阿爾法狗的勝利,摩爾定律的終結:關於科技的3 個啟示
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阿爾法狗與 iPhone 6
2014 年 9 月,蘋果發布新手機 iPhone 6。
全球手機用戶都準備好了鈔票和腎。
然而在 iPhone 6 現身後,許多人一眼瞄到的是那個凸起的攝像頭:
有人感到很惱火:這是什麼玩意兒?我不能接受那一塊凸起的攝像頭。
賈伯斯要是還在,絕不會允許這種情況出現。
為了更好的手感,蘋果把 iPhone 6 做得非常薄,再搞個圓弧形的螢幕和機身邊緣。
至於手機是不是容易滑倒馬桶里,他們才不在乎。
但把手機做得更薄是一件難事,把攝像頭做扁更難。
突出的攝像頭有複雜的電子原件:
為了手感和外觀可以做薄手機,但相機的成像原件需要一定的空間,否則照片的質量無法保證。
於是,蘋果這家極度重視用戶體驗的公司做了這個突兀的攝像頭,讓無數的處女座和完美主義者茶飯不思。
你想要不突出的攝像頭?去買個厚一點的手機吧。
其實還是有辦法的。
比如優化鏡頭的光學結構,或者使用折射率更高的鏡片,理論上都能夠把攝像頭做得更扁。
但能扁到什麼程度?最終總會到達一個極限值。
2014 年突出的攝像頭是風向變化的開始。
2016 年,我們已經在新的風口。
最近Google 的深度學習計算機 AlphaGo(人稱阿爾法狗)以 4:1 戰勝人類最好的棋手之一李世石,人工智慧成為大家口中的熱詞,深度學習和神經網絡被熱烈討論。
但問題的另一面被忽視了:阿爾法狗其實是人類發現擁有的計算能力不足後,研究出的解決方案。
這種情況並不多見。
以往人們面對許多困難問題時,總有一個終極點子:暴力法(Brute Force Attack),反正有摩爾定律帶來的大量計算資源,那就用這個海量計算能力去碾壓眼前的問題吧。
想做出一個能贏人類的西洋棋軟體?用機器來暴力窮舉所有可能的棋局,戰勝人類冠軍的「深藍」電腦不就是這麼做出來的麼。
現在,圍棋棋局的可能數量是 10 的 170 次方,這個數字甚至超過整個宇宙中原子的數量。
這麼誇張的複雜性,單憑暴力法已經不可能解決問題,突然之間,計算能力成了人類的限制。
然而,有了 Google 的大量資金在深度學習和神經網絡算法上,阿爾法狗的勝利意味著在現有計算資源掣肘的局面下,通過新的算法可以取得遠超想像的成果。
相比起來,暴力法散發著一種原始的氣息。
習慣了的科技進步
過去的 10 年裡,我們親身經歷了一波科技浪潮,每一個人的生活方式都發生了巨變。
習慣了網購,習慣了薄如記事本的手提電腦,習慣了視網膜高清顯示屏,習慣了掏出手機進行簡單操作,就能接到電話並條件反射般說出自己的地址就能有車來接,習慣了吃飯的時候刷一下朋友圈的爆款文章,還習慣了科技公司的新品發布會:從賈伯斯開始到現在,沒開過個發布會都不好意思說自己是 CEO。
科技的劇烈發展似乎不像以往那樣刺激了,成為了一種理所應當的事情:理所應當每年都會有更好的手機和電腦,理所應當新的手機和電腦都會更快速性能更好。
例如最近的蘋果公司發布會,雖然無論公司還是產品依舊偉大,我們已經沒了那份激動。
所以要是我們告訴你,過不了幾年,你的新手機和電腦的性能可能也不會變得比現在好多少了,你會怎麼想?
並不是在誇大。
再過一陣,全球半導體行業將正式宣布,摩爾定律很快就要結束它的生命和使命,成為歷史的一部分。
摩爾定律跟我有什麼關係?
摩爾定律是許多初次了解科技行業的人最先接觸的概念。
1965年,英特爾公司的創始人之一高登摩爾(Gordon Moore)在文章中預測:集成電路上的電晶體數量每一年就會翻一倍。
很快這個預測被大家稱為「摩爾定律」。
你能用自己的電腦和手機看小視頻,上網,做 PPT,算財務模型,叫車叫外賣,約這個約那個,電腦和手機都在一刻不停地幫你做運算。
這些運算的核心由設備的微處理器(Microprocessor)搞定,也常被叫做中央處理器(CPU)。
它締造了現代人的幸福生活。
微處理器是集成電路(Integrated Circuits)的一種,顧名思義,是「把一堆電路集成到一小塊薄片上」。
這塊薄片上鋪了大把大把的電路開關,用來執行電腦最基本的邏輯:開或關,1或0。
這些電路開關是所有現代智能設備的最基礎的組成部分,他們還有個名字,叫做電晶體(Transistors)。
製作微處理器和電晶體需要的最基本材料是半導體,最常用的最經濟實惠的半導體就是矽。
所以,微處理器、電晶體和矽是所有現代生活的發源和基石。
所以,全球科技中心才會叫做矽谷而不是鈦谷鋁谷。
摩爾本人後來將晶片升級的周期修訂為 2 年。
1971 年,英特爾發布第一塊商用微處理器 4004。
它包涵了 2300 個電晶體,每個電晶體大約為人體紅細胞的大小。
從那時候開始,依照修訂後的摩爾定律,集成電路上的電晶體數量每 2 年左右翻一倍。
隨後的 40
年,摩爾定律成了科技進步的核心推動力。
一年一度電晶體數量的翻倍引起處理器運行速度的翻倍,進而帶來硬體設備性能的翻倍和成本的縮減,進而為更加強大的軟體、系統以及計算提供了可能。
今天,全世界已有 30 億人使用智慧型手機。
你手中的 iPhone 的計算處理能力甚至強於當年 NASA 登月計劃的主計算機。
(No offense, Android users.)
過去的 40 年幾乎所有行業都被技術改造,源頭是摩爾定律引發的計算能力大爆炸。
就連測試核彈爆炸的次數都減少了:因為人們可以利用巨量的計算能力,在電腦上進行逼真的爆炸模擬。
今天,我們在潛意識中認為每年一次的手機升級和產品發布是理所應當的。
是摩爾定律讓我們有了這種近乎虛妄的感覺。
摩爾定律不是個定律
然而摩爾定律並不是個定律,它和「牛頓三定律」這種完全不是一回事。
50年來,它的成立並不是由於物理上的局限,而是整個晶片行業的刻意選擇和協商。
一直以來,新一代處理器出來後,開發者程式設計師們搞出新的軟體,這些軟體更充分地利用新設備的性能,也毫無保留地耗盡了這些性能。
很快消費者發現自己的電腦和手機卡了。
於是英特爾們接著努力,搞出新一代的處理器。
從 1990 年起,每隔 2 年,全球半導體行業會發布一個計劃,他們自己把這個叫做路線圖 Roadmap。
每個文件的大意是說:「未來三年我們還跟之前的幾十年一樣,按照摩爾定律走,具體來說是 blah blah blah。
希望大家都自律。
」就這樣,幾十年來,全球晶片行業所有生產商和供應商聯合起來,跟著摩爾定律走,這是在其他任何行業中都不曾見到的情景。
走到盡頭的摩爾定律
事情出現了變化。
半導體行業已經宣布,即將面世的行業路線圖不會再依照摩爾定律。
這意味著行業正式公開承認,摩爾定律很快就要結束了。
原因?原因是物理,就像是到一定程度就無法再薄的攝像頭一樣,是早已註定的結局。
我們把這個叫做物理邊界,有 3 個問題:尺寸,散熱,成本。
尺寸
人類對尺度的理解能力是極弱的。
例如,摩爾定律說晶片上的電晶體數量每兩年翻一番,這是什麼概念?大多數人無法從直覺上體會到。
舉個例子。
1965 年的某一天,小明下決心按照摩爾定律的指引跑步。
那麼他面臨的情況是這樣的:
兩年之內,他每天只跑一個小型游泳池的長度:
兩年後,他跑步的距離翻倍:
10 年後:
26 年後:
50 年後(也就是 2015 年):
1971年,微處理器上每個電晶體的造價是 150 美元,2015 年的價格為 0.0003 美元。
1971 年的每個晶片上有 2300 個電晶體,2015 年有 13 億個。
早期的電晶體將近有一個手掌大,如今最先進的英特爾晶片製造工藝中,電晶體的尺寸是14納米:
實際上,14 納米這個尺寸已經不是你找一個好的顯微鏡就能用肉眼觀察到了。
甚至可以說 14 納米的電晶體是不可見的,因為這個尺寸已經小於可見光的波長。
如果摩爾定律繼續生效,下一步會是什麼尺寸?可能 10 納米。
如果英特爾要玩命,也許最終會達到 2 納米,也就是 10 個原子並排放的寬度。
到了這個尺寸,人類晶片製造行業的經驗已經不再適用了。
這個尺寸屬於量子物理的世界,這個世界有人類無法控制的不確定性,有上帝投出的骰子,還有薛丁格那隻不死不活的貓。
(這張圖看不懂歡迎留言啊:))
散熱
尺寸小帶來的另一個問題是散熱。
一位業內人士說:「曾經有一段時間日子超美好,那時候只要我們把尺寸縮小,好事兒自然來:晶片的計算能力會提升,能耗也會降低」。
然而在 2000 年左右,電晶體尺寸縮減到 90 納米(一根頭髮寬度的百分之一)的時候,晶片開始出現過熱的狀況,熟悉行業的人已經知道摩爾定律大勢已去了。
為了解決過熱的問題,晶片製造商採用了兩個辦法:
-
限制微處理器執行計算機指令的速度(Clock Speed),從而限制了晶片中電子的速度;
-
將集成電路分成多個核,這樣降低每一個核的功率和發熱。
(所以其實你就沒想過,為什麼最近幾年來聽到這麼多「4 核」「8 核」這種莫名其妙又不明覺厲的描述?)
這兩個方法非常成功,至少摩爾定律沒有在 15 年前就失效。
現在,行業的普遍預計是,摩爾定律會在 2020 年左右結束。
成本
第三個問題是成本。
晶片尺寸越小,電晶體越多,對於製造商來說,成本就越高。
如今,依照摩爾定律的晶片升級每發生一回,整個生產線,包括所有配套設施,光刻儀器,全部都要翻新。
今天一個尖端晶片工廠的造價大約為 70 億美元,業內估計當晶片尺寸到 5 納米時,工廠的造價為 160 億美元,幾乎是英特爾年收入的三分之一。
如果翻新的成本高於可能的收益,傳統的微處理器升級就停滯了。
從經濟角度看,摩爾定律已經結束了。
摩爾定律失效意味著什麼
摩爾定律失效,影響的絕不僅僅是晶片生產廠商,還包括其他所有在過去幾十年內被科技潛移默化影響的行業,以及所有享受到科技便利的普通人。
所有對未來有遠大暢想的人,無論考慮的是人工智慧、增強現實還是無人駕駛汽車,都要考慮這個問題。
Peter Thiel 有句名言說「我們多年前暢想的是會飛的汽車,但我們今天卻只擁有讓你輸入 140 個字的輸入框」。
言下之意是我們期待的是足以影響現實生活的深層技術進步,但獲得的卻是一點線上的娛樂生活方式。
公平地說,雖然我們沒有看到 Peter Thiel 呼籲的那個層次的科技進步,現實生活還是獲得了極大改善,今天我們已經不能想像一個沒有科技支撐的生活方式了。
有趣的是,雖然科技的飛速進步的原始驅動力是摩爾定律,但更加吸引人注意的是軟體行業。
Peter Thiel 認為「140 字輸入框」屬於比特的進步,是網際網路技術的進步,而「會飛的汽車」是原子的進步,也就是人們對現實物理世界的駕馭。
他認為我們已經看夠了網際網路和軟體的顛覆性,人們需要把一部分力量用在改善現實世界中。
這是他自己的堅持,也是他做成如此多成功投資的重要原因:
有趣的是,所謂比特的進步,說到底卻是由摩爾定律推動的,後者仍然是原子的進步,但人們往往忽略這一點,將目光集中在網際網路上。
美國的科技圈對這一點更加先知先覺。
尤其在最近五年來,中美兩國科技圈對同一事物的不同稱呼,能夠清楚反映這一點:在國內,人們更多會去談「網際網路」,而不是「科技」。
國內說「網際網路金融」,美國說「科技金融(Fin-tech)」,國內說「O2O(Online-to-offline)」,美國說「按需經濟(On-demand
Economy)」。
現在,我們總結出 3 個目前科技行業認同的解決辦法。
這些辦法也是未來行業發展最重要的 3 個趨勢。
軟體行業的革新
暴力法的盛行其實是一種奢侈。
就跟「何不食肉糜」一樣,何不用暴力計算去碾壓問題呢?反正有摩爾定律在,不愁機器性能不夠,而且用不了多久更加強大的設備又要出現。
這是摩爾定律帶來負面心態,也造成了軟體開發的浪費和低效。
在經濟上這很划算,雖然我的代碼實現很糟糕,但沒關係,可以湊合著用啊,過兩年有了新設備就好辦了。
長期來說這不是好事。
因為這樣看技術的進步更多是摩爾定律帶來的更強計算能力、數據存儲技術和網絡帶寬,軟體和算法則相對滯後。
摩爾定律的終結意味著我們可以迎來軟體行業的新時代。
更多的資金和腦力會被用在像阿爾法狗這樣的東西上。
有了資源投入,我們很快會迎來更高效的程式語言、編譯系統和應用設計。
我們預計軟體行業會真正迎來它的成熟時期,工程師將更加關注代碼的效率,以及如何更加聰明地利用現有資源做出不可思議的東西出來,例如阿爾法狗。
雲計算
雲計算這個詞似乎都被人說爛了。
但在摩爾定律即將失效時,它不再是一個概念,而是一種必然(回複本公眾號「計算」查看我們的文章《下一代運算是什麼樣的?》)。
越來越多的活動發生在移動端:手機、平板、智能手錶和其他智能硬體,不僅要求設備更薄,晶片更加微小,而且要求移動設備不發熱、低能耗、省電。
同時,以前的「電腦」是獨立設備,所有計算能力都存在你的主機裡面。
軟體好不好用還要看你的電腦性能有多少儘量。
現在移動設備劇增,越來越多的計算能力被轉移到雲端。
雲計算曾經是一個流行語,現在卻同時是科技行業不得不做的一件事情。
於是晶片廠商需要考慮的人分成了兩部分:一方面是普通的消費者和他們越來越多的移動設備,再過一段時間,這一部分設備自身的計算性能很可能不會大幅提升了,但通過為需求和應用設計的晶片,可能會更加便攜、省電、易用。
另一方面是雲計算的提供商,亞馬遜 Google 微軟們,他們不用考慮太多移動端的問題。
對晶片廠商來說,這部分用戶的占比會越來越大,也會越來越受重視。
總而言之,未來幾年過了某一個時間點後,作為個人用戶,你的所有需求都可以通過「設備 + 雲端計算」這樣的模式滿足。
你的隨身設備自身的性能不會更強,除非你願意接受更大的設備。
新硬體技術
也可以純粹從硬體找出路。
有這麼幾種可能性:
新的晶片架構
全球半導體行業目前的新策略是,他們忍夠了,不打算像以前那樣從摩爾定律出發搞些新的晶片出來,然後陷入那個被新軟體剝削資源,然後被消費者罵,然後推出新晶片這箇舊循環。
相反,他們會從應用出發,考慮手機、電腦以及各種數據中心的需求,然後向底層延伸,最終確定需要什麼樣的晶片來滿足這些需求。
所以會有越來越多具備特定功能的晶片,例如專門用作神經網絡計算、圖像識別、雲計算,或者預先內置各種消費端需求,比如高通的系統晶片(System on a Chip)。
材料科學
有許多備選,例如矽鍺合金(SiGe)和砷化銦鎵(InGaAs),或者設計全新的晶片結構,例如納米管、生物分子、自旋電子晶片。
目前來看,難度都很大。
量子計算機
當然並不是沒有其它的選擇。
剛才提到的電晶體最終縮小到2納米後,主宰機器性能的將是量子物理。
Google 搞的量子計算機 D-Wave 就是想以此為出發點找到全新的範式。
到目前為止,無論多麼高精尖的人類計算機,基本原件都是電晶體,相當於一個開關,有兩種狀態:1 和 0,或者開和關。
而量子計算機的電晶體卻有3種狀態,0、1 以及「同時是 0 和
1」,或者說,開、關以及「同時是開和關」。
這個「同時是開和關」的狀態是量子物理的態疊加原理(Superposition)。
上面提到半死不活的貓就是薛丁格本人所講的例子。
顯然,有了疊加態(以及量子糾纏),運算能力會遠超普通計算機,前提是 Google 開發出有實用性的量子計算機。
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過去 50 年科技的穩定進步很美妙,當定律失效時,未來似乎顯得有些黯淡。
我們認為摩爾定律即將失效不意味著科技進步的停滯,而意味著變化本身的性質發生改變。
再也沒有一個「定律」去指引大家按部就班地升級。
這種確定性正在被逐漸消除,這迫使人們追尋新的思路和手段。
下一個爆發性的變化可能會發生在其他任何地方。
未來有很多挑戰,但也會更有趣。
所以,摩爾定律的終結不是進步的終結。
言下之意是,我並沒有說你沒辦法買到更好的手機了。
—End—
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