计算的极限——黑洞计算机

文/心宿二
计算机是很多科幻作品中少不了的元素，但是描写计算机原理的却不多。《黑客帝国》里的电脑使用了人类作为能量来源。《银河系漫游指南》里面提到地球是一台用来计算的超级电脑。《三体》中的超级电脑是基于质子构造出的智子。那么，假使未来真的有一台达到理论计算极限的终极计算机，它到底会是什么样的？
理论极限是一个很有趣的问题。当我们聚焦到某项具体的技术时，经常可以估算出它的理论极限。但是，考虑到未来会出现革命性的新技术，这种估计就很可能相当不准了。
20世纪50年代出现的第一台计算机ENIAC重30吨，占地167平方米，运算速度是每秒10万次。其中包含了17468个真空管。单个真空管约几厘米长，而真空管的尺寸乘以数量就限制了这类计算机的大小。我们或许可以试着缩小真空管，考虑它的理论极限为何，但是这样得到的答案毫无意义，因为，真空管很快就被晶体管和集成电路取代了。
在晶体管时代，摩尔定律曾经一度主宰过它的技术发展。这个定律是说，集成电路上可以容纳的晶体管数目每两年就会翻一倍。当然，这不是什么自然规律，只是从技术发展上观察判断出的趋势。
随着晶体管的尺寸逐年下降，材料和制备工艺也有所改进。从家用电脑到笔记本电脑再到智能手机，现代社会的方方面面都受益于此。现在的笔记本电脑重3千克，运算速度是每秒数十亿次，比ENIAC强了一万倍。另一方面，将大量芯片连接起来构成的超级电脑，例如我国的天河二号，则能达到每秒数亿亿次的数量级。
然而，摩尔定律也遇到了它的“天花板”。设计成本和能量损耗已经变得越来越不划算，但更重要的是晶体管的尺寸快要接近物理极限了。目前的晶体管已经小至7纳米级，而5纳米级的芯片预计会在明年开始量产。更小的晶体管会产生量子隧穿效应而难以保持晶体管的特性。即使这个问题能解决，1纳米这个原子直径的尺寸也是难以逾越的鸿沟。人们正在试图用新的材料、制造工艺和架构为摩尔定律续一阵子的命，但总体上讲，这一技术的极限已经近在眼前。