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如果要問過去50年計(jì)算機(jī)業(yè)最重要的定律是什么，答案非摩爾定律莫屬?！爱?dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍?！蹦柖勺兂闪艘粋€(gè)自我應(yīng)驗(yàn)的預(yù)言，決定了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展節(jié)奏，指數(shù)性的增長不僅體現(xiàn)在芯片層面，而且也體現(xiàn)在了系統(tǒng)和采用社區(qū)層面。幾十年來，計(jì)算機(jī)變得越來越小越來越強(qiáng)大，令科學(xué)取得了巨大進(jìn)展。但是，摩爾定律每前進(jìn)一步，阻力就更大些，這種趨勢不可能永遠(yuǎn)持續(xù)下去。很多專家都預(yù)測摩爾定律很快就會(huì)結(jié)束。當(dāng)計(jì)算機(jī)停止縮小身軀時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？有哪些技術(shù)突破可以接力摩爾定律呢？我們看看即將在下個(gè)月出版的《Megatech: Technology in 2050》是如何預(yù)測的。
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1971年，英特爾，當(dāng)時(shí)還不為人所知只是后來才馳名硅谷的這家公司發(fā)布了一款芯片，芯片的名字叫做4004.這是當(dāng)時(shí)世界上首款商用化的微處理器，意味著在一個(gè)微小的身軀內(nèi)包含了所有的電子電路來運(yùn)行先進(jìn)的數(shù)字處理計(jì)算。這在當(dāng)時(shí)算是一個(gè)奇跡了，里面集成了2300個(gè)微型的晶體管，每個(gè)大概只有1萬納米（1米的十億份之一）的大小——也就是一個(gè)紅細(xì)胞那么大。晶體管是開一個(gè)可以切換的電子開關(guān)，是1和0的物理表示，而后兩者是信息的基本粒子。
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2015年的英特爾當(dāng)時(shí)已是全球領(lǐng)先的芯片制造商，當(dāng)年收入超過了550億美元。在這一年，芯片巨頭發(fā)布了Skylake芯片。這次這家公司已經(jīng)不在公布確切的數(shù)字，但最佳猜測是每塊芯片大概有15億到20億個(gè)晶體管。每個(gè)晶體管的間隔大概只有14納米，這已經(jīng)是小到看不見的地步了，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)比人肉眼可見光的波長還要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
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每個(gè)人都知道現(xiàn)代計(jì)算機(jī)要比老的更好。但究竟好多少卻是很難表示出來的，因?yàn)槠渌南M(fèi)者技術(shù)的任何改進(jìn)都不能跟上這種節(jié)奏。標(biāo)準(zhǔn)的類比是用汽車來打比方：如果汽車從1971年開始就跟上計(jì)算機(jī)芯片的升級(jí)節(jié)奏的話，那么到2015年的新車型最高時(shí)速應(yīng)該可以達(dá)到每小時(shí)4.2億英里。這大概是光速的2/3左右，或者快到足以在1/5秒的時(shí)間內(nèi)繞地球一周。如果還嫌這不夠快的話，那么到2017年底時(shí)速翻番的車型就可以開始到達(dá)展廳了。
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如此迅猛的發(fā)展是1965年英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾首次觀察到現(xiàn)象的結(jié)果。摩爾指出，裝配進(jìn)集成電路的元件數(shù)量每年都會(huì)翻番。隨后時(shí)間間隔被修訂為2年的“摩爾定律”變成了一個(gè)自我應(yīng)驗(yàn)的預(yù)言，為整個(gè)計(jì)算業(yè)奠定了發(fā)展的節(jié)奏。每一年，像英特爾以及臺(tái)積電這樣的公司都會(huì)花費(fèi)數(shù)十億美元，一邊想出縮小集成進(jìn)計(jì)算機(jī)芯片里面的部件尺寸的辦法。一路走來，摩爾定律已經(jīng)幫助建設(shè)出一個(gè)芯片被植入到從熱水壺到汽車（汽車逐漸能自己開車也是拜芯片所賜）等一切的世界。在這個(gè)世界里，數(shù)百萬人在虛擬的世界里放松自己，金融市場靠算法來運(yùn)作，而權(quán)威擔(dān)心人工智能很快就要取代所有的工作。
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但這也是一股幾乎要被耗盡的力量。縮小元件尺寸每做一次都會(huì)變得越來越困難，現(xiàn)代的晶體管已經(jīng)小到用幾十個(gè)原子來衡量，工程師根本就沒有可發(fā)揮的空間了。從1971年的4004發(fā)布到2016年中，摩爾定律的鐘聲一共敲響了22次。該定律要想延續(xù)到2050年的話意味著這個(gè)鐘還要再響17次，其更深層次的意味是，那些工程師必須想出用比最小的元素氫原子還要小的元件開發(fā)出計(jì)算機(jī)的辦法。誰都知道，這是不可能的。
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但企業(yè)會(huì)在物理規(guī)律終結(jié)前就先干掉摩爾定律，因?yàn)榭s小晶體管的尺寸的好處已經(jīng)不如以往。摩爾定律之所以生效是因?yàn)橐粋€(gè)相關(guān)的現(xiàn)象：“登納德縮放比例定律”（以1974年正式提出該現(xiàn)象的IBM工程師Robert Dennard的名字命名）。該定律指出，芯片元件的縮小是的芯片變快，耗電更少而且更容易制造。換句話說，元件更小的芯片是更好的芯片，正因?yàn)檫@樣，計(jì)算業(yè)一直在說服消費(fèi)者每隔幾年就要花錢去購買最新型號(hào)。但這個(gè)舊魔法正在失去魔力。
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縮小芯片尺寸不再像以往那樣讓它們跑得更快或者更有效率了。與此同時(shí)，制造芯片所需的超精密設(shè)備的成本不斷上升正在侵蝕其經(jīng)濟(jì)收益。比第一定律實(shí)現(xiàn)更輕松一點(diǎn)的摩爾第二定律指出，所謂的“代工廠”的成本每4年就要翻番。一臺(tái)現(xiàn)代的機(jī)器差不多要100億美元。哪怕是對(duì)于英特爾來說這也是很大一筆錢。
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其結(jié)果是硅谷專家已經(jīng)形成了一個(gè)共識(shí)，摩爾定律正在接近終結(jié)。管理著硅谷的一家分析機(jī)構(gòu)的Linley Gwennap 說：“從經(jīng)濟(jì)角度來說，摩爾定律已經(jīng)死了?！盜BM研發(fā)負(fù)責(zé)人Dario Gil也有著類似的坦率：“我絕對(duì)可以這么說，計(jì)算的未來不再只能取決于摩爾定律了?！鼻坝⑻貭栃酒O(shè)計(jì)師Bob Colwell則認(rèn)為，到2020年代初業(yè)界也許還可以把芯片做到元件間隔只有5納米大小——“但你很難說服我還能做得小很多”。
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換句話說，過去50年以來最強(qiáng)大的一股技術(shù)力量很快就要走到終點(diǎn)。以為計(jì)算機(jī)仍將以令人窒息的速度變得越來越好越便宜已經(jīng)成為大家對(duì)未來根深蒂固的想法。從無人車到更好的人工智能乃至于永遠(yuǎn)更吸引人的電子產(chǎn)品，它構(gòu)成了許多有關(guān)技術(shù)方面預(yù)測的基礎(chǔ)。摩爾定律的終結(jié)并不意味著計(jì)算機(jī)革命就會(huì)停滯。但它的確意味著未來幾十年的樣子會(huì)跟過去幾十年很不一樣，因?yàn)樘娲弋?dāng)中沒有一個(gè)能像過去半個(gè)世紀(jì)的持續(xù)大瘦身那般，如此的可靠，如此的可重復(fù)。
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智能手機(jī)蘊(yùn)藏的計(jì)算能力超過1971年是整個(gè)國家的總和，充電一次就可以跑一整天
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摩爾定律讓計(jì)算機(jī)變小了，從一頭擠滿整個(gè)房間的巨頭變成了一塊苗條到可以放進(jìn)兜里的平板。摩爾定律還讓計(jì)算機(jī)變得更省了：一部蘊(yùn)藏的計(jì)算能力超過1971年整個(gè)國家總和的智能手機(jī)充電一次就能用上一整天。但它最出名的效應(yīng)還是讓計(jì)算機(jī)變得越來越快。到2050年，也就是摩爾定律變成古代史的時(shí)候，工程師必須運(yùn)用一連串手段才能讓計(jì)算機(jī)越來越快。
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有些勝利比較容易取得。更好的編程就是其中之一。摩爾定律過去令人窒息的節(jié)奏使得軟件公司幾乎沒有時(shí)間對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行合理化。他們的客戶每隔幾年就會(huì)購買更快的機(jī)器，這一點(diǎn)又進(jìn)一步弱化他們優(yōu)化軟件的動(dòng)機(jī)：加速執(zhí)行拖沓的代碼的最簡單方式就是等，等硬件用1、2年的時(shí)間跟上就行了。隨著摩爾定律前進(jìn)的步伐開始放緩，計(jì)算業(yè)著名的短產(chǎn)品周期可能就要開始延長了，這讓程序員有了更多的時(shí)間去打磨自己的工作。
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另一條路子則是犧牲通用的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，設(shè)計(jì)專用的硬件芯片?，F(xiàn)代芯片開始采用專門的電路設(shè)計(jì)來加速一些常見的任務(wù)，比如電影解壓、執(zhí)行加密或者用于視頻游戲的復(fù)雜3D圖像繪制所需的復(fù)雜計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)擴(kuò)散到了各種各樣的產(chǎn)品內(nèi)，此類專門芯片會(huì)變得非常有用。比方說無人車，對(duì)機(jī)器視覺的利用會(huì)越來越多，也就是計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的圖像做出解析，對(duì)對(duì)象進(jìn)行分類并且析取信息，而這是對(duì)計(jì)算要求很高的任務(wù)。專門電路可提供重大的性能提升。
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IBM認(rèn)為3D芯片可讓設(shè)計(jì)師將目前占到一棟大樓的超級(jí)計(jì)算機(jī)的尺寸縮小到一個(gè)鞋盒那么大。
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然而，計(jì)算要想以人人習(xí)以為常的高速度改進(jìn)下去的話，就需要更激進(jìn)的改變。讓摩爾定律延續(xù)下去的想法之一是把它放入到第三個(gè)維度?，F(xiàn)代芯片基本上都是扁平化的，但研究人員正在研究新的玩法，把元件堆疊起來。即便此類芯片的封裝無法再縮小，堆焊將讓他們的設(shè)計(jì)師裝填更多的元件，就像面積一樣的高層建筑能比低層建筑容納更多的人一樣。
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首款此類設(shè)備已經(jīng)面世：韓國的微電子巨頭三星銷售的一款硬盤，其內(nèi)存芯片就是堆疊了好幾層的。這項(xiàng)技術(shù)前景非?？捎^。
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現(xiàn)代計(jì)算機(jī)把內(nèi)存設(shè)計(jì)離處理器只有幾厘米的距離。對(duì)于硅晶體來說，幾厘米就是很遠(yuǎn)的距離了，意味著只要需要獲取新數(shù)據(jù)就會(huì)有重大的延遲。3D芯片可能可以通過處理邏輯層與內(nèi)存層梅花間竹的方式消除這一瓶頸。IBM認(rèn)為，3D芯片可讓設(shè)計(jì)師將一臺(tái)目前擠滿一棟建筑的超級(jí)計(jì)算機(jī)縮小到一個(gè)鞋盒的大小。
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但要想讓這一辦法見效需要一些根本性的設(shè)計(jì)改變。現(xiàn)代芯片跑起來已經(jīng)發(fā)燙，需要散熱片和風(fēng)扇來將其冷卻。3D芯片情況可能會(huì)更糟，因?yàn)榭捎脕砩岬谋砻鎱^(qū)域增長的速度會(huì)比發(fā)熱來得更慢。出于同樣的原因，讓足夠的電子和數(shù)據(jù)進(jìn)入這樣一個(gè)芯片來保持供電以及提供用于處理的數(shù)字也會(huì)遇到問題。IBM的鞋盒超級(jí)計(jì)算機(jī)也因此需要液冷機(jī)制。微通道會(huì)注入到每一塊芯片內(nèi)，讓冷卻的液體可以流過去。與此同時(shí)，該公司認(rèn)為冷卻劑也可兼作電源。其想法是用它來作為液流電池的電解液，而電解液會(huì)流經(jīng)固定電極產(chǎn)生電能。
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還有更另類的想法。量子計(jì)算建議利用有違直覺的量子力學(xué)規(guī)則來開發(fā)機(jī)器，不管之前解決起來有多快或者多高科技，這種機(jī)器可以比任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快得多的方式來解決特定類型的數(shù)學(xué)問題（但對(duì)于許多別的問題來說，量子機(jī)器將毫無優(yōu)勢）。其最著名的應(yīng)用是破解一些密碼，但它們最重要的應(yīng)用也許是精確模擬化學(xué)過程的量子細(xì)節(jié)，這個(gè)問題在制造和工業(yè)方面有成千上萬中用途，但傳統(tǒng)機(jī)器對(duì)此幾乎完全措手無策。
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10年前，量子計(jì)算僅限于大學(xué)內(nèi)投石門路式的研究。但這段時(shí)間以來好些大型機(jī)構(gòu)，包括微軟、IBM和Google在內(nèi)都在往這項(xiàng)技術(shù)投入資金，它們?nèi)碱A(yù)測量子芯片應(yīng)該在未來10或20年內(nèi)面世（的確，任何人要是對(duì)此感興趣都可以遠(yuǎn)程玩玩IBM的量子芯片了，只用通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)它進(jìn)行編程即可）。
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一家名為D-Wave的加拿大公司已經(jīng)在銷售功能有限的量子計(jì)算機(jī)，這種量子計(jì)算機(jī)只能執(zhí)行一種數(shù)學(xué)功能，但還不清楚這種專門的機(jī)器是否真的比非量子的計(jì)算機(jī)更快。
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就像3D芯片一樣，量子計(jì)算機(jī)需要特殊的關(guān)照和輸送。量子計(jì)算機(jī)要想工作的話，其內(nèi)部必須與外部世界隔絕。量子計(jì)算機(jī)必須用液氮冷卻到差不多絕對(duì)零度的水平，并且要靠復(fù)雜的屏蔽保護(hù)起來，因?yàn)槟呐率亲钚〉臒崦}沖或者電磁波都有可能破壞此類機(jī)器所依賴的量子態(tài)。
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但這些預(yù)期的改進(jìn)每一項(xiàng)都存在限制：要么獲益是一次性的，要么只適用于特定類型的計(jì)算。摩爾定律最大的優(yōu)勢是每幾年就會(huì)以節(jié)拍器般的規(guī)律性改進(jìn)一切。但未來的進(jìn)展會(huì)變得更零碎，更難以預(yù)測，更不穩(wěn)定。還有，跟輝煌歲月不一樣的是，尚不清楚這些當(dāng)中任何一個(gè)會(huì)轉(zhuǎn)化為消費(fèi)者產(chǎn)品。畢竟嘛，幾乎沒有人會(huì)愿意要一臺(tái)低溫制冷的量子PC或者智能手機(jī)。液體冷卻也一樣，因?yàn)檫@個(gè)東西很笨重、亂七八糟的而且很復(fù)雜。即便針對(duì)特定任務(wù)開發(fā)專門邏輯也只有在經(jīng)常使用的情況下才值得。
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但所有這三種技術(shù)在數(shù)據(jù)中心都可以很好工作，這樣的話就能幫助未來幾十年的另一個(gè)大趨勢提供動(dòng)力。傳統(tǒng)上，計(jì)算機(jī)一直都是擺在你桌面或揣在兜里的。在未來，互聯(lián)網(wǎng)以及移動(dòng)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)所提供的日益無所不在的連接會(huì)讓很大一部分的計(jì)算能力藏在數(shù)據(jù)中心上面，客戶在需要的時(shí)候使用就行了。換句話說，計(jì)算會(huì)變成按需使用的公用設(shè)施，就像今天的電力或者水一樣。
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從用戶實(shí)際交互的平板上移除負(fù)責(zé)重計(jì)算載荷硬件的能力被稱為“云計(jì)算”，這會(huì)是業(yè)界抵消摩爾定律消亡影響的最重要手段之一。數(shù)據(jù)中心跟只能長那么大的智能手機(jī)或者PC不一樣，前者只要建得大一點(diǎn)就能提供更多的計(jì)算能力。隨著世界對(duì)計(jì)算的需求不斷擴(kuò)大，越來越多的處理將會(huì)發(fā)生在距用戶千里之遙的數(shù)據(jù)中心里面。
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Google位于俄勒岡達(dá)爾斯的數(shù)據(jù)中心。隨著世界對(duì)計(jì)算的需求不斷擴(kuò)大，越來越多的處理將會(huì)發(fā)生在距用戶千里之遙的數(shù)據(jù)中心里面。
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這件事情已經(jīng)在進(jìn)行中。就拿蘋果額度語音助手Siri來說吧。解碼人的講話然后理解像“Siri，給我找一家附近的印度餐廳?！边@樣的指令背后的意圖需要的計(jì)算能力是iPhone所不具備的。相反，手機(jī)只是錄制用戶的語音然后把信息轉(zhuǎn)交給蘋果某個(gè)數(shù)據(jù)中心的一臺(tái)威力強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。一旦遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)想出了合適的回應(yīng)之后，它再把信息回傳給iPhone。
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同樣的模式可以應(yīng)用的地方遠(yuǎn)不止智能手機(jī)。從汽車到醫(yī)用植入物到電視、熱水壺等，芯片已經(jīng)滲透到正常情況下不被視為計(jì)算機(jī)的地方， 而且這一進(jìn)程還在加速。這就是所謂的“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）”，將計(jì)算嵌入到幾乎所以可能的物體上。
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智能服裝會(huì)用家庭網(wǎng)絡(luò)來告訴洗衣機(jī)采用什么樣的設(shè)定；智能鋪路板會(huì)監(jiān)控城市里的行人交通，告訴政府詳細(xì)的空氣污染情況。
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再次地，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以對(duì)未來管中窺豹：比方說，像羅爾斯-羅伊斯這樣的公司，其工程師甚至現(xiàn)在已經(jīng)在監(jiān)控飛行中的各個(gè)飛機(jī)引擎的數(shù)十個(gè)性能指標(biāo)。讓戶主通過智能手機(jī)控制從照明到廚房設(shè)備等一切的智慧家庭中心，現(xiàn)在已經(jīng)在早期采用者當(dāng)中流行。
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但物聯(lián)網(wǎng)要想充分發(fā)揮潛能將需要一些手段來利用數(shù)十億嵌入式芯片產(chǎn)生的數(shù)據(jù)洪流。物聯(lián)網(wǎng)芯片本身不會(huì)去處理這些任務(wù)：比方說嵌入在智能鋪路板里面的芯片必須盡可能的成本低廉，而且耗電必須非常少：因?yàn)榘衙恳粔K鋪路石都接入電網(wǎng)是不切實(shí)際的，此類芯片必須從熱能、走路的勢能或者甚至周圍環(huán)境的電磁輻射中獲得能量。
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那么，隨著摩爾定律陷入困境，對(duì)“更好”的定義將會(huì)發(fā)生改變。除了上述列舉的道路以外，其他許多的路徑看起來也很有希望。比防暑，很多的努力被放到改善計(jì)算機(jī)的能效上。出于幾個(gè)原因這一點(diǎn)很有意義：消費(fèi)者希望自己的智能手機(jī)擁有更長的電池續(xù)航能力；物聯(lián)網(wǎng)需要計(jì)算機(jī)部署在主電源難以企及的地方；計(jì)算目前所消耗的電量已經(jīng)占到了全球發(fā)電量的2%。
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用戶界面是另一個(gè)改進(jìn)時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟的領(lǐng)域，因?yàn)榻裉斓募夹g(shù)已經(jīng)很古老了。鍵盤是機(jī)械打字機(jī)的直屬后代。鼠標(biāo)早在1968年就發(fā)明出來了，而用友好的圖標(biāo)和窗口取代晦澀的文字符號(hào)的“圖像用戶界面”（比如Windows或者iOS）也是一樣的上了年紀(jì)。歐洲的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室在1970年代就引領(lǐng)了觸摸屏的先驅(qū)。
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計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)是在1968年首次出現(xiàn)的。
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Siri也許會(huì)離開你的手機(jī)變得無所不在：人工智能（及云計(jì)算）將使得幾乎任何機(jī)器都可以僅靠對(duì)話就可以控制。三星已經(jīng)在制造語音控制的電視。
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目前應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)視頻游戲的手勢跟蹤、眼球跟蹤等技術(shù)也許也會(huì)變得有用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，這個(gè)把計(jì)算機(jī)生成信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界之上的虛擬現(xiàn)實(shí)的近親，將開始把虛擬和現(xiàn)實(shí)融合在一起。Google也許已經(jīng)把它的Glass AR眼鏡重新開始，但有朝一日某種非常類似的東西必將找到用武之地。而且這家公司還在攻關(guān)電子隱形眼鏡，這種眼鏡也能執(zhí)行類似的功能但侵?jǐn)_性會(huì)小很多。
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摩爾定律不可能一直延續(xù)下去。但它消逝的時(shí)候，消逝的將是它的重要性。當(dāng)你的計(jì)算機(jī)限制在一個(gè)你桌面的盒子里面時(shí)，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行許多急需的任務(wù)很慢時(shí)，摩爾定律就非常重要。它為一個(gè)龐大的全球產(chǎn)業(yè)設(shè)定了主節(jié)拍，未來少了它的話計(jì)算的進(jìn)展會(huì)變得越來越困難、越來越斷斷續(xù)續(xù)、越來越?jīng)]有規(guī)律。但我們?nèi)匀粫?huì)取得進(jìn)展。2050年的計(jì)算機(jī)將是一個(gè)微型芯片嵌入到從櫥柜到汽車的一切的系統(tǒng)。它們大部分都將能通過無線、通過互聯(lián)網(wǎng)訪問到海量的計(jì)算能力，而你通過跟它們對(duì)話就能交互。上萬億的微型芯片將會(huì)散布到物理環(huán)境的每一個(gè)角落，使得我們的世界更加可理解更加可監(jiān)控。摩爾定律也許很快就會(huì)消失。但計(jì)算革命不會(huì)。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論