硬體也能理財時代：「摩爾定律」是如何失效的？

任何一位PC遊戲玩家都不會避諱對兩個微胖男性的愛。

一是PC玩家衣食父母的STEAM締造者G胖，二是顯卡界「兩彈元勛」黃仁勛。

後者近日大放厥詞「摩爾定律已經失效」。

這下業界炸裂……莫非我們今後不用炒房，可以去炒顯卡快閃記憶體CPU為生啦？

愛玩網百萬稿費活動投稿，作者 豪豬，未經授權請勿轉載

隨著集成電路製程研發陷入瓶頸，關於「摩爾定律」是否失效的爭論也愈演愈烈，不少業界人士在不同場合表達了對摩爾定律的未來的悲觀態度。

就在前兩天，唱衰摩爾定律的業界大佬又多了一個：NVIDIA的老大黃仁勛，他在NVIDIA GTC大會演講中表示「摩爾定律已經終結」。

他認為「設計人員無法再創造出可以實現更高指令級並行性的CPU架構」、「電晶體數每年增長50%，但CPU的性能每年僅增長10%」。

每當老黃舉起他的左手時，往往就意味著硬體宅們迎接新的核彈時刻

有趣的是，儘管外界質疑不斷，英特爾的高管卻在多個場合堅定不移的否認摩爾定律已經達到極限——最近一次則在9月19日，英特爾EVP兼製造、運營與銷售集團總裁StacySmith在「英特爾精尖製造日」上表示：摩爾定律肯定不會失效。

那麼，這個被IT業界說了幾十年的「金科玉律」到底是怎麼回事？如果摩爾定律失效，我們買的CPU和GPU是不是就可以作為傳家寶永世流傳了？出於可讀性考慮，本文會儘量以淺顯的方式解釋專業概念，不夠準確之處請多包涵。

「胡說！摩爾定律千秋萬代，一桶漿糊！」

摩爾定律怎麼就「家喻戶曉」了呢

從某種程度上說，摩爾定律和英特爾公司有著千絲萬縷的關係。

這個關係還得追溯到上世紀60年代初期，那個時期，隨著半導體技術的迅猛發展，集成電路開始展現出極具潛力的市場前景。

這其中，集成電路（IC）的製作工藝（製程）又對成本有著明顯的影響：製程越是先進，單位面積可容納的電晶體越多，集成電路的性能就越先進，並且綜合成本也會隨之下降。

問題是，製程工藝的改進涉及方方面面，需要投入的人力與資金太大了，時間周期又不短。

這讓很多企業面臨兩難的選擇：剛研究出新製程，還沒回本呢，競爭對手就推出了更先進的產品，為了不被淘汰，企業又得投入重金加快下一代技術的研發。

隨著這場「軍備競賽」愈發殘酷，理智的聲音開始出現：有沒有一個相對科學的研發周期，在保證集成電路有穩定更新換代速度的同時，又能讓企業有足夠的盈利從而保持技術投入的動力呢？

在這個背景下，1965年，時任仙童半導體公司工程師的戈登.摩爾研究了業內成功的半導體企業，再結合當時半導體產業的情況，提出了一個觀點：每過一年，半導體晶片上集成的電晶體和電阻數量就將加倍。

——這就是後來被不少業界人士奉為圭臬的「摩爾定律」。

英特爾創始人之一戈登·摩爾

英特爾製程升級路線表幾乎完美符合摩爾定律發展規律

到了1968年，隨著摩爾與合伙人創辦英特爾之後，他慢慢察覺到這個觀點的問題了：不當家不知柴米貴，一年的製程更新還是太快了一點，英特爾雖然擁有很強的技術實力，但要以這個周期對產品進行更新換代，無論從行業還是企業角度看，難度還是大了點。

於是，在1975年，摩爾對摩爾定律進行了修正（IEEE國際電子組件大會），把每年增加一倍的觀點改為每兩年。

至於為什麼不是3年5年或者其他什麼時間，筆者是這麼認為的：到了1975年，英特爾已經是一家小有名氣的半導體企業了，作為企業的聯合創始人之一，摩爾當然要為自家企業的未來考慮。

如果把周期定的太短，顯然不利於公司利潤的最大化（新工藝研究越來越耗時耗錢耗力），如果定的太長，公司盈利固然有保障，可這也給一些研發實力較差的競爭對手以喘息之機。

所以，在綜合考量行業發展各方面因素，並結合自家公司情況後，摩爾才將所謂的「摩爾定律」周期更改為2年。

至於18個月的說法，則是後來英特爾的高管出於宣傳以及發揮自身研發優勢打壓競爭對手的需要提出的，摩爾本人並沒有承認。

在2015年「摩爾定律」50周年之際，摩爾甚至在專訪中明確表示，摩爾定律並非以嚴謹科學程序所定義的真正「定律」，那只是一種「觀察與推測」。

只不過，隨著英特爾在微處理器市場上地位的鞏固，出於商業上的考慮，以英特爾為首的半導體廠商開始有意無意的在日常宣傳強化這個概念，從而潛移默化的將摩爾定律的影響力擴散到整個行業之中。

確實在此前一段時期內，摩爾定律如同預言版影響著處理器發展歷史

只有英特爾在死扛？

隨著時間的推移，半導體產業開始出現一些微妙的變化。

早期的晶片製造行業，英特爾雖然份額最大，但好歹還有德州儀器、Garrett AiResearch乃至後來AMD、IBM等一眾廠商與其競爭。

可隨著時間的推移，一眾廠商開始跟不上英特爾發展的腳步了，要麼技術儲備不行，要麼是資金不足，要麼是產能低下（空有設計方案，找不到代工廠生產），到這時候，眾廠商才察覺出英特爾大推摩爾定律的「險惡用心」，奈何此時該定律早已「深入人心」，此時再想打破這條「規矩」已經太晚了。

幾十年的潛移默化，英特爾CPU性能早已深入人心，其對產品更新換代的「滴答模式」把競爭對手遠遠甩在後面

如今，桌面級微處理器只剩AMD還在苦苦支撐，英特爾在最輝煌的時候一度占據超過80%的CPU市場，之所以沒有把奄奄一息的AMD拍死，主要還是怕觸犯《反壟斷法》被拆分肢解。

看著英特爾一家獨攬PC CPU領域數百億美元營業額+數十億美元的利潤，誰不眼紅？但要進入這個市場，就得按這個行業老大定下的規矩走——每2年電晶體翻倍——這也太強人所難了。

要知道，晶片從設計到生產需要的技術和資金絕不是一朝一夕就能達成的。

就拿工藝來說，目前最新的晶片製作工藝是10納米製程。

這裡的納米指的是電晶體柵極的長度，考慮到專業名詞的麻煩程度，你可以簡單理解為長度越短，則電晶體速度越快——現階段一個處理器要集成電晶體都是數以億計，每個電晶體速度快那麼一點，整個處理器性能的提升就很可觀了（當然還有其他元器件因素，這裡為方便理解暫且略過）。

要在這麼小的一片處理器上蝕刻上那麼多的電晶體，每個電晶體又是納米級別的，就需要一種叫光刻機的設備，而光刻機是目前晶片生產最關鍵也是技術含量最高的一個環節。

要在矽電晶體上蝕刻電路，首先要在晶體上塗一種特殊的能與光產生反應的膠，然後再用光照的方式透過刻有電路的模版（電路路線部分鏤空以便光能穿過），從而實現對電晶體的電路蝕刻。

我們知道光在通過小孔時存在衍射和干涉現象，隨著模板尺寸越來越小，這種衍射和干涉情況會越來越嚴重，一旦模板的尺寸小於光的波長時，這種干擾會嚴重影響電路蝕刻的準確性。

特別是從32/28納米節點邁進22/20納米工藝節點時，按傳統光刻技術，晶片製作的成本不但沒有隨著工藝進步而降低，反而大大提高。

目前已經成熟的解決方案是更換蝕刻電路的光源，將其替換成波長更短的極紫外光刻（EUV光刻），從而解決衍射和干涉問題。

然而，這項技術從提出一直到最終實現，用了近20年的時間，砸了20年的錢才實現了技術上的突破，成本之高可見一斑。

然而，空有構架，工藝進步速度越來越慢，從14納米工藝開始，摩爾定律基本失效了

順便一提，早在極紫外光刻技術研發階段，英特爾就入股了這家公司（荷蘭ASML），不僅擁有一定話語權，還獲得了高端光刻機的優先購買權。

也就是說，通過控制了桌面CPU產業鏈的上下游，英特爾在行業內建立了高高的准入壁壘。

所以，只要是眼紅英特爾，有心想分一杯羹的半導體廠商，總會千方百計的削弱英特爾的產業優勢。

而「摩爾定律」就是一個很好的突破口，只有打破行業老大定下的「規矩」才有切入市場的機會嘛。

自然，作為行業老大，英特爾怎麼可能不維護自己定下的「規矩」呢？這就是英特爾高管StacySmith強調摩爾定律不會失效的原因。

順便一提，在2015年英特爾被迫放棄了持續了8年之久的滴答模式（tick tock），即便是在那麼困難的時候，英特爾的CEO也依然對摩爾定律是否失效含糊其詞。

那麼，摩爾定律為什麼逃不過失效的命運呢？

摩爾定律必將終結？

摩爾定律在50多年的發展過程中不止一次遭遇質疑，但在以英特爾為首的廠商「幫助」下最終都化險為夷。

比如在處理器頻率提升不上去後，晶片的宣傳口號就從頻率轉向核心數（雙核四核八核）；等到核心數也上不去了，就開始吹電晶體數量；連電晶體數量的增長也陷入瓶頸時，乾脆只談工藝製程。

如果我們拋開這些花俏的宣傳口號，分析摩爾定律每次遭遇的危機，你會發現基本與兩個因素有關：工藝、發熱量。

工藝問題剛在上文提到了，隨著製程的進步，在電晶體上蝕刻電路已經越來越難了。

而且光有工藝還不行，晶片廠商還得設計出對應的構架以發揮出先進工藝的效能，這也不是一朝一夕就能達成的事情——AMD與英特爾在競爭中，就因為晶片構架設計落後，導致在多核時代競爭一敗塗地，被吊打了近10年，直到今年推出ryzen系列才翻身。

在宣傳ryzen系列CPU時，還有很多人以為這又是AMD一次PPT「虛假」宣傳，哪知道是真的

發熱量問題同樣重要，處理器的製程越先進，所能容納的電晶體就越多，而更多的電晶體在帶來更強性能的同時，也會帶來更大的功耗。

這時候，CPU廠商一般採取等比降壓方式來解決處理器的功耗問題，畢竟電晶體數量提升帶來的性能提高足以彌補降壓的損失。

即便如此，隨著工藝進一步提升，降壓也越來越困難（因為構架問題，電壓再低就連處理器都點不亮了）。

比如目前的I7 7700K，其最低電壓大概就在0.8V（1.2GHz）左右，最高一般也就1.2V（接近5GHz），就這樣CPU功率還達到91W，如果再加電壓到3V4V，性能提升的同時也意味著幾厘米大小的晶片將有超過400W的恐怖功率（當然，這是限制處理器電路翻轉的前提下，全力運行那就是數以萬瓦計，在這裡不贅述），且不論這溫度會不會把主板燒壞，單說晶片封裝，晶片廠商得用多貴的耐高溫材料才能把晶片給包起來？得設計多貴的散熱系統才能保證電腦不會燒掉？

小小一塊晶片，裡面集成電晶體數以億計，產能功耗可想而知

最大的問題還在於材料的物理極限。

隨著晶片製造工藝進步到10納米，甚至7納米，晶片的工藝將不可避免的受微觀物理規律的影響（量子力學）——比如隧穿效應的頻繁出現（你可以把隧穿效應比作一面阻擋電子流的牆，可隨著製程升級，這面牆就擋不住電子了，亂竄的電子多了，就會產生漏電現象，漏電多了處理器會發熱，等於又浪費了功耗）。

此外，矽原子的直徑為5納米，電晶體的柵長再怎麼縮短也不可能小於5納米，所以，以矽作為半導體終歸有一個極限，過去的技術離這個極限還遠，大家尚可以「忽視」它，而現在隨著晶片工藝逼近這個極限，這個問題越來越無法忽視。

更讓英特爾措手不及的，儘管在桌面處理器市場它罕逢敵手，但手機晶片市場的異軍突起卻加快了摩爾定律終結的速度。

崽賣爺田心不疼

英特爾當然知道摩爾定律存在的極限，可既然當上晶片產業的大當家幾十年，英特爾還是有信心與底氣延續摩爾定律「千秋萬代」的。

就拿最近幾年英特爾推出的CPU來說，每一代性能就跟「擠牙膏」一樣，提升的幅度微乎其微。

為啥？不就是桌面CPU市場唯一競爭對手AMD不給力，所以新技術新工藝得省著點放出，從而延緩摩爾定律到頭的時間嘛。

等到AMD推出ryzen系列威脅到英特爾了，後者二話不說直接拋出「I9」系列，其性能不多不少，正好壓競爭對手一頭。

但是其他晶片廠商哪裡會讓英特爾如意呢？比如AMD，在與英特爾CPU競爭處於下風後，借著收購顯卡廠商ATI的東風開始CPU與顯卡的融合之路，試圖避開英特爾的優勢項目，進行差異化競爭，只不過最後因為集成晶片功耗問題進展緩慢而作罷。

眼看CPU性能上打不過英特爾了，AMD提出了「APU」的概念，簡單來說就是「顯卡裡面我CPU功能最強，CPU裡面我顯卡最強勁」

顯卡廠商也沒閒著，NVIDIA在1999年推出的GeForce 256顯卡，第一次將GPU（圖形處理晶片）作用提升到了新高度，搶過了原本由CPU計算的任務，從而奠定了顯卡/CPU雙雄的格局。

這還不算，隨著GPU集成電晶體數量的增加，NVIDIA又推出了PhysX技術，把CPU中物理運算部分（尤其是遊戲）給搶過來了一部分。

時至今日，在特定運算領域（比如比特幣挖礦），GPU的運算能力已經比CPU更勝一籌（當然兩者定位不同）。

更讓英特爾意想不到的是，這頭自己還在苦心維護桌面處理器霸主地位，那一頭移動處理器市場異軍突起。

相比「傳統」處理器，手機晶片由於使用的構架完全不同，不僅功耗更低（最低5W），而且性能提升的空間也更大。

手機畢竟不同於電腦，尺寸的限制決定了絕大多數功能都要集成到手機晶片中，除了CPU外還有GPU、基帶、觸摸屏控制器晶片、電源管理等一大堆東西，再算上功耗啥的，可宣傳的噱頭實在太多，CPU的性能只不過是其中一環。

再加上手機晶片競爭激烈，包括三星、高通、蘋果、聯發科、華為之類的廠商彼此競爭，除了三星之外，其他廠商只有設計晶片而無生產晶片的能力，在無法控制產業鏈上下游的情況下，各家的競爭就更為慘烈了：手機晶片不但以每年一代的速度迅速更新，不同的廠商還拚命的大打價格戰，什麼摩爾定律，什麼行業規矩，早被拋之腦後了。

看看最新一代高通處理器宣傳口號，動不動就是50%「性能」提升，手機晶片就是以這樣的速度彼此競爭，沒用幾年就走完了桌面處理器幾十年的路……

這下英特爾就尷尬了，原本自己基本控制了晶片從設計到生產環節，尤其是晶片生產上，第三方代工廠實力有限體量有限，所以產品更新換代的節奏完全可以由自己掌控（競爭對手AMD威脅可控）。

哪曾想，隨著手機晶片需求的快速增長，給了台積電、三星崛起的機會，作為代工廠，三星（給蘋果代工）、台積電可不管什麼行業規矩，有錢賺就干，在客觀上又推動了晶片工藝的進步的同時，無疑加速了摩爾定律的死亡。

這些「不守規矩」的對手完全打亂了英特爾的步伐，儘管英特爾也試圖切入手機晶片市場，憑藉自己強大的綜合實力「整合」行業，樹立規矩，奈何競爭太激烈，價格戰打的太瘋狂，弄得英特爾不得不在巨虧幾年後忍痛退出。

將來我們能看到保值10年的CPU嗎？

首先我們要明確一點，不管一眾廠商如何唱衰摩爾定律，有一點是不會變的：沒有人願意看到一個波瀾不驚，死水一潭的半導體產業。

畢竟產品的更新換代的周期決定了這個行業的生命力，試想，如果你在5年前購買的CPU/GPU放到現在性能依然不過時，你還會有動力去更新硬體嗎？

因此，為了刺激消費，確保晶片更新換代的周期，不管是軟體還是硬體廠商都會默契的創造新功能新需求，從而維持整個產業發展的活力。

比如顯卡，但凡有新顯卡推出，就一定有相應的遊戲填補硬體提升的額外性能。

反過來，一些遊戲也會通過一些超前的設計來刺激用戶（玩家）購買新硬體。

典型如「顯卡危機」（《孤島危機》的「暱稱」）在剛推出那會兒，市面上的顯卡根本帶不動遊戲的最高畫質，這款遊戲刷新了玩家對遊戲畫面逼真度的認知，帶動了新一輪的遊戲畫質的進化。

《孤島危機3》在GEFORCE GTX TITAN下才跑出50幀…

然而，擺在我們面前的問題是，晶片工藝終歸還會到達極限，到那時候，摩爾定律該何去何從？

別急，各廠商早就開始尋找後路了，目前主要有三條道路。

第一條是繼續為摩爾定律「續命」，比如使用更牛B的電晶體和其他元器件，極紫外光刻技術就是這條道路上的一項成果；第二條路是另闢蹊徑，為處理器集成更多的功能，比如可以檢測身體狀況的醫療晶片，各種物聯網的傳感器之類，通過整合更多的功能來吸引消費者購買；第三條路子乾脆拋開矽基半導體，研發新的材料，比如量子計算機之類，從而徹底突破材料上的束縛。

像英特爾，早就開始了新技術的布局，每年百億美元的投入基本用在第一條和第三條道路上，而像NVIDIA這樣的廠商把寶押在第二條路上。

想想20年前吧，誰能想到匯集打電話看視頻拍照玩遊戲等功能於一體的設備，不過區區巴掌大小呢？

所以，諸位不必在意摩爾定律失效問題，沒了摩爾定律也會有比爾定律，在可以預見的未來，商人們總會創造出符合消費者需要的電子產品。