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现代国际淹没在海量的数据中。处理数据须要巨大的基础设施，从智能手机和电脑到全球数百万个数据中心。这些设备运用的电力在不断地翻倍。以这样的速度开展下去，未来的动力恐难支撑。如安在不添加能耗的状况下，让电脑变得更强壮？

前史老路走不通了

众所周知，信息在电脑中是以0/1的方法存储和处理的。0/1对应晶体管微电子开关在施加电压时快速的开/关。这个历程会发生电阻，然后发生热量。鉴于芯片中动辄稀有十亿个晶体管，所以一台电脑作业时宣布的热量相当可观。

在前史上，电脑在估算才能日新月异的一起，能耗也在继续下降。这样的成便是由两件作业促进的。首要是晶体管的体积越做越小，大约每两年电脑芯片上的晶体管数量就翻一番，这一趋势被称为摩尔定律。晶体管数量添加，意味着信息处理才能更强壮。第二个是，单个晶体管的能耗跟着其尺度的缩小也成份额下降。

惋惜，这些趋势不会永久继续下去。现在的晶体管现已做得十分小，简直挨近物理极限，要让它变得更小，现已很艰难。摩尔定律开端不舒服用。在这种状况下，前史老路走不通了，咱们须要另辟蹊径。

代替传统估算机的计划

一条出路是改动硬件。现在，一切估算都是建立在硅的基础上的，硅的能耗相对较高。运用新材料，如锗、碳纳米管、石墨烯等，能够下降能耗。或许，能够用激光束组成的“电路”来代替电子电路，制作所谓的“光电脑”，来下降能耗。

也有人提议使用量子的一种特性——量子地道效应——来下降能耗。在经典物理学中，当一个小球要翻越一座陡坡到山的另一侧时，有必要翻越山顶；假设它的动能不足以支撑它翻越山顶，它就会在半坡上停下并滚回来。但在量子国际中，由于量子的特性，一个粒子不用非得具有“跋山涉水”的能量，就可出现在山的另一侧，就好像粒子有穿墙术，这叫量子地道效应。粒子经过量子地道效应运动到“山”的另一侧，不须要损耗能量，所以能下降能耗。

更独特的一个主张是，经过改动电脑中运用电子的方法来下降能耗。咱们知道，现在的电脑编码和处理信息，使用的是电子带着电荷、运动起来能发生电流这一性质。电流会发生电阻，然后发生热量。但像电子这样的微观粒子，还有其他特性，比方自旋。电子的自旋只需两个朝向，刚好对应二进制的0/1，因而能够用来编码信息。这样处理信息，只跟电子的自旋打交道，不会发生电阻，也就能够下降能耗。

更急进的代替计划是量子估算机。量子估算机不管硬件和算法，都迥异于传统的估算机，处理信息的才能空前强壮，能耗也小。

这些代替计划远景都很诱人，不过现在看来，要完成都还有好长的路要走。硅的位置一时还不坚定不了。

学习大自然，下降能耗

近年来，人们逐步认识到，即便对硅基电脑不做根本性的革新，只需合理规划硬件和算法，也能下降能耗。这须要咱们从头考虑“估算”，在速度、精确性和功率等方面做出权衡。

咱们知道，电脑以估算速度快和准而著称。在电脑开展史上，人们也一贯以寻求速度和精确为意图，但在许多时期，功率却被献身了。比如，在某些状况下，电脑做出决议计划的速度却远不如人脑。遇到一头野兽，连原始人都能快速做出战役仍是逃跑的决议计划，但假使让一台超级估算机来替你做决定，它说不定要算上好几年。由于电脑估算一味寻求精确性，首要它要确认这是什么野兽，是山君？野猪？仍是野马？野牛？然后确认是多大的，是老弱病残，仍是壮年？它会不会主动攻击人？一个人能否制服它？两个人呢？……而这必然触及很多估算，所以功率就被献身掉了。

很多的估算也以高能耗为价值。例如，大多数电脑的中心是一块中央处理器（即芯片），它相当于电脑的“大脑”，一切其他组件都受它指挥。不可否认，这种“会集”式估算形式是强壮的，但这意味着，芯片每秒钟都要以难以置信的精度宣布数十亿条指令，不只估算量极大，能耗也是巨大的。相形之下，大自然赋予咱们身体的每一个细胞独立履行DNA指令的才能，使细胞们不用“连线”就能协同作业。这样的“排列”式估算形式，尽管速度和精度上赶不上电脑，但有着更高的功率和更低的能耗。

此外，大自然现已发明了一台超级估算机——人脑，它每秒处理海量的信息，但能耗只及笔记本电脑的三分之一。这也为咱们供给了一个献身精度，下降能耗，进步功率的比如。

在未来的物联网中，物联网动辄须要为数十亿个小型设备供电，这些设备往往坐落难以充电的当地，在这种状况下，献身速度，下降能耗的“排列”式估算就十分有吸引力。科学家说，选用献身速度的折中计划，以现有硅基芯片，也完全能够规划出能耗降至现有电脑千分之几乃至万分之几的电脑。