“曾經(jīng)只要我們可以將所有的東西都縮小，問題就會自動解決，” 加州圣塔克拉拉第三個千年測試解決方案（Third Millennium Test Solutions）公司的CEO比爾·鮑特姆斯（Bill Bottoms）表示：“芯片會變得更快，耗能更少。”

　　但是到了本世紀(jì)初，微電路縮小到90納米以下的時候，上述“自動解決”的方式開始不再靈光，隨著越來越小的硅電路里的電子移動越來越快，芯片開始變得過熱。

　　這是一個很嚴(yán)重的問題，處理器運行產(chǎn)生的熱量很難消除，所以，芯片制造商選擇了他們僅有的解決辦法，加爾吉尼說，設(shè)備商不再追求絕對的計算次數(shù)，也就是處理器執(zhí)行指令的速度。這樣等于給芯片的電子運行速度加了上限，同時限制了產(chǎn)生的熱量，2004年以來，這個運行速度的上限從沒變過。

　　第二，雖然速度無法再提升，但為了將芯片性能按照摩爾定律進(jìn)行提升，制造商對芯片內(nèi)部電路重新進(jìn)行了設(shè)計，每個芯片不再僅有一個處理器（或“內(nèi)核”），而是兩個、四個甚至更多（現(xiàn)在的電腦和手機的芯片很多都是四核或者八核處理器）。總的來說，原本一個千兆赫的內(nèi)核現(xiàn)在可以分為四個250兆赫的內(nèi)核。不過，在現(xiàn)實中，要使用八個處理器，意味著一個問題需要被分成八個部分，很多算法很難甚至無法做到這一點，“如果有部分沒被利用，等于你的處理速度升級還是受到了限制，” 加爾吉尼說。

　　盡管如此，上述兩大措施的結(jié)合，還是保證了制造商在發(fā)展進(jìn)度上跟上了摩爾定律，現(xiàn)在的問題是，到2020年，當(dāng)微電路縮小到會受到量子效應(yīng)影響的時候會發(fā)生什么情況？下一步會是什么樣子？“我們還沒有解決方案，”參與制作新的行業(yè)規(guī)劃藍(lán)圖的一名工程師陳安（音譯）表示。

　　對此，行業(yè)內(nèi)并不是沒有想法，一種可能是去發(fā)展完全新的范式，比如量子計算，或者神經(jīng)形態(tài)計算（neuromorphic computing），前者對于某些計算有潛力達(dá)到指數(shù)級的提升，后者則是模擬大腦神經(jīng)元的計算和處理方式。但是，這兩種范式目前仍還都存在實驗室研究階段，而且很多研究人員認(rèn)為，量子計算只對某些特定領(lǐng)域有優(yōu)勢，而處理日常任務(wù)仍然是電子計算更優(yōu)。“想想吧，用量子計算去記賬是什么概念？” 加州伯克利勞倫斯國家實驗室的負(fù)責(zé)人約翰·莎爾福（John Shalf）說。

　　尋找其他材料

　　如果一定要保留電子計算的范式，也有辦法，那就是尋求一種“毫伏開關(guān)”——一種在計算速度上不亞于硅晶片，但發(fā)熱量顯著低于硅的材料。可行的方案包括了2D類石墨烯復(fù)合材料到自旋電子材料（spintronic materials ），后者可以通過讓電子快速旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行計算（現(xiàn)在的硅材料是電子發(fā)生移動來計算）。“當(dāng)你跳出現(xiàn)有的技術(shù)的限制，就會發(fā)展可供研究開發(fā)的領(lǐng)域非常多。”半導(dǎo)體研究聯(lián)合體（Semiconductor Research Corporation，src）的物理學(xué)家托馬斯·西斯 （Thomas Theis）表示。

　　然而，這些方案目前也都僅限于實驗室研究階段，目前行業(yè)里仍未找到可以完全替代硅的材料，于是，不少研究人員開始在保留硅材料的前提下想辦法，也就是從架構(gòu)的角度將硅材料以全新的方式進(jìn)行配置，比如走向3D：既然可以將電路蝕刻到硅平面的表面，為何不試試打造成“摩天大樓”，將表面已經(jīng)蝕刻進(jìn)電路的薄硅片堆積起來呈立體的形狀？然而，現(xiàn)實中，這種方式目前只能用于純存儲類芯片，因為存儲類芯片不存在發(fā)熱過度的問題， 它們的電路只在與存儲單元（ memory cell ）接觸的時候才產(chǎn)生能耗，而這種接觸發(fā)生的并不多。目前存儲芯片的一些設(shè)計就采用了這種方式，比如已經(jīng)被三星、美光科技使用的“混合存儲立方體”（Hybrid Memory Cube，類似“夾心餅干” ）設(shè)計，就是將多層存儲硅晶片堆起來。

　　微處理器要做成3D的難度就大很多，將一層又一層的發(fā)熱物體堆積起來，只會讓它們變得更熱，一種解決方案是將存儲和微處理器芯片完全分開，至少可以分走50%的熱量（雖然在兩者之間傳遞數(shù)據(jù)依然會產(chǎn)生新的熱量），將它們在納米級別上一層一層堆起來做成3D。

　　這在現(xiàn)實中依然很難實現(xiàn)，因為目前微處理器和存儲芯片的制造流程完全不同，無法在同一條流水線上進(jìn)行生產(chǎn)，要將它們堆起來，需要對芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面重新設(shè)計。但是，已經(jīng)有不少研究機構(gòu)正在朝這個方向努力并且有希望可以成功，比如斯坦福大學(xué)的電子工程師蘇哈斯施·米特拉（Subhasish Mitra ）和他的團(tuán)隊已經(jīng)設(shè)計出一種混合的芯片架構(gòu)，可以將存儲單元和碳納米管做成的晶體管上下堆到一起，每層之間可以傳遞電流，米特拉的團(tuán)隊認(rèn)為這種架構(gòu)的耗能將只有現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)芯片耗能的千分之一或更低。

　　移動化

　　除了發(fā)熱，摩爾定律遇到的第二大挑戰(zhàn)是，計算設(shè)備走向移動化。