逆天黑科技，人工大脑进击人脑？ | 壹读百科

在计算机领域，有一个广为流传的「摩尔定律」：一个芯片上可以容纳的晶体管数量，每两年就会增加一倍。也就是说，一台计算机大小不变，性能大约每两年就会翻一番，每十年就会加个零。当然，摩尔定律不是一个科学理论，而是对计算机发展状态的观察：从上世纪70年代起，一代代的计算机，都有如命中注定般地遵守了这个神奇的规律，矢志不渝地飞快发展。

过去的几十年来，这种指数速度的增长，拉动着全球经济的一次次跨越，并且不断重新定义着人类的生活。

而接下来的十年，按照摩尔定律，将更加惊人：晶体管的体积将继续缩小，计算机芯片将小过细胞，小过分子，人类将生产出极为微型的小电脑，这些小电脑将可以进入人体，不管是作为医药还是生化武器。摩尔定律预言说，这些事件的发生，都近在咫尺。

这样有没有一点惊喜、一点惊诧、和一点毛骨悚然？

不过先别急着沉浸于美国大片式的想象世界：事实上，从进入21世纪以来，已经有不少人开始在质疑，摩尔定律是否能无穷无尽地延续下去？甚至有人提出，从2015年、甚至2010年起，计算机的发展速度已经在变慢，从之前的两年翻一番变成了三年翻一番。

可是人类社会已经习惯了计算机产业的高速发展。不要是停滞、哪怕计算机只是发展速度减慢一点点，都将给人类社会的前进产生大幅度的影响。摩尔定律一旦被打破，软件、游戏、电子消费品等大量产业将无法持续升级和更新换代，而一旦停止创新，这些产业即刻将面临枯萎、大量人口失业……引起的灾难旋风将不亚于有史以来的任何一次经济危机。

为了守住摩尔定律，坚定不渝地将它延续下去，科学家们还有这些机会——

准备再活100年监督摩尔定律的壹读君|何满子

越来越小的晶体管

多年以来，计算机得以越变越小、越来越快，主要得益于晶体管越变越小。晶体管相当于贴在计算机芯片上的成千上亿个超小的开关，因为自身的半导体特性，源源不断地记忆和传输着数据。

晶体管：组成电脑的最小开关

而晶体管所用的半导体材料，就是硅。

从60年前只有四个晶体管的收音机到如今有17亿晶体管的英特尔第四代处理器，晶体管从人的手掌那么大已经缩至了纳米级。

当然这么尖端的技术不是谁都有，世界上可以刻出如此精度的半导体的公司，事实上只有一家，垄断了整个行业的高端市场：专门生产光刻机的荷兰公司ASML。这个叫ASML的公司也许在大众视线里名不见经传，却是电子巨鳄英特尔、IBM必须仰赖的供应商：它生产的光刻机能够达到3纳米的精度，是所有芯片生产者不可替代的必需品。

光刻机卖得确实贵，1台将近1亿美元，而且此等绝密级技术还不是有钱都能买。建设社会主义，华为重任在身呀

光刻机的精度固然一直在进步，可是以硅为原料的晶体管的变小，总是有限度：单个硅原子的大小大约是半个纳米，也就是说，在现在的电路中，晶体管小开关的端点之间的距离只有30个硅原子。如果再继续缩短，不仅造价会飙升，更会导致稳定性变差——

晶体管的开关端点之间的距离一旦降到个位数，量子物理就会开始给这些小开关们捣乱：即使开关被断开，电子仍然可能自发地在端点之间跳来跳去（这一现象被称为「量子隧穿」），晶体管作为开关就意义尽失了。试想如果汽车的制动因为一两个晶体管被干扰而失灵，飞机在空中突然失去动力，后果将是不可承受的灾难……

一个核不够，再加一个、两个、三个……

如果无法再把晶体管继续变小，那么要以摩尔定律的速度继续提高计算机性能，就得另辟蹊径，从比晶体管高一级别的处理器设计上想办法。

如果一个核（处理器）不能装下足够多的晶体管，双核、四核就成了显而易见的解决方案。英特尔也正是这么做的，既然无法再提高单个CPU的性能，一台电脑里放2个、甚至4个CPU，就成了多快好省的最佳选择。

不过，众所熟知的CPU事实上只是处理器的一种，根据需求不同，还有一些有其他侧重的处理器，譬如善于处理图像的GPU，针对数字信号的DSP，还有上个星期一出现就引发业界旋风、谷歌专为深度学习开发的TPU（Tensor Processing Unit）。如果将不一样的核并行连接起来，各有侧重、各司其职，也会极大地提高计算机性能。

除去以上的各种核，还有一种工艺——FPGA也开始被应用到处理器中。FPGA与其他处理器有什么本质不同？FPGA最大的特点，在于它是一种可以编程的处理器。也就是说，每一个FPGA在出厂时，只是一个“半成品”，可以随时根据需求变换结构、写入逻辑，并且可以近乎不限次数地再次变换、重新配置，通过不同的程序，从一个收音机变成手机再变成计算器，游刃有余。

在多核、并行成为刚需的时代，作为处理器中的变形金刚，FPGA已经开始在工程界受到瞩目。Microsoft的云服务器catapult中，FPGA处理器就挑起了大梁，让我们在用word online的时候越来越快；英特尔也刚刚收购了生产FPGA的龙头厂商Altera，CPU与FPGA这样的强强联手即将到来。

Altera生产的FPGA旗舰产品，Stratix第四代

量子之光？

上面说了，当晶体管变得太小、开关之间距离极短的时候，量子隧穿效应就会显现，破坏传统计算机的运转。

不过好在传统计算机并不是科学家们探索的尽头。事实上，物理学家们正在试着将量子的怪异秉性为己所用——量子计算机的构想由此诞生，成为计算机革命的新希望。尽管这个概念也不算太新了——上世纪80年代量子物理学大师理查德·费曼就提出了这个量子计算。

量子计算机超越传统计算机的最核心之处，在于量子本身的性质：传统计算机以比特作为记录信息的最小單位：每一个比特可以是0或1，以二进制的方式记录信息。endprint

但是量子不止可以設定0和1两种状态，量子可以处于任何一种“叠加态”：就如薛定谔的猫中所比喻的亦生亦死的叠加态一样，一个量子也可以处于0和1各占一定比例的叠加态。

叠加态的神奇之处在于，一个量子比特，可以同时处于0和1两种状态，而只有当观测它的那一刻，才能将它确定为0或1。

这样一来，一个传统比特，只能存储0或1一种信息，一个量子比特却能够以一定的概率同时存储0和1两种信息。一旦比特数增加，量子计算机所能存储的信息量，将呈几何级数地增长，远远超过同等比特的经典计算机：譬如一个2比特的存储器，经典比特只能存储0-3四个数的其中之一，量子比特却能同时存储4个数字。相应地，一个10比特的存储器，经典比特依然只能存储0-1023之间的其中一个数字，量子比特却能存储全部1024个数字。而20个量子比特，已经能存储上百万个信息。

四个量子比特所能存储的16种信息

更可怕的是，量子比特中存储的数据可以同时进行计算，从而使其无论容量还是速度，都将远远甩出经典计算机无数条街，尤其将在人工智能、优化这种需要处理超大量数据的领域大放异彩，甚至还将反过来反哺量子化学模拟。同时，由于量子的干涉效应（前一次操作的结果会影响后一次的操作），量子计算还可以极大地提高信息检索速度，经典超级计算机要试1000年才能破解的密码，量子计算机只要一天时间，毫不夸张地实现了量子物理学家Grover所说的，“量子力学可以在稻草堆中寻找一根针”。

只要合理利用叠加态、量子纠缠和干涉，量子计算机（左）的效率将远超传统计算机（右）

一旦实现，量子计算机将无疑是创造新纪元的颠覆性产品，可是理想毕竟只是理想：时至今日，量子计算机仍然处于极为初级的研究阶段——量子的不稳定性是科学家们所面临的最大难题，量子计算所需要的极端低温也对与之配合的其他部件提出了严峻的挑战。

有机分子材料：世纪大伪装

众所周知，以硅作为半导体原料制造的晶体管，体积已经缩小到了极限，而量子计算机的实现又遥遥无期。那么，是否有其他材料可以代替传统的硅，让计算机从大小到性能都远进一步？

有。

但也不仅仅是有那么简单。四十多年前，纽约大学的一个计算机系博士生在自己毕业论文的开头写道，“大自然用分子进行了无数活动，也许我们也应该向自然学学，用分子来制造电子部件。”

用一个有机分子来代替硅，作为半导体材料，这个提议是惊人而又诱人的。如果计算机的晶体管能像DNA那样传送信息——分子计算机这个带着奇幻色彩的想象横空出世。

40年来，材料学家对于用分子材料代替硅的研究始终不断，并且取得过几次突破、尽管最后都归于失望。生物分子材料在一蹦一跳中缓慢发展，而这过程中最大起大落的一幕，莫过于21世纪初的一场爆炸性大发现和接踵而来的丑闻。

2001年，年仅31岁的德国天才Jan Hendrik Sch?n，声称自己在实验室中从一种染料中提取的分子，和半导体具有相同的导电属性。自然、科学杂志争相发表他的论文，这个本来就被誉为当世最瞩目的潜力之星，瞬间成为了聚光灯下的焦点——随后他甚至还给出实验数据，向全世界报告说自己做出了第一个单分子晶体管。

单分子晶体管！

现在的每个硅制的晶体管有几万个原子，而单分子晶体管可能只有十几个原子，甚至几个。如果能制作出一个完全由有机分子制成的芯片……这个芯片的大小是HIV病毒的1/120，是红细胞的1/5000，甚至比可见光的波长还要小数百倍。

纳米级机器人——无所不在的、肉眼完全看不见、就算比喻成一粒灰尘都是将它放大了无数倍的极度微型的有机分子机器人，瞬间成为了可能。

像一团灰尘一样席卷人间、拥有智能、甚至还能自己分裂繁殖的纳米“仿生物”机器人，忽然从科幻小说被拉近成触手可及的现实。

就是这些分子，将制造出前所未有量级的纳米计算机

这是所有人都在等待的突破性成果。在未来的某一天，极微小而强大的计算机以极低的成本生产出来，军方、医药公司兴奋若狂，伦理学家惶恐失措，人们的生活在接下来的几十年来，也许将以不可想象的方式被彻底颠覆。

这些微型计算机可以被织入衣物、送入血管、甚至……植入大脑。计算机可以和大脑里的每一个信号相连结，思维和记忆将可以被下载。脑力将不受限制，知识的定义几乎被改变，而人类将通过大脑、通过大脑中的人工大脑，获得永生。

而另一方面，这些微型计算机也可以被制成最锋利的武器，杀人于无声无形。更甚的是，因为完全由生物材料制成，这些计算机将学会自我繁殖，而当它们的繁殖和生存需要占据更多的资源，它们将不得不抢夺植物、动物的资源，植被凋零、动物灭绝……甚至危及人类。

而这一切的一切，都因为Henrik Sch?n的研究，成为近在咫尺的可能。这位来自贝尔实验室的年轻人、物理学界冉冉升起的新星、正在快速通道上驶向诺贝尔奖的绝顶天才，正在将人类社会的发展推向一个也许连他自己也未曾想过的巅峰。

直到他论文中的两张图被翻出来对比了一番。

两张出现在不同论文、登于不同杂志、出自完全不同的实验的实验结果，画出来的图，竟然只有轻微拉伸的变化，就连图上的“噪音”（曲线上细微的凹凸）都完全一致。

对于任何两次实验来说，取得这样完全一致的结果，可能性根本为零。

随后的调查、取证、媒体曝光接踵而至，没过多长时间，Hendrik Sch?n承认了自己伪造数据的做法，论文被撤回，他自己被辞退，甚至还被母校撤销了博士学位。

一场突破性的纳米革命，一夜之间大厦倾塌，然后回归了失落和平静。

Jan Henrik Sch?n

向前看！

钻进大脑的人工智能、藐视光速的超能计算机，一时半会也许不会出现。计算机的未来可能仍旧属于某种纳米材料、量子、光电子，也可能属于出人意料的混搭，或者某种突如其来、无法预测的新发现。

唯一毫无疑问的是，在人工智能和大数据风卷残云的时代，数据只会愈来愈多，而计算时间则只能愈来愈短。但无数的过往先例都告诉我们：即使是最不可能实现的梦，追逐的途中都可能捡到意想不到的甜蜜收获。

波士顿大学CAAD 实验室的耿同先生和代尔夫特理工大学QuTech 实验室的付祥先生对本文亦有贡献。

参考资料：

1. Kushmerick J. （2009）， “Nanotechnology： Molecular transistors scrutinized”， Nature 462， 994-995

2. 郭光灿（2016），“量子信息与量子计算未来发展”，摘自光明网

3. Grover L.K. （1997）， “Quantum Mechanics Helps in Searching for a Needle in a Haystack”， Phys. Rev. Lett. 79， 325

4. Kelly K.F. & Mody C.C.M. （2015）， “The booms and busts of molecular electronics"， IEEE Spectrum， vol. 52， no. 10， pp. 52-60endprint