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摩尔定律的结束
我们不得不问这个计算机革命将持续多久？如果摩尔定律的正确性再持续50年，很可能计算机会很快超过人脑的计算能力。到这个世纪的中期，一个新的动态将发生。正如乔治·哈里森（George Harrison）曾经说过：“所有的事情都一定会终止。”甚至摩尔定律也一定会结束，有了它计算机能力的显著的提高推动了过去半个世纪经济的增长。
今天，我们理所当然地认为，事实上相信它是我们生来就有的权利，计算机产品的能力和复杂性会日益增加。这就是为什么我们每年买新的计算机产品，知道它的能力几乎是去年样式的2倍。但是如果摩尔定律崩溃了，并且每一代计算机产品的功能和速度大约与去年的相同，我们还会买新计算机吗？
因为芯片是放在各种产品里的，这对整个经济可能产生灾难性的影响。因为整个工业会停滞不前，上百万人可能失去工作，经济可能陷入困境。
多年前，当物理学家指出摩尔定律必然崩溃时，在传统上，工业一再轻视我们的主张，暗示我们是叫喊的狼。他们说，摩尔定律的结束被预测了这么多次，因此他们完全不能相信。
但是不会再有了。
两年前，我给微软在他们华盛顿州西雅图总部的主要会议上定了基调。3000个顶尖的微软工程师在听众席中等待听我讲计算机和无线电通讯的未来。我凝视巨大的人群，我可以看到年轻的、热情的工程师的脸，是他们编制程序使我们桌上和膝盖上的计算机能够运转。我直言不讳地谈论摩尔定律，讲到工业必须为它的崩溃做好准备。要是在10年前，我也许会遇到嘲笑或讥讽。但是这一次我只是看到人们在点头。
因此，摩尔定律的崩溃是一件具有国际重要性的事情，涉及万亿美元的风险。但是它究竟怎样结束、什么来代替它、依靠什么物理定律呢？对这些物理问题的回答将最终动摇资本主义的经济结构。
要懂得这种情况，重要的是要认识计算机革命显著的成功是依赖若干物理原则。首先，计算机有着令人眼花缭乱的速度是因为电子信号以接近光的速度，宇宙中的终极速度传播。在一秒钟之内光线环绕地球7次，或到达月球。电子也容易到处移动，并且松散地被原子束缚（只要梳理一下头发、在地毯上行走或者洗衣服，电子就可以跑出来，这就是为什么我们有静电附着）。松散的束缚和电子巨大的速度相结合，使我们能以炫目的速度发送电子信号，这就产生了过去这个世纪的电子革命。
第二，在激光束中能放置的信息量实际上是没有限制的。因为光波的振动比声波的振动要快得多，所以承载的信息要比声波巨大得多。（例如，想象一条伸长的绳子，让它的一头快速振动。你摇动一端的速度越快，沿绳子发送的信号就越多。当振动加快，也就是频率加快时，放进一个波里的信息量就会增加。）光是一个每秒钟振动大约10 14 次的波（也就是1的后面14个零）。传递一位信息（1或0）需要很多次循环。这意味着一根光纤电缆在单一的频率下大约能承载10 11 位的信息。把很多的信号塞满到一根单一的光纤中，然后把这些光纤集束成光缆，传递信息的位数就可以增加。这意味着，增加光缆中通道的数目，然后增加光缆的数目，传递信息的数量几乎不受限制。
第三，最重要的是计算机革命是由晶体管小型化驱动的。一个晶体管是一个控制电流流动的门，或一个开关。如果把电路比做管道，那么晶体管就像控制水流的阀门。只要拧一下阀门就能控制大量的水，同样，晶体管能使小的电流控制更大的电流，因此放大了它的功率。
这个革命的核心是在指甲盖大小的芯片上可以含有几亿个晶体管的计算机芯片，在笔记本电脑中的芯片内部的晶体管只能在显微镜下才能看到。这些难以想象的微小晶体管是采用加工T恤衫同样的设计方式制作的。
T恤衫的设计是批量生产的，先制作一个具有想要创作的模式轮廓的模板。然后将模板放在布上，喷上涂料。仅仅在模板空隙的地方涂料才能渗透到衣服上。将模板拿开后，就有了T恤衫模式的完美的复制品。
同样，做一块模板，含有几百万个晶体管的复杂轮廓。将此模板放在含有很多层硅的对光敏感的晶片上。然后将紫外线聚焦在模板上，紫外线穿过模板的间隙使硅晶片曝光。
然后将晶片放在酸中浸泡，蚀刻电路的轮廓，产生复杂的几百万个晶体管的设计。因为晶片含有很多导电和半导电的层，酸浸蚀晶片的深度和模式不同，因此可以产生极其复杂的电路。
为什么摩尔定律会不断地增加芯片的能力？一个理由是因为紫外线的波长可以调整到越来越短，这就可能使得在硅芯片上蚀刻的晶体管越来越小。因为紫外线的波长可小到10纳米（1纳米是1米的十亿分之一），这意味着能够蚀刻的最小晶体管直径大约30个原子宽。
但是这个过程不能永远继续下去。到达某一点，用这种方式蚀刻原子尺寸的晶体管实际上是不可能的。你也可以大约计算一下摩尔定律将最终在什么时候崩溃：当晶体管的尺寸最终为单个原子尺寸的时候。（图1）
图1 摩尔定律的终结。芯片制作的方法与T恤衫的设计相同。不是喷涂料在模板上，而是将紫外线集中照射在模板上，在硅层上烧成一个图像。然后用酸蚀刻这个图像，产生上亿个晶体管。在进行到原子尺度时，这种方法就有了极限。硅谷将会变成荒芜的地区吗？
大约2020年，或之后不久，摩尔定律将渐渐不再成立，硅谷将会慢慢地变成一片废墟，除非有新的技术代替。根据物理定律，硅谷时代将最终结束，我们将进入后硅谷时代。晶体管变得如此之小，以致原子物理学或量子理论将取而代之，并且电子将会从导线中渗漏出来。例如，计算机内最薄的层大约只有5个原子直径那么厚。在这一点，根据物理定律，量子理论将起作用。海森堡（Heisenberg）的测不准原理（uncertainty principle）说，不能同时知道任何粒子的位置和速度。这听上去也许违反直觉，但是在原子级别上确实不能知道电子在哪，因此它决不会完全被禁锢在超薄的导线或薄层中，它一定会渗漏出来引起短路。
我们将在第4章，在分析纳米技术时更详细讨论这个问题。在这一章的其他部分，我们假定物理学家已经发现硅的后继者，但是计算机能力的增长比过去要慢得多。计算机的能力很可能继续以指数增长，但翻一番的时间不是18个月，而是很多年。
混合的真实现实和虚拟现实
到本世纪中期，我们将生活在真实现实和虚拟现实的混合之中。在隐形透镜和眼镜中将同时看到虚拟的图像叠加在真实世界中。这是日本奎夫（Keio）大学多知进（Susumu Tachi）和很多其他人的看法。他设计了特殊的护目镜，能将幻想和现实混合在一起。他的第一个项目是让物品消失在稀薄的空气中。
我访问了东京的多知（Tachi）教授，见证了他的一些混合真实现实和虚拟现实的非凡的试验。一个简单的应用是使物体消失（至少是在护目镜中）。首先，我穿上特殊的浅棕色的雨衣。当我伸展手臂时，它像一个大帆。然后一架照相机聚焦在雨衣上，第二架照相机拍摄我背后的有公共汽车和小汽车在路上跑的风景。瞬间之后，计算机将这两个图像融合在一起，这样我背后的图像出现在我的雨衣上，好像在屏幕上一样。如果我窥视一个特殊的透镜，我的身体消失了，只剩下小汽车和公共汽车的图像。因为我的头在雨衣上方，看上去我的头好像飘在半空中，没有身体，就像哈里·波特（Harry Potter）穿着他的不可见的斗篷那样。
然后多知教授拿了一些特殊的护目镜给我看。戴上它们，我可以看见真实的物体，然后又让它们消失。并不是真的看不见，只是戴上能融合两种图像的护目镜才能做到。然而，这只是他宏伟计划的一部分，这个计划有时被叫做“扩展的现实”（augmented reality）。
到了本世纪中期，我们将生活在能够融合真实世界和计算机图像的无所不能的电脑空间里，这可以从根本上改变工作场所、商业、娱乐和我们的生活方式。扩大的现实会对市场产生直接的结果。第一项商业应用也许是使物体变得不可见，或使不可见的变成可见的。
例如，如果你是一个飞行员或一位司机，你将能够看到周围360度，甚至你的脚下，因为你的护目镜或透镜使你能看透飞机或汽车的墙壁。这将消除盲点，而它往往是造成事故和死亡的原因。在战斗飞行中，喷气机飞行员能够追击敌机，不管它跑到哪，甚至在他们自己的下面，就好像你的喷气机是透明的一样。驾驶员可以看到所有方向，因为小照相机将监视360度，并将图像发送到他们的隐形透镜中。
如果你是宇航员在火箭飞船外面进行修复工作，你将发现这是有用的，因为你能看透墙壁、隔板和火箭的船体。这也可以拯救生命。如果你是建筑工人进行地下修复，在一大堆导线、管道和阀门中，你能精确地知道它们是怎样连接的。在天然气或蒸汽爆炸，维修和重新连接藏在墙壁后面的管道时可以证明这是至关重要的。
同样，如果你是一个采矿者，你可以透过土壤看到地下的水或油的储藏。卫星和飞机用红外线和紫外线拍摄的旷野的照片可以分析，然后送入隐形透镜，给出该场地的三维分析和地面的下面有什么。当你行进在荒芜的旷野里，你就可以通过透镜“看”到有价值的矿藏。
除了使物体不可见，还能做相反的事情，让不可见的变成可见的。
如果你是建筑师，你可以绕着空屋子走，忽然“看见”你设计的建筑物的三维图像。当你漫步在每个房间的周围，你的设计图纸上的设计跳到你的眼前。空房间将突然变活了，家具、地毯、墙上的装饰，让你在实际建造它们之前就看到你创作的三维图像。只要移动手臂，就能创作新的房间、墙壁和家具。在这个扩展的世界里，你有魔术师的能力，挥一下手就能创造你想要的物体。（图2）
图2 因特网隐形透镜将识别人的面孔，显示他们的传记，将他们的文学翻译成字幕。旅行家将用它们复兴古代的纪念碑。艺术家和建筑师将用它们操作和改造他们的虚拟创造。在扩展的现实中可能性是无穷的。
扩展的现实：在旅游、艺术、购物和战争中实现的革命
正如你可以看到的，扩展的现实对于商业、工作场所的潜力是巨大的。实际上，扩展的现实可以强化每一项工作。此外，这项技术将极大丰富我们的生活、娱乐和社会。
例如，一位旅行者可以在博物馆中从一个展品走到另一个展品，同时隐形透镜给你每件物品的描述；虚拟导游在你经过时给你一个电脑化的旅游。如果你访问某个古代的废墟，你能“看到”重新建造的在它们全盛时期的建筑物和纪念碑，还有它们的历史奇闻。你看到的罗马帝国废墟，不是废柱子和杂草，而是回到了当时的生活，还有注释和注解。
北京理工大学已经在这个方向走出了第一步。在电脑空间中，他们重新创造了在1860年第二次鸦片战争中被英法联军毁坏的神话般的圆明园（Garden of Perfect Brightness）。今天，此神话般的花园所残存的一切是被洗劫的军队留下的残骸。但是，如果你从一个特殊的观察平台看这片废墟，你能看到整个宫殿在你面前，雄伟壮观。在将来，这将变成平常的事情。
发明家尼古拉斯·尼克（Nikolas Neecke）创建了一个更高级的系统，瑞士巴塞尔（Basel）步行之旅。当你走在这个古老的街道上，你看到古代的建筑，甚至看到重叠在现代生活之上的古代的人，好像你是一个时间旅行者。计算机找出你的位置，然后在护目镜中为你显示古代的场景，就好像你被送回到中世纪的年代。今天，你不得不戴上大的护目镜和装满GPS电子仪器和计算机的沉重的背包。明天，在你的隐形透镜上就会有这些设备。
如果你在外国的土地上开车，所有的仪表将用英文出现在隐形透镜上，不需要低头去看它们。你将看到道路标志，还有附近物体，旅游景点的解释。你将看到道路标记被迅速翻译。
在外国地面上的徒步旅行者、露营者或常在野外活动的人，不仅能知道他的位置，也能知道所有植物和动物的名字，能够查看该地区地图和接受天气报告。他还能看到被灌木和树木掩盖的踪迹和露营场所。
买房子的人在他们沿街走或开着车时可以看到有什么房子在卖。你的透镜将显示要出售的公寓或房间的价格、生活设施等。
凝视夜晚的天空，你可以看到星星和所有清楚描绘的星座，就好像你看一场天象仪表演一样，除去你看的星星是真的，别无不同。你也能看到银河系、远距离的黑洞和其他有趣的天文景观在什么地方，可以下载有趣的图片。
除了能够看透物体和访问外国之外，如果需要在瞬间接触得到特殊的信息，扩展视野也是非常重要的。
例如，如果你是一位演员、音乐家或表演者，必须记住大量的材料，在将来你可以在你的透镜中看到所有的文字和乐曲。你不需要台词提示机、暗示卡、乐曲单或注解来提示你。你不再需要记忆任何东西。
其他的例子包括：
这意味着你不再需要手机、钟或手表，或MP3播放器。各种手握物品的图标都会投影到隐形透镜上，因此在任何需要的时候可以获得它们。打电话、音乐环球网站等都可以用这种方式获得。你家里用的很多用具和小器具都可以被扩展的现实代替。
另一位推动扩展现实应用范围研究的科学家是麻省理工学院（MIT）媒体实验室的帕蒂·梅斯（Pattie Maes）。她不是用特殊的隐形透镜、眼镜或护目镜，她想象将一个计算机屏幕投影到周围环境的普通物体上。她的方案叫做“第六感官”（SixthSense），办法是在脖子上戴一个像大奖章一样的小照相机和投影仪，可以把计算机屏幕的图像投影到你前面的任何物体上，如墙壁或桌子上。按图像按钮自动激活计算机，就像在实际键盘上键入一样。因为计算机屏幕的图像可以投射到你前面的任何平的和固体的物体上，你可以转换几百个物体到计算机屏幕上。
此外，你在大拇指和手指上戴上特殊的塑料顶针。在移动手指时，计算机执行在墙上的计算机屏幕的指令。例如，通过移动手指可以在计算机屏幕上画图。可以利用手指代替鼠标移动光标。如果把手合起来做成一个方形，就可以激活数字相机和拍照。
这也意味着，在去购物时计算机将扫描各种产品，识别它们是什么，然后给你一个完整的它们的内容、卡路里含量、其他消费者的评论的输出结果。因为芯片比条码便宜，每一件商业产品将有其自己的可以扫描和获取的智能标签。
扩展现实的另一个应用也许是X射线视力，非常类似于喜剧《超人》（ Superman ）中发现的X射线视力，它利用一个叫做“背面散射X射线”（backscatterX-rays）的方法。如果你的眼镜或隐形透镜对X射线敏感，就可能看透墙壁。当你四处看时，可以看透物体，就像在喜剧书中那样。每一个孩子，当他们开始读《超人》这个喜剧时，都梦想成为“比飞出的子弹还快，比火车头还强大”的人。成千上万的孩子身披斗篷、从板条箱上跳下、向空中跳跃，假装有了X射线视力，但这一切也是实际上可能的。
普通X射线的一个问题是必须把X射线底片放在任何物体背后，将物体在X射线下曝光，然后显影底片。但是，背面散射X射线解决了所有这些问题。首先，从照亮房间的光源发射X射线。然后，X射线从墙壁弹回来，从背后穿过要检查的物体。你的护目镜对穿过物体的X射线敏感。通过背面散射X射线看到的图像可以像这个喜剧片中看到的一样好。（增加护目镜的敏感性，就可减少X射线的强度，最大限度减少对健康造成的危险。）
通用翻译器
在《星际旅行》和《星球大战》传奇，以及实际上所有其他的科幻影片中，引人注目的是，所有外星人都说完美的英语。这是因为有“通用翻译器”（universal translator）这种东西，使地球人能立刻与任何外星文明对话，消除了利用符号语言和原始的手势与外星人对话的麻烦。
尽管曾经有人认为“通用翻译器”在将来是不现实的，但它已经存在了。这意味着在将来，如果你是一位在外国的旅游者与当地人讲话，在你的隐形透镜上会看到字幕，就像看外国电影一样。计算机还可以产生声音翻译送到你的耳朵里。这意味着如果两个人都有“通用翻译器”，两个人可以进行对话，每一个人讲自己的语言，而听到的是翻译的语言。翻译不会是完美的，因为总有方言、俚语和华美的表达问题，但是为了理解说话人的要点已经足够了。
科学家有几种办法使通用翻译成为现实。第一种方法是创造一种能将说的话转化成书面语言的设备。在20世纪90年代中期，第一台可用的商业语音识别机投入市场。这些机器可以识别最多40000个单词，精确率95％。因为典型的日常会话仅使用500到1000个单词，因此这些机器已经很不错了。一旦人的声音的听写完成了，然后每一个单词可通过计算机词典翻译成另一种语言。然后遇到最困难的部分：把这些单词放到上下文中，加上俚语、口头表达等，所有这一切要求对语言的细微差别有透彻的理解。这个领域被称为计算机辅助翻译（CAT）。
另一种方法是匹兹堡卡内基梅隆（Carnegie Mellon）大学所倡导的。这里的科学家已经有了能将中文翻译成英语，将英语翻译成西班牙语和德语的原型机。将电极贴在说话人的脖子和脸上，提取肌肉的收缩，译解说的话。这些工作不需要任何音频设备，因为这些话可以默默地从嘴里说出。然后计算机翻译这些话，并由一个声音合成器大声地说出。在简单的100到200个单词的会话中，精确度达到了80％。
一位研究人员塔尼娅·舒尔茨（Tanja Schultz）说：“其中想法是你可以用嘴讲英语，出来的却是汉语或其他语言。”在将来，计算机也许可能读懂一个人的唇语，这样就不需要电极了。因此，在原则上，两个人有可能进行生动的对话，尽管他们讲的是两种不同的语言。
在将来，曾经严重阻碍各种文化交流和相互理解的语言障碍，由于有了通用翻译器、因特网隐形透镜或因特网眼镜，会逐渐消失。
尽管扩展的现实世界打开了一个全新的世界，它仍然是有限度的。问题不是在硬件，也不是带宽这个限制因素，因为光纤电缆能承载的信息量是没有限制的。
真正的瓶颈在软件。编制软件只能用古老的方法。一个人默默地坐在椅子上，拿着笔和纸，还有笔记本电脑，一行一行地写代码，让这个想象的世界变成现实。硬件可以批量生产，堆积越来越多的芯片可以增加它的能力，但是人的大脑不能批量生产。这意味着引进一个扩展的世界需要几十年，要到这个世纪中期。
全息摄影和三维图像
在本世纪中期可能看到的另一个技术进展是真正的三维电视（3-DTV）和三维电影（3-D movies）。回到20世纪50年代，看三维电影要戴上沉闷的眼镜，其透镜是蓝色和红色的。它利用了左眼和右眼稍稍不能对齐这个事实。电影屏幕显示两个图像，一个蓝色的，一个红色的。因为这些眼镜的作用好像过滤器，产生两个截然不同的图像到左眼和右眼，当大脑融合这两个图像时产生看到三维图像的幻觉。因此“景深”感觉是一个骗局。（你的两眼距离得越远，可感觉的景深越大。这就是为什么有些动物眼睛在它们头的两边：获得最大景深。）
一项改进是用偏振镜做的三维眼镜（3-D glasses），这样左眼和右眼看到的是两个不同的偏振图像。用这种方法可以看到全色的三维图像，而不只是蓝色和红色的。因为光是一个波，可以上下或左右振动。偏振镜是只允许一个方向的光通过镜片。因此，如果你的眼镜有两片偏振透镜，具有不同的偏振方向，就能得到三维效果。如果有两个不同的图像射进隐形透镜也许就能得到更完美的三维效果。
需要戴特殊眼镜的3D电视已经投入市场了。但是不久，3D电视就不再需要戴特殊眼镜了，而是用小扁豆似的透镜。这种电视是特别制作的，使它以略微不同的角度投射两个单独的图像，一眼一个。因此你的眼睛看到分离的图像，产生3D的幻觉。然而，你的头必须正确定位，在你看屏幕时你的眼睛必须对准“最佳点”。（这是利用众所周知的光学幻觉。在新颖的商店里，当我们走过一张图片时，这个图片神秘地转换了。它的实现是通过取两张图片，把每张撕成很多小条，然后把这些小条交互拼在一起，产生一个复合的图像。然后在此复合图像上部放一块有很多垂直槽的透镜玻璃板，每个槽精确地放在两个条的上面。这个槽的形状是特别设计的，当你从一个角度看它时，你可以看到一个条，从另一个角度看则看到另一个条。因此，当你经过玻璃板时，你看到每张图片从一个图像转变成另一个图像，往回走也一样。3D电视将用移动图像代替这些静止的图像取得同样的效果，而不使用眼镜。）
但是最先进的三维模拟是全息图。不使用任何眼镜就可以看到精确的3D图像的波前，就好像它立即出现在你眼前。全息图面市大约有几十年了（它们出现在新颖的商店、信用卡和展览会中），它们也通常会出现在科幻电影中。在《星球大战》中，秘密计划是通过莱娅（Leia）公主发给叛军同盟的3D全息信息制定的。
问题在于全息图是很难创建的。
全息图是通过一个单一的激光束，并将它一分为二产生的。一条光束落到想要拍摄的物体上，然后弹回落到特殊的屏幕上。第二条激光光束直接落到此屏幕上。两条光束的混合产生复杂含有原始物体的“冻结的”3D图像的干涉模式，然后被屏幕上特殊的膜层所捕捉。然后，让另一束激光透过屏幕，就可以看到原始物体的图像活灵活现地以3D形式出现了。
全息电视存在两个问题。首先，图像必须照射到屏幕上。坐在电视屏幕的前面就可以看到原来物体的精确的3D图像。但是你不能伸手摸这个物体。在你面前看到的3D图像是一个幻觉。
这意味着如果你在全息电视上看3D足球比赛，无论你怎样移动，你面前的图像的改变就好像真的一样。看上去你好像就坐在50码线上，离开足球运动员只有几英寸远在看比赛。然而，如果你伸手去抓球，就会碰到屏幕。妨碍全息电视发展的真正技术问题是信息储量。一个真正3D图像含有大量信息，比单一的2D图像内部存储的信息多很多倍。计算机可以有规则地处理2D图像（二维图像），因为图像被分成小点，叫做像素，每个像素被一个小晶体管照亮。但是要使3D图像移动，一秒钟需要闪现30个图像。迅速算一下就能知道，要产生移动3D全息图像所需要的信息远远超出今天因特网的能力。
到本世纪中期，随着因特网带宽呈指数增长，这个问题也许能解决。
真正的3D电视看上去会是怎样的呢？
一种可能性是屏幕的形状像一个圆筒或圆屋顶，你坐在里面。当全息图像照到屏幕上时，我们看到3D图像围绕我们，就好像我们真的在那儿一样。