摩爾定律又失效了，一塊手錶將替代全世界的計算機

我已經不下四次看到過摩爾定律即將滅亡這樣的論調出現了。

英特爾執行長布萊恩·科茲安尼克(Brian Krzanich)在上個月公司發表的一項聲明中輕描淡寫地寫道。

第五次，這至少是第五次有人試圖昭告摩爾定律的失效。

之前的幾次全部都被證明為虛驚一場，英特爾甚至時常將之當做公開場合的笑話，直言公司有方法，也知道該如何進一步開發原子級別的半導體。

摩爾定律歷經半個世紀，依然統領著計算機行業，無人可將之撼動。

但這一次，或許是真的。

主角的名字叫做量子計算機。

1946年2月14日，世界上第一台通用計算機 ENIAC 誕生了。

這是台耗費無數工時人力製造出的龐然大物：

ENIAC長30.48米，寬6米，高2.4米，占地面積約170平方米，30個操作台，重達30英噸，耗電量150千瓦，造價48萬美元。

它包含了17,468根真空管7,200根晶體二極體，1,500 個中轉，70,000個電阻器，10,000個電容器，1500個繼電器，6000多個開關，每秒執行5000次加法或400次乘法，是繼電器計算機的1000倍、手工計算的20萬倍。

圖片來自 Wikipedia

很長一段時間，人們內心都植入了這樣的想法：計算機永遠不會走進日常生活，無論是體積和造價，看起來都是那樣的令人難以承受。

而後來，如你所見，個人電腦變得只有書本大小厚薄，而計算速度更是超過了 ENIAC 千萬倍不止。

這一切卻早在1956年就被神奇地預言。

這便是「摩爾定律」的魔力。

人類是善於總結的生物，他們總是試圖從紛繁多變的事實中，抽離出穩定不變的的真理，從而指導未來的航向。

早在20世紀50年代初，科學家們就開始猜測，或許存在一種模式，可以揭示技術變化的速度，幫助人類預測未來。

聽起來很容易，但放在那個時候，就像沒有人會異想天開的認為人類可以進行太空旅行一樣荒謬。

1965年4月19日，一篇對於電子行業發展趨勢預測的文章《讓集成電路填滿更多的組件》被發表在《電子學》(Electronics)35周年特刊上，平靜地就像落入大海里的一粒沙。

誰也沒想到，日後，這篇看似荒誕大膽的文章的預判卻統領了計算機行業將近五十年，揭示了隱藏在技術背後的真理。

而這篇文章的作者正是戈登·摩爾，揭示的規律被人們稱為「摩爾定律」。

圖片來自Intel

這篇論文，區區3頁紙的篇幅，卻是迄今為止半導體歷史上最具意義的論文。

在這篇文章里，摩爾天才地預言道：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。

舉個例子，你現在買不起某台電腦沒關係，你大可以等上十八個月，因為到那時，同樣的電腦只需要一半的價錢了。

(實際情況並非如此，後面會解釋)

彼時英特爾尚未誕生，戈登·摩爾也還只是仙童半導體公司(Fairchild Semiconductor)的一名工程師。

這是他和另外七個好朋友一同創業的成果，公司主營開發和生產商業半導體器件，是當時知名的半導體公司，人們說：「進入仙童公司，就等於跨進了矽谷半導體工業的大門」。

「八叛逆」(圖片來自Wikipedia)

仙童半導體公司在1959年首先推出了平面型電晶體，緊接著於1961年又推出了平面型集成電路。

這種平面型製造工藝是在研磨得很平的矽片上，採用一種所謂」光刻」技術來形成半導體電路的元器件，如二極體、三極體、電阻和電容等。

只要」光刻」的精度不斷提高，元器件的密度也會相應提高。

因此平面工藝被認為是」整個半導體工業鍵」，是摩爾定律問世的技術基礎。

說來也巧，摩爾定律的發現其實很簡單。

在1956年的某一天，摩爾在準備一個關於計算機存儲器發展趨勢的報告。

他整理了一份觀察資料。

在他開始繪製數據時，發現了一個有趣而驚人的現象。

每個新晶片大體上包含其前任兩倍的容量，每個晶片的產生都是在前一個晶片產生後的18-24個月內。

如果這個趨勢繼續的話，計算能力相對於時間周期將呈指數式的上升。

經過思考和繪製趨勢圖，摩爾定律誕生了。

但也正是因為這種觀測和推測，摩爾定律嚴格的說並不難算「定律」，它只不過是描述了一種讓電腦價格成倍降低的生產製造過程變化的速度。

而且摩爾定律的雛形甚至算不上嚴謹，摩爾本人在聯合好朋友諾伊斯創立英特爾之後的1975年，在IEEE國際電子組件大會上提交了一篇論文，根據當時的實際情況對摩爾定律進行了修正，把「每年增加一倍」改為「每兩年增加一倍」，而普遍流行的說法是「每18個月增加一倍」，所以現在的「摩爾定律」很難算得上是原汁原味的「摩爾定律」。

1997年9月，摩爾在接受一次採訪時聲明，他從來沒有說過「每18個月增加一倍」，而且 SEMATECH 路線圖跟隨24個月的周期。

後來還出現了很多新摩爾定律，以及人們把摩爾定律套用到任何以指數式發展的行業或者用以不費力地解釋現象。

即使摩爾定律的內涵變得越來越寬泛而不夠「科學性」，但是你依然無法否認摩爾定律的作用和意義，至少英特爾這家公司自身就是一個強力的佐證，見證著摩爾定律的輝煌。

圖片來自forbes

1965 年

戈登·摩爾在《電子學》雜誌上的一篇文章中，提出了他關於電子元件排布密度的著名觀察論斷。

1971 年

英特爾推出首款微處理器 4004，引領世界進入消費者科技時代。

1977 年

在能力穩步增強的微處理器的幫助下，蘋果推出早期最成功的個人計算機之一 Apple II。

1989 年

英特爾推出用於超級計算領域和科學領域的 i860 處理器。

這是第一款容納了超過 100 萬電晶體的微處理器。

1993 年

英特爾宣布打造 Pentium 處理器，該處理器容納的電晶體數量是公司此前處理器的三倍。

2005 年 7 月

微處理器停止發展的腳步，晶片面臨著一大威脅：其運轉溫度很有可能會變得和太陽表面溫度一樣高。

2007 年

單枚微晶片上可以容納的電晶體數量超過了十億，蘋果推出第一款 iPhone，將手機變成一種掌上電腦。

2015 年

英特爾延後了將業務轉向以下一代十納米級製造工藝為基礎打造的微處理器的時間，暗示摩爾定律已經失效。

有了摩爾定律的存在，讓所有IT從業者意識到自己必須以更短的時間，投入更多的資金來保證下一代產品的順利開發，而不至於被淘汰。

同樣的，如果完全按照摩爾定律，那所有顧客都等個十幾個月或者幾個月，買更便宜的不就好了，那生產計算機和配件的廠商可就太慘了。

事實並非如此，你現在買一台電腦，並不比十年前便宜多少。

速度用起來有快幾百倍麼?好像也沒有。

因為軟體和系統在吃掉根據摩爾定律不斷推陳出新的硬體，很多年前整個電腦系統也就幾十K，軟體也非常小，但是現在一個系統甚至一個軟體動輒好幾個G。

所以你並不會覺得現在的電腦運行速度疾如閃電，即使英特爾的酷睿i5處理器，處理性能是英特爾早期的4004處理器的3500倍，能效是9萬倍，成本便宜了6萬倍。

打遊戲該卡還是卡。

同樣的，如果軟體和系統不升級，用戶就沒有動力買新的硬體，新的CPU，即使硬體發展再快也毫無用處。

另一方面，指數爆炸增長是非常可怕的，對於硬體行業很快就會走到瓶頸，摩爾本人曾經就說過，任何事物都會有極限，受到一些自然基本法則的支配。

我記得史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)曾經到矽谷做過演講。

演講結束後，有人問他怎麼看待集成電路的技術極限。

儘管史蒂芬對集成電路了解不深，但他提出了兩個技術極限：光的極限速度和物質的原子本質。

我非常同意他的觀點。

我們目前已經很接近「原子」極限(註：電晶體的尺寸已到了100納米以下，而原子的直徑在0.01納米到0.1納米之間)。

而晶片的運行速度也越來越快，但離光速(註：真空中光速最快，為3*108m/s)還很遠。

這兩個都是最基本的自然法則，我們很難達到和超越這個極限。

這也是未來幾十年里工程師們需要接受的挑戰。

一旦我們突破了這些極限，事情就完全不一樣了。

技術的發展再也不是讓東西變小、排布更密。

那個時候，一塊晶片上能夠繼承幾十億個電晶體，我們的創新空間也會前所未有的大。

現在還有其他技術蘊含的發展潛力可能會超過集成電路。

納米產品也開始走入市場，石墨氮原子層等新材料也吸引了工程師們的目光。

我並不是很了解這些領域，無法明確哪個領域會最快突破，但這些領域的發展速度很難和集成電路相媲美。

畢竟，很難有技術能擊敗繼承了幾十億甚至上百億個電晶體的晶片。

圖片來源：cbsistatic

摩爾也考慮過摩爾定律的失效：

以後的技術發展速度會減慢，這是任何技術都會遇到的問題。

我猜測未來十年左右，摩爾定律可能會逐步退出歷史舞台。

這很正常。

摩爾定律雖然受到軟體和系統的掣肘，你依然能夠感受到這條定律為你帶來的好處：你可以買到幾百塊的智慧型手機，還可以用電腦處理十年前無法處理的高複雜度的工作。

英特爾也遵循著他的創始人摩爾所創造的摩爾定律，一步一步成長到今天的巨頭地位。

在2000年後，英特爾基本上壟斷著處理器市場。

甚至可以說在微機時代的領導者就只有英特爾和微軟，但是英特爾最大的問題可能就是過於依賴於摩爾定律，一旦摩爾定律被宣告終結，這個巨頭如果不能成功轉型，那便只能眼睜睜看著帝國輝煌的落幕。

看著現在英特爾偉岸的遍布全球的身軀，傲慢睥睨一切，想起摩爾本人的口頭禪——改變是我們終身的熱愛。

而英特爾也是一度依靠這種不斷改變，追求技術的精神走到了霸主的地位。

1981年12月，英特爾公司推出8087晶片，日本松下公司毫不示弱地拿出3200晶片。

當時64K動態隨機存儲晶片是電腦界一致看好的重頭戲，它包含65536個元件，不僅能讀，而且能夠像黑板一樣擦寫。

但日本的64K晶片卻以它低成本和高可靠性，迅速占領了美國，使英特爾的單個晶片價格在一年內就從28美元慘跌至6美元，英特爾吃了一場大敗仗。

摩爾痛定思痛，決心放棄存儲晶片市場，轉向了微處理器(控制晶片)市場。

摩爾準確預測到了個人電腦以後的成功。

他決定將英特爾進行戰略轉移，專攻微型計算機的「心臟」部件—CPU，正是這一決策，最終確立了英特爾今日在全球微處理器市場上的壟斷地位。

在那之後，英特爾根據摩爾定律，不斷地更新升級，自己淘汰自己，壟斷著微機處理市場。

摩爾定律失效，這已經不是頭一次有人提起，甚至成了矽穀人士私下茶餘飯後的談資。

如果你所有的公司業務都和摩爾定律有關，而摩爾定律正在逐漸失效，你會如何應對?

所以，相比摩爾本人的客觀謙遜，英特爾不太願意相信自己辛苦呈現的東西將會走向終結。

IBM成功創建了一個五量子比特級的計算機工作原型，它已經在網際網路上對公眾進行開放。

圖片來自 engadget

這則消息在巨量信息流湧現的今天很難引起人們的注意，甚至不明白它的字面意思，什麼是量子計算機。

量子計算技術(quantum computing)，是一種利用量子物理學(解釋物質和能量如何互動的物理學分支)重新設想電腦工作方式的技術。

而量子計算機則可以利用最基本的能量和物質特性，實現超越當今數字系統的計算速度。

量子計算機和普通計算機有著本質的區別，前者利用了量子力學的特點，可以達到很快的運行速度。

普通電腦使用的是0和1的形式，而量子計算機使用的是量子比特，它可能是0或者1，甚至是兩者之間的一些東西。

所以，在量子計算里一個簡單的比特可以同時容納兩個值，或者說兩個比特能同時容納四個值。

這也是量子設備在處理數據中，有著極快速度的原因。

雖然IBM 製造的計算系統只包含五個量子比特，無法替代當前的個人計算機。

但是在不遙遠的未來，這台機器將擴展成擁有數百個量子比特的計算機，能夠以高於當今計算機的速度運行各種不同的算法。

能夠以遠遠高於當今計算機的速度執行任何任務。

未來一塊紐扣大小量子計算機的算力甚至能夠超過地球上所有傳統計算機算力之和。

雖然可見的時間內，量子計算機或許都難以得到真正個人化應用，也沒法進行常規運算，只是作為傳統計算機的一個補充。

但是誰知道呢，想到那個曾經只能軍用如此笨拙、無人相信能夠走進個人生活的通用計算機，卻走進了千家萬戶。

如果實現，在那時，摩爾定律統治了半個世紀的時代將會結束，新的篇章將會開啟。