膝上型電腦、**和平板電腦每年都變得更便宜、更時尚、更強大，而電池壽命卻越來越長。你有沒有想過為什麼會這樣，裝置是否能永遠持續改進？

第一個問題的答案由研究人員發現的三個定律解釋，即摩爾定律、丹尼德標度定律和庫米定律。請繼續閱讀，以瞭解這些法律對計算的影響，以及它們在未來可能給我們帶來的影響。

什麼是摩爾定律(moore's law)？

如果你是一個經常閱讀的人，你可能知道神祕的摩爾定律。

英特爾執行長兼聯合創始人戈登摩爾（Gordon Moore）於1965年首次推出這一技術。

他預測，晶片上的電晶體數量大約每兩年翻一番，每年的**成本將降低20%到30%。英特爾的第一個處理器於1971年釋出，擁有2250個電晶體和12平方毫米的面積。今天的CPU每平方毫米容納數億個電晶體。

雖然它一開始只是一個預測，但業界也採用了摩爾定律作為路線圖。五十年來，法律的可預見性使公司能夠制定長期戰略，因為他們知道，即使在規劃階段他們的設計是不可能的，摩爾定律也會在適當的時候交付貨物。

這在許多領域產生了連鎖反應，從不斷改進的遊戲圖形到數碼相機中不斷膨脹的百萬畫素。

然而，這項法律有保質期，而且進展速度正在放緩。儘管晶片**商們仍在不斷尋找突破矽晶片極限的新方法，但摩爾本人認為，到本世紀末，這種方法將不再有效。但是，這並不是第一個消失的技術定律。

丹尼那有什麼事嗎？

1974年，IBM研究員羅伯特丹尼納德（robertdennard）觀察到，隨著電晶體的縮小，它們的功耗仍然與其面積成正比。

眾所周知，Dennard scaling意味著電晶體的面積每18個月減少50%，導致時鐘速度提升40%，但功耗水平相同。

換言之，每瓦特的計算量將以指數級但可靠的速度增長，電晶體將變得更快、更便宜、使用更少的功率。

在Dennard scaling時代，提高效能曾經是晶片**商可以預見的過程。他們只是在CPU上增加了更多的電晶體，並提高了時鐘頻率。

這對於消費者來說也很容易理解：執行在3.0ghz的處理器比執行在2.0ghz的處理器要快，而且處理器的速度一直在提高。事實上，國際半導體技術路線圖（ITRS）曾經預測到2013年時鐘頻率將達到12GHz！

然而今天，市場上最好的處理器的基頻只有4.1GHz。怎麼搞的？

dennard scaling的結束

時鐘速度在2004年左右陷入了泥潭，因為耗電量的減少跟不上電晶體的收縮率。

電晶體變得太小，電流開始洩漏，導致過熱和高溫，導致錯誤和裝置損壞。這就是你的電腦晶片有散熱片的原因之一。丹納德標度已經達到了物理定律規定的極限。

更多的核心，更多的問題

隨著客戶和整個行業習慣於不斷提高速度，晶片**商需要一個解決方案。因此，他們開始向處理器新增核心，以此來不斷提高效能。

然而，多核並不像簡單地提高單核單元的時鐘速度那樣有效。大多數軟體不能利用多重處理。記憶體快取和功耗是額外的瓶頸。

多核晶片的發展也預示著暗矽的到來。

矽的黑暗時代

很快就很明顯，如果同時使用太多的核心，電流可能會洩漏，從而使導致單核晶片上Dennard結垢的過熱問題死灰復燃。

結果是多核處理器不能同時使用所有的核。在一個被稱為“暗矽”的過程中，你新增的核越多，晶片的電晶體就越需要斷電或減速

因此，儘管摩爾定律繼續允許更多的電晶體安裝在晶片上，但暗矽正在蠶食CPU的不動產。因此，新增更多的核心變得毫無意義，因為您無法同時使用所有核心。

用多個核維持摩爾定律似乎是個死衚衕。

摩爾定律如何繼續下去

一種補救辦法是改進軟體多處理。java、C++和其他為單核設計的語言將讓位給GO，它們更適合併發執行。

另一個選擇是增加使用現場可程式設計門陣列（FPGA），這是一種可定製的處理器，購買後可以針對特定任務重新配置。例如，一個FPGA可以由客戶最佳化以處理影片，同時也可以特別調整以執行人工智慧應用程式。

用石墨烯等不同材料**電晶體是另一個正在研究的領域，目的是從摩爾的預測中擠出更多的生命。而且，量子計算可能會徹底改變遊戲。

未來屬於庫米定律

2011年，Jonathan Koomey教授指出，峰值輸出能量效率（處理器以最高速度執行的效率）與摩爾定律描述的處理能力軌跡相呼應。

庫米定律指出，從20世紀40年代的真空管到90年代的膝上型電腦，每焦耳能量的計算值每1.57年可靠地翻一番。換言之，某項任務所使用的電池每19個月就會減半，導致特定計算所需的能量每10年減少100倍。

雖然摩爾定律和丹尼德標度在臺式機和膝上型電腦的世界中非常重要，但我們使用處理器的方式已經發生了巨大變化，庫米定律所承諾的能源效率可能與你更相關。

你的計算生活可能被分成許多裝置：膝上型電腦、**、平板電腦和各種各樣的小玩意。在這個計算機飛速發展的時代，電池壽命和每瓦特的效能比從我們的多核處理器中擠出更多的GHz變得更加重要。

同樣，隨著我們更多的處理外包給大規模的雲端計算資料中心，庫米定律的能源成本影響引起了科技巨頭的極大興趣。

然而，自2000年以來，由於Dennard標度的結束和Moore定律的減速，Koomey定律描述的全行業能源效率翻番的速度已經放緩。庫米定律現在每2.6年提供一次，在10年的時間裡，能源效率只提高了16倍，而不是100倍。

現在說庫米定律已經跟隨丹尼德和摩爾定律走向日落還為時過早。2020年，AMD釋出報告稱，其AMD Ryzen 7 4800H處理器的能效比2014年的CPU提高了31.7倍，這使得庫米定律得到了及時而實質性的提升。

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重新定義效率擴充套件庫米定律

峰值輸出功率效率只是評估計算效率的一種方法，現在可能已經過時了。

在過去的幾十年裡，這一指標更有意義，當時計算機是稀缺的、昂貴的資源，往往被使用者和應用程式推向極限。

現在，大多數處理器在其生命的一小部分時間裡都以最高效能執行，例如在執行影片遊戲時。其他任務，如檢視資訊或瀏覽網頁，所需的電力要少得多。因此，平均能效正成為人們關注的焦點。

庫米透過將每年進行的操作次數除以所使用的總能源來計算這種“典型使用效率”，並認為這應該取代他最初表述中使用的“峰值使用效率”標準。

儘管這一分析仍有待發表，但在2008年至2020年間，預計典型的使用效率每1.5年左右就會翻一番，使庫米定律恢復到摩爾定律鼎盛時期的最佳水平。

庫米定律的一個含義是，裝置的體積將繼續減小，功耗也會降低。不斷縮小但仍保持高速的處理器可能很快就會變得如此低能，以至於它們將能夠直接從環境中獲取能量，如背景熱、光、運動和其他來源。

這種無處不在的處理裝置有可能開創物聯網（IoT）的真正時代，讓你的智慧**看起來像20世紀40年代的真空管龐然大物一樣過時。

然而，隨著科學家和工程師發現並實施越來越多的新技術來最佳化“典型使用效率”，計算機總能耗的這一部分可能會大幅下降，以至於在典型使用水平下，只有峰值輸出才足以衡量。

用電高峰將再次成為能源效率分析的標尺。在這種情況下，庫米定律最終會遇到減慢摩爾定律的物理定律。

這些物理定律，包括熱力學第二定律，意味著庫米定律將在2048年結束。

量子計算將改變一切

好訊息是，到那時，量子計算應該得到很好的發展，基於單原子的電晶體已經司空見慣，新一代的研究人員將不得不發現另外一整套規律來預測計算的未來。