笔记本电脑、**和平板电脑每年都变得更便宜、更时尚、更强大，而电池寿命却越来越长。你有没有想过为什么会这样，设备是否能永远持续改进？

第一个问题的答案由研究人员发现的三个定律解释，即摩尔定律、丹尼德标度定律和库米定律。请继续阅读，以了解这些法律对计算的影响，以及它们在未来可能给我们带来的影响。

什么是摩尔定律(moore's law)？

如果你是一个经常阅读的人，你可能知道神秘的摩尔定律。

英特尔首席执行官兼联合创始人戈登摩尔（Gordon Moore）于1965年首次推出这一技术。

他预测，芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，每年的**成本将降低20%到30%。英特尔的第一个处理器于1971年发布，拥有2250个晶体管和12平方毫米的面积。今天的CPU每平方毫米容纳数亿个晶体管。

虽然它一开始只是一个预测，但业界也采用了摩尔定律作为路线图。五十年来，法律的可预见性使公司能够制定长期战略，因为他们知道，即使在规划阶段他们的设计是不可能的，摩尔定律也会在适当的时候交付货物。

这在许多领域产生了连锁反应，从不断改进的游戏图形到数码相机中不断膨胀的百万像素。

然而，这项法律有保质期，而且进展速度正在放缓。尽管芯片**商们仍在不断寻找突破硅芯片极限的新方法，但摩尔本人认为，到本世纪末，这种方法将不再有效。但是，这并不是第一个消失的技术定律。

丹尼那有什么事吗？

1974年，IBM研究员罗伯特丹尼纳德（robertdennard）观察到，随着晶体管的缩小，它们的功耗仍然与其面积成正比。

众所周知，Dennard scaling意味着晶体管的面积每18个月减少50%，导致时钟速度提升40%，但功耗水平相同。

换言之，每瓦特的计算量将以指数级但可靠的速度增长，晶体管将变得更快、更便宜、使用更少的功率。

在Dennard scaling时代，提高性能曾经是芯片**商可以预见的过程。他们只是在CPU上增加了更多的晶体管，并提高了时钟频率。

这对于消费者来说也很容易理解：运行在3.0ghz的处理器比运行在2.0ghz的处理器要快，而且处理器的速度一直在提高。事实上，国际半导体技术路线图（ITRS）曾经预测到2013年时钟频率将达到12GHz！

然而今天，市场上最好的处理器的基频只有4.1GHz。怎么搞的？

dennard scaling的结束

时钟速度在2004年左右陷入了泥潭，因为耗电量的减少跟不上晶体管的收缩率。

晶体管变得太小，电流开始泄漏，导致过热和高温，导致错误和设备损坏。这就是你的电脑芯片有散热片的原因之一。丹纳德标度已经达到了物理定律规定的极限。

更多的核心，更多的问题

随着客户和整个行业习惯于不断提高速度，芯片**商需要一个解决方案。因此，他们开始向处理器添加内核，以此来不断提高性能。

然而，多核并不像简单地提高单核单元的时钟速度那样有效。大多数软件不能利用多重处理。内存缓存和功耗是额外的瓶颈。

多核芯片的发展也预示着暗硅的到来。

硅的黑暗时代

很快就很明显，如果同时使用太多的内核，电流可能会泄漏，从而使导致单核芯片上Dennard结垢的过热问题死灰复燃。

结果是多核处理器不能同时使用所有的核。在一个被称为“暗硅”的过程中，你添加的核越多，芯片的晶体管就越需要断电或减速

因此，尽管摩尔定律继续允许更多的晶体管安装在芯片上，但暗硅正在蚕食CPU的不动产。因此，添加更多的核心变得毫无意义，因为您无法同时使用所有核心。

用多个核维持摩尔定律似乎是个死胡同。

摩尔定律如何继续下去

一种补救办法是改进软件多处理。java、C++和其他为单核设计的语言将让位给GO，它们更适合并发运行。

另一个选择是增加使用现场可编程门阵列（FPGA），这是一种可定制的处理器，购买后可以针对特定任务重新配置。例如，一个FPGA可以由客户优化以处理视频，同时也可以特别调整以运行人工智能应用程序。

用石墨烯等不同材料**晶体管是另一个正在研究的领域，目的是从摩尔的预测中挤出更多的生命。而且，量子计算可能会彻底改变游戏。

未来属于库米定律

2011年，Jonathan Koomey教授指出，峰值输出能量效率（处理器以最高速度运行的效率）与摩尔定律描述的处理能力轨迹相呼应。

库米定律指出，从20世纪40年代的真空管到90年代的笔记本电脑，每焦耳能量的计算值每1.57年可靠地翻一番。换言之，某项任务所使用的电池每19个月就会减半，导致特定计算所需的能量每10年减少100倍。

虽然摩尔定律和丹尼德标度在台式机和笔记本电脑的世界中非常重要，但我们使用处理器的方式已经发生了巨大变化，库米定律所承诺的能源效率可能与你更相关。

你的计算生活可能被分成许多设备：笔记本电脑、**、平板电脑和各种各样的小玩意。在这个计算机飞速发展的时代，电池寿命和每瓦特的性能比从我们的多核处理器中挤出更多的GHz变得更加重要。

同样，随着我们更多的处理外包给大规模的云计算数据中心，库米定律的能源成本影响引起了科技巨头的极大兴趣。

然而，自2000年以来，由于Dennard标度的结束和Moore定律的减速，Koomey定律描述的全行业能源效率翻番的速度已经放缓。库米定律现在每2.6年提供一次，在10年的时间里，能源效率只提高了16倍，而不是100倍。

现在说库米定律已经跟随丹尼德和摩尔定律走向日落还为时过早。2020年，AMD发布报告称，其AMD Ryzen 7 4800H处理器的能效比2014年的CPU提高了31.7倍，这使得库米定律得到了及时而实质性的提升。

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重新定义效率扩展库米定律

峰值输出功率效率只是评估计算效率的一种方法，现在可能已经过时了。

在过去的几十年里，这一指标更有意义，当时计算机是稀缺的、昂贵的资源，往往被用户和应用程序推向极限。

现在，大多数处理器在其生命的一小部分时间里都以最高性能运行，例如在运行视频游戏时。其他任务，如查看信息或浏览网页，所需的电力要少得多。因此，平均能效正成为人们关注的焦点。

库米通过将每年进行的操作次数除以所使用的总能源来计算这种“典型使用效率”，并认为这应该取代他最初表述中使用的“峰值使用效率”标准。

尽管这一分析仍有待发表，但在2008年至2020年间，预计典型的使用效率每1.5年左右就会翻一番，使库米定律恢复到摩尔定律鼎盛时期的最佳水平。

库米定律的一个含义是，设备的体积将继续减小，功耗也会降低。不断缩小但仍保持高速的处理器可能很快就会变得如此低能，以至于它们将能够直接从环境中获取能量，如背景热、光、运动和其他来源。

这种无处不在的处理设备有可能开创物联网（IoT）的真正时代，让你的智能**看起来像20世纪40年代的真空管庞然大物一样过时。

然而，随着科学家和工程师发现并实施越来越多的新技术来优化“典型使用效率”，计算机总能耗的这一部分可能会大幅下降，以至于在典型使用水平下，只有峰值输出才足以衡量。

用电高峰将再次成为能源效率分析的标尺。在这种情况下，库米定律最终会遇到减慢摩尔定律的物理定律。

这些物理定律，包括热力学第二定律，意味着库米定律将在2048年结束。

量子计算将改变一切

好消息是，到那时，量子计算应该得到很好的发展，基于单原子的晶体管已经司空见惯，新一代的研究人员将不得不发现另外一整套规律来预测计算的未来。