者的手中。它使用了和上一代發佈的 FinFET 相同的設計,做了輕微的修改,但儘管大多數的設備都是從通常的矽製作完成的,其電晶體大約一半都是由矽 – 鍺(SiGe)合金製成的隧道。

(4)矽-鍺(SiGe)合金

選擇了這種設計,是因為在某些方面,這是比矽更好的導體。再一次,這意味著更低的功率使用,並且允許電晶體更快的打開和關閉,提升晶片的速度。但這不是萬能藥,IBM 物理科學部門的負責人 Heike Riel 說。現代晶片從兩種電晶體構建,一個被設計為傳導電子,帶著負電荷。其他種類被設計來導入 「洞」 裡,這會放置在可能、但意外沒有包含電子的半導體中。這些的出現,表現的就像它們帶有正電荷的電子。並且,雖然矽鍺擅長輸送 「洞穴」,但相比矽來說,它不是很擅長移動電子。

沿著這些線路到更高性能的表現,未來的路徑可能需要同時把矽鍺和其他混合物,讓電子能比矽製材料中更好的移動。擁有最好電學性能的材料是一些合金,例如銦,鎵和砷化,在元素週期表中統稱為 III-V 材料。

麻煩的是,這些材料很難和矽進行融合。它們晶格中原子之間的間隔距離,和矽原子之間有很大的不同。所以將它們的一層增加到矽基片中,從中所有晶片的製作都會導致壓力,這會帶來晶片斷裂的壓力。

(5)石墨烯

Graphene

最著名的替代方法是石墨烯,它是單原子厚的碳形式(二維)。石墨烯在操作電子和空穴的時候表現的非常好,但難點在於如何使它停止下來。研究人員一直試圖透過摻雜、壓碎、擠壓石墨烯,或者使用電場來改變電學的性能。現在已經有了一些進展:曼徹斯特大學 2008 年報告了一個正在工作的石墨烯電晶體;加州大學 Guanxiong Liu 帶領的研究小組,2013 年使用了一種有 「負電阻」 特性的材料以製作設備。但對石墨烯真正的影響,Yeric 博士說,是刺激對其他二維材料的興趣「石墨烯是一個打開的盒子,」 他說道:「我們現在正在尋找像二硫化鉬的物質,或黑色磷、磷硼的混合物。」 重要的是,所有的這些都像矽一樣,可以很容易打開和關閉。

如果一切都按照計畫進行,Yeric 博士說,新型的電晶體設計和新材料,可能讓事情在 5 年或 6 年裡還滴答作響,到了那個時候可能會有 5 奈米的電晶體。但除此之外,「我們已經用盡了一切方法,避開真正根本性的需求。」

(6)自旋電晶體

對於這方面來說,他最傾向的候選對象是所謂的 「自旋電子學」。電子系使用一個電子的電荷來代表信息,自旋電子學使用 「旋轉」,這是電子的另一個固有屬性,並且和物體擁有的轉動能量相關聯。它很有用,旋轉有兩個變化:向上和向下,它可以用來表示 1 和 0。電腦行業對自旋電子學已經有了一些經驗:例如它是硬碟裡的應用。

對自旋電晶體的研究已經超過了 15 年,但是迄今為止還沒有投入生產。難做的是,驅動它所需的電壓是非常微小的:10-20 毫伏,相比常規的電晶體要少數百倍,這可以解決熱量的問題。但是這也帶來了設計的問題, Yeric 說道。有著這種時脈電壓,在電子雜訊中區分 1 和 0,變得非常棘手。

「在實驗室裡建造一個新奇的電晶體,是相對而言比較容易的事情,」 分析師 Linley Gwennap 說。「但是要取代我們今天正在做的事情,你需要在一個晶片上投入數十億美元,需要有合理的成本,以及非常高的可靠性,而且幾乎要沒有任何缺陷。我不會說著無法做到,但這是非常困難的。」 這也讓尋找其他的辦法製作更好的電腦,變得十分重要。

 

三、從現有電晶體尋找出路

嚴格的說,摩爾定律是關於越來越多數目的組件,可以被整合進一個給定的設備中。更一般的說,電腦總是變得越來越好。隨著電晶管變得越來越難以縮小,計算公司開始考慮更好的利用已有的電晶體設備。「過去管理者們不希望在密集設計上投入過多,」 ARM 的 Greg Yeric 說:「我認為這將會開始發生變化。」

一種方法是:讓現有的晶片工作強度更大。電腦晶片有一個主時脈頻率,每次它滴答的時候,裡面的電晶體就會進行開、關動作。更快的時脈,意味著更快的執行指令。提高時脈速率已經使得晶片在過去的 40 年裡變得更快的主要途徑。但是,在過去的 10 年裡,時脈速率幾乎沒有變化。

(7)多核心晶片

晶片製造商透過使用額外的電晶體,壓縮以複製晶片已有的線路做為回應。這種 「多核心」 晶片,把一些比較慢的處理器綁在起來,要比單純依靠單一的快速處理器表現的要更好。大多數現代的桌上型電腦是 4 到 8 核心,有的甚至有 16 核心。

但是,正如業內人士發現的,多核晶片的速度達到了限制。「大家一致認為,如果我們繼續這樣做,如果我們的晶片有 1,000 個核心,那麼一切都會好起來的。」 微軟晶片設計專家 Doug Burger 說。但是,要獲得最佳的晶片,程式設計師們不得不把任務人分解成小塊,讓它們可以同時工作。「事實證明,這真的很難。」 Burger 博士說。實際上,對於一些數學任務而言,這是不可能的事。

(8)特製晶片

另一種方法是專攻。使用最廣泛的晶片,例如 Intel’ s Core 產品線,或者那些基於 ARM’ s Cortex 設計的晶片(在地球上幾乎所有的手機都能找到)都是多面手,它們具有很強的靈活性。不過這是有代價的:它們可以做一切事情,但沒有一件事情能做的完美。調整硬體,讓它更好的適用於特別的運算任務,可以讓你在解決一般性的任務時,有著 100 到 1,000 倍的提升。Intel’ s Pentium 晶片的設計者 Bob Colwell 說。

專門特製的晶片已經在電腦產業的一些領域中得到使用。最著名的例子是用來提高影像遊戲視覺效果 的顯卡,由 Nvidia 和 AMD 之類的公司所設計,在 1990 年代中期嶄露頭角。英特爾後來的 Pentium 晶片也有為一些任務(比如影像解碼)設計內置的特製邏輯。但這正也有缺點。

設計新的晶片需要數年的時間,研發成本可能高達數千萬甚至數億美元。特製晶片也比通用用途的晶片更難編程。並且,由於天性使然,它們只能提升某些任務上的性能表現。

特製邏輯更好的目標對象——至少在一開始的時候——可能是資料中心,這些需要龐大計算力的倉庫為執行網路的伺服器提供著動力。

由於資料中心處理著海量的數據,它們可能永遠都需要一塊只能做一件事、但做得非常好的晶片。

基於這個原因,微軟——全球最大的軟體公司和雲端運算服務供應商之一——正在投資晶片設計業務。2014 年,微軟公布了一台名為 Catapult 的新設備,它使用了一種叫做現場可編程邏輯門陣列(FPGA)的特殊晶片,這種晶片的設置可以隨心所欲地進行調整。FPGA 提供了一種介於特製和靈活之間的折中,非常實用,帶領 Catapult 研發團隊的 Burger 說:「這是想要在可程式化的軟體以外也有可程式化的硬體」。當一個任務結束以後,FPGA 可以在不到 1 秒內被重新調整到符合另一個任務的設置。

這種晶片已經被微軟的搜尋引擎 Bing 所使用,微軟表示,FPGA 使伺服器在給定時間裡能處理的請求數量翻了一倍。除此之外,也有許多其他的潛在應用,Peter Lee 這樣說,他是 Burger 在微軟的頂頭上司。當某種特定的算法需要被反覆應用在資料流上時,FPGA 脫穎而出。一種可能性是用 Catapult 來加密電腦之間資料據流以確保它們的安全性。另一種可能性是將它用在雲端網路手機的語音辨識和圖像辨識任務上。

這種技術不是全新的,但是直到現在才找到使用它的理由。全新的是 「雲端正在以讓人瞠目的速度增長,」 Burger 說,「現在摩爾定律正在不斷放緩,這使得越來越難以增加足夠的計算力來與雲端相匹配。所以這類後摩爾時代的項目開始變得有經濟意義。」

(9)3D 晶片

撇開鰭形電晶體(finned transistors)不談,現代晶片都是非常扁平的。但是也有一些公司,包括 IBM,正在研究將晶片互相疊加——就像一層一層疊高樓房一樣——來讓設計師們能夠在給定區域裡安置更多電晶體。三星已經在銷售用垂直堆疊的快閃記憶體製作的儲存系統了。去年,英特爾和 Micron(美光)宣布研發出了一種名為 3D Xpoint 的新型記憶體技術,能夠利用堆疊的記憶體。

IBM 的研究人員們則致力於研究某種稍有不同的東西:將記憶體層(slices of memory)疊在處理邏輯層(slices of processing logic)之間,像三明治一樣的晶片。這將能讓工程師們把大量的計算封裝到非常小體積的晶片上,同時帶來很大的性能提升。傳統計算機的主儲存器 (main memory)位於距離處理器幾釐米遠的地方。從矽晶的傳遞速度(silicon speeds)來說,一釐米已經是非常長的距離了。在這樣的距離上傳遞訊號也很浪費能量。將記憶體移至晶片中以後,就把這些距離從釐米級降到了微米級,使資料傳輸更快速。

但是 3D 晶片面對兩個大問題。第一個就是熱量。扁平的晶片在這方面已經夠糟糕了,在傳統資料中心裡有數以千計的風扇為伺服器散熱,轟鳴聲不絕於耳。增加疊加層數以後,晶片內部——也就是熱量產生的地方——熱量增加速度會超過散熱速度。

第二個問題是如何接入電力。晶片透過其背面數以百計的金屬 「針(pins)」 與外界相連。現代晶片對電力的需求高到多達 80% 的金屬針都被設置為用來傳輸電力,只剩下非常少的數量用來處理數據輸入和輸出。在 3D 形態下,這種侷限被放得更大,因為同樣數量的金屬針必須要滿足比原先複雜得多的晶片。

IBM 希望能透過在 3D 晶片中置入微型內部管道來一箭雙鵰地解決這兩個問題。微流控通道(microfluidic channels)可以將冷卻液運往晶片的核心部分,一下子將內部空間中的熱量都帶走。這家公司已經在傳統的扁平晶片上測試了這種液體冷卻技術。微流控系統可以最終從 1 立方釐米的空間裡帶走大約 1 千瓦的熱量——差不多和電加熱器上一片加熱器的輸出差不多,這個團隊的負責人 Bruno Michel 說。

而液體能做的不只是冷卻晶片,它也能傳遞能量。受到自己生物學背景的啟發,Michel 將這種液體命名為 「電子血液」。如果他能順利完成的話,這種液體之於電腦晶片就會像生物血液之於生物體:在提供能量的同時保持體溫恆定。Michel 的想法是液流電池(flow battery)的一種變體:在液流電池中,兩種液體在膜的兩側相遇並產生電流。

液流電池非常簡單易懂。電力產業一直在研究液流電池,想將它作為儲存來自可再生能源的能量的一種方式。Michel 的系統距離商業應用來說還有許多年要走,但是原理已經確立:當 Ruch 打開液流開關,管道連接到的晶片就會 「甦醒」——而你在視線範圍內根本看不到插頭或是電線。

 

四、計算框架變革

(10)量子計算

Quantum Computing

量子技術可以實現速度上的大飛躍,但是只是在特定的應用上。

THE D-Wave 2X 是一個黑色的盒子,看起來有點像電影《2001 太空漫遊》中神秘的黑石板的縮小版。它不是一般的機器,它是世界上第一台在商業上可用的量子電腦。目前已經和惠普、微軟、IBM 和 Google 建立了合作。

量子計算是一種完全不同的處理訊息的方法。在一些普通機器難以處理的問題上,它擁有巨大的速度優勢。即使摩爾定律得以無限地延伸下去,這些問題也會持續的困擾普通機器。

而量子計算常常是被誤解,有時是過分吹噓的。其中部分原因是該領域本身還很新,所以其理論基礎依然還在搭建中。在一些任務的完成上,量子機器毫無疑問要比最好的非量子機器要快。但是在其他的大部分任務上,這一優勢就沒那麼明顯了。「在許多情況下,我們不能確定某個量子計算機會比大家熟知的經典電腦快。」麻省理工學院的計算機科學家 Scott Araronson 說。可用的量子電腦將會是一個福利,但是沒人能確定這個福利會有多大。

一個例子是,找到一個很大的數字中的質數因子:這個問題中,隨著目標數字變大,難度會呈指數式的遞增。換句話說,摩爾定律中,每一次晶片製程的升級,都只能再影響到稍微大一點的數字。確定質數因子組成了大多數密碼的數學支柱,這能在數據遊走在網路上時起到保護作用,恰好是因為這很困難。

兩個非常規的量子現象,量子比特,或者說是量子位,在運行是完全不一樣的。第一是 「疊加」 態,指一種持續不確定性的狀態,能讓原子同時能在不同的狀態存在。比如,一個量子粒子是沒有具體的位置的,只有說是有出現在某個地方的可能性。在計算層面,這意味著,一個量子位,不是特定的 1 或特定的 0,而是以兩者混合的方式存在。第二個量子現象是 「牽連」態,不同粒子的發展綁被在一起,所以其中某一個粒子受到影響的話,會立刻在其他粒子上有所反映。  這能讓量子電腦在同一時間處理所有的量子位。

結果便是,一台機器能夠一次性地呈現並處理海量的數據。例如,一個 300 量子位的機器,能夠同時描繪 2,300 個不同的 1 和 0 串,這一數字幾乎等同於可見宇宙中所有的原子數量。並且,由於量子位是牽連的,所以要同時處理所有的這些數字也是可能的。

2、其他技術

  • 光通信:使用光來代替電,在電腦,甚至晶片間進行溝通。這將能降低能源消耗,促進發展。惠普、麻省理工學院。
  • 更好的儲存技術:建造新的快速、密集和便宜的記憶體,解決在電腦性能上遇到的瓶頸。英特網,美光(Micron)。
  • 量子阱電晶體:使用量子現象來改變電晶體中的電池的表現,提升性能,使得摩爾定律能夠再反覆,提升速度,降低能源消耗。
  • 開發新的晶片和軟體:在從專門化的晶片串建立的機器上實現代程式寫的自動化。已經證明,這在 Soft Machines 上尤為困難。
  • 近似計算:讓電腦的內部表徵數字更加精確,以減少每次計算時的比特數量,進而節省能源;允許電腦在計算中發生隨機的小失誤,能夠釋放配對的其他比特,這也能節約能源。華盛頓大學,微軟。
  • 神經形態計算:以動物大腦中處理訊息的纏結和緊密聯結的神經束為模型開發設備。這可能會降低能源消耗,想識別模式和其它的 AI 相關的任務也被證明是有用的。IBM,高通。
  • 碳奈米管電晶體:這些捲起的石墨片材保證了低的能力消耗和高的速度,正如石墨烯那樣。和石墨烯不同,它們也能夠輕鬆的關閉。但是很難進行量化生產。IBM,史丹佛大學。

 

五、總結

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摩爾定律的終結將會讓電腦行業變得更加複雜。在摩爾定律處於巔峰時期時,行業是很簡單的。電腦以可預測的方式和速度升級。隨著節拍被打亂,電腦行業將成為一個更加複雜的地方。類似智慧設計和狡猾的編程是有用的,Pentium 的晶片設計師 Bob Colwell 說:「但是許多一次性的創意的集合不能彌補潛在指數上的不足。」

跟之前相比,發展將變得更不可預測,受到的侷限會增多,速度會減慢。「隨著摩爾定律消退,我們被迫在 3 個方面,即力量、表現和成本上做出艱難的選擇。」ARM 的晶片設計師 Greg Yeric 說,「一個特定的答案不能完美地服務於所有的終端使用」。

摩爾定律的黃昏將帶來機遇、混亂和大量的摧毀性創意。一個原本依賴於大量設備穩步升級的行業將被撕碎。

軟體公司將開始進入硬體生產;硬體製造商需要改進自己的產品,更貼近用戶越來越多樣化的需求。但是,正如 Colwell 所說,要記得,消費者並不會在乎摩爾定律:「大多數買電腦的人甚至根本不知道晶體能有什麼用」。他們僅僅是想要這個產品,他們購買,是想要更好、更有用。過去,這意味著大多數都是在速度上獲得指數式的增長。這條道路已經走到盡頭。但是依然有很多別的方法來製造更好的電腦。

(本文由 36Kr 授權轉載;首圖來源:Flickr/Rob Bulmahn CC BY 2.0) 

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