本文作者Thomas秦，文章來(lái)源【硬報(bào)紙】：有硬度立润、有深度狂窑，智能硬件領(lǐng)域獨(dú)立思考者
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 沒(méi)有摩爾定律，就沒(méi)有蓋茨桑腮、喬布斯泉哈、扎克伯格。
我們?cè)?jīng)理所當(dāng)然地以為，科技的高速發(fā)展就和天朝GDP一樣丛晦，是永不止步的奕纫。直到它減速放緩，我們才突然意識(shí)到采呐，任何免費(fèi)午餐都有完結(jié)的那天若锁。
在半導(dǎo)體行業(yè)，隨著制程突破10nm的里程碑斧吐，傳統(tǒng)芯片工藝已經(jīng)遭遇瓶頸又固，摩爾定律在不久的未來(lái)即將失效。面對(duì)摩爾定律煤率，即使Intel自己仰冠，也束手無(wú)策。
恐怕以后蝶糯，你不能像從前那樣洋只，每年換新機(jī)了。
面對(duì)摩爾定律
一切要從半個(gè)多世紀(jì)前的一場(chǎng)講座說(shuō)起昼捍。
1960年识虚，賓夕法尼亞大學(xué)舉行的國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)上，35歲的計(jì)算機(jī)工程師道格拉斯?恩格爾巴特（Douglas Engelbart）提出了一個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域突破性的idea——縮放原理(Scaling Principle)：縮小電路的尺寸妒茬，元器件的運(yùn)行速度將不斷加快担锤，功耗和制造成本反而隨之下降。
說(shuō)者無(wú)心乍钻，聽(tīng)者有意肛循。當(dāng)時(shí)臺(tái)下的聽(tīng)眾之一，就是年僅31歲的戈登?摩爾(Gordon Moore)银择。5年后多糠，摩爾在《電子》雜志發(fā)表了一篇只有3頁(yè)的文章，卻成為半導(dǎo)體歷史上最重要的論文浩考。文中夹孔，摩爾將恩格爾巴特的縮放原理進(jìn)一步量化，作出預(yù)言：今后數(shù)十年內(nèi)怀挠，集成電路上的晶體管數(shù)目析蝴，將以每18個(gè)月翻一番的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)。
這就是半導(dǎo)體行業(yè)第一定律：摩爾定律绿淋。摩爾定律對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)的預(yù)言的準(zhǔn)確性，超出了任何一個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)家在任何一個(gè)工業(yè)領(lǐng)域里的預(yù)言尝盼。就連摩爾自己吞滞，都沒(méi)想到這條金科玉律能延續(xù)近60年屹立不倒。
摩爾定律意味著什么？正如戈登?摩爾自己所言裁赠，摩爾定律不是物理定律殿漠，而是市場(chǎng)機(jī)遇。只要不斷縮小晶體管佩捞，提高集成度绞幌，芯片就能保持一兩年翻一番的指數(shù)增長(zhǎng)；只要發(fā)展速度保持指數(shù)增長(zhǎng)一忱，很快芯片成本就能降到普通人都用的起莲蜘、性能強(qiáng)大到無(wú)所不能、功耗低到可以裝在任何設(shè)備上——那么開(kāi)發(fā)出最創(chuàng)新的芯片帘营，就能開(kāi)創(chuàng)這個(gè)時(shí)代最偉（zhuan）大（qian）的事業(yè)票渠。
后面的故事，想必大家都知道了芬迄。1968年问顷，摩爾帶著好基友諾伊斯“叛逃”仙童公司自立門(mén)戶，創(chuàng)立了Intel禀梳。在Intel的40多年間杜窄，主內(nèi)的摩爾負(fù)責(zé)技術(shù)，主外的諾伊斯做戰(zhàn)略和模式算途，又找來(lái)“偏執(zhí)狂”格魯夫做公司管理塞耕，三個(gè)火槍手把Intel處理器裝進(jìn)了全球幾十億臺(tái)PC機(jī)，讓兩三個(gè)人的創(chuàng)業(yè)公司郊艘，成長(zhǎng)為千億級(jí)的上市公司荷科。
說(shuō)句題外話：這么多年過(guò)去，摩爾還記得那場(chǎng)改變命運(yùn)的講座嗎纱注？還記得那個(gè)啟發(fā)自己的演講者嗎畏浆？
作為啟發(fā)了摩爾定律的人、一個(gè)不亞于摩爾的天才狞贱，恩格爾巴特自己卻命運(yùn)多舛刻获。1963年他建立了ARC（增智研究中心），1965年提出了摩爾定律的前身“縮放原理”瞎嬉，1967年發(fā)明鼠標(biāo)蝎毡，1968年演示了人類(lèi)有史以來(lái)第一次在線視頻會(huì)議，1969年建立了現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的前身阿帕網(wǎng)（ARPANet）氧枣。如果歷史真能按照恩哥的節(jié)奏發(fā)展下去沐兵，人類(lèi)將提前至少二十年進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。
然而70年代初便监，在終極目標(biāo)近在眼前時(shí)扎谎，ARC內(nèi)部有人對(duì)前景產(chǎn)生了質(zhì)疑碳想。１９７５年， ARPA停止了對(duì)ARC的資助毁靶，沒(méi)有錢(qián)胧奔，小伙伴們紛紛作鳥(niǎo)獸散，最后只剩恩哥一個(gè)光桿司令预吆，帶領(lǐng)一堆機(jī)器孤軍奮戰(zhàn)龙填。
2005年，80歲的恩格爾巴特對(duì)記者說(shuō)拐叉，回首當(dāng)年岩遗，“沒(méi)人愿意為自己的研究投資，甚至沒(méi)有人愿意跟自己對(duì)話”巷嚣。
然而今天我們發(fā)現(xiàn)喘先，我們所做的只是在不斷接近恩格爾巴特多年前的設(shè)想而已：辦公自動(dòng)化、個(gè)人電腦廷粒、超文本協(xié)議窘拯、開(kāi)源代碼協(xié)作……“現(xiàn)在我們終于明白了他想要做什么了“泳ィ”
恩格爾巴特最大的悲劇在于涤姊，他比時(shí)代超前了足足20多年。1968年嗤放，當(dāng)他在舊金山演示計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)思喊、視頻會(huì)議、交互式圖形界面和鼠標(biāo)時(shí)次酌，微軟還沒(méi)成立恨课，喬布斯還在上中學(xué)。
1979年冬天岳服，當(dāng)24歲的喬布斯宿命般地走進(jìn)施樂(lè)PARC研究中心剂公，看到的正是恩格爾巴特的遺產(chǎn)：可視化圖形界面、面向?qū)ο蟮木幊蹋⊿malltalk）吊宋、局域網(wǎng)（Ethernet）纲辽。就連PARC團(tuán)隊(duì)自身，也來(lái)源于ARC解散后的原班人馬璃搜。當(dāng)時(shí)拖吼，喬布斯只是被圖形界面和鼠標(biāo)吸引住了，其它兩樣重要成果沒(méi)太在意这吻。而僅僅是圖形界面吊档，就讓他醞釀出了一場(chǎng)計(jì)算機(jī)革命。
直到1983年籍铁， 蘋(píng)果的新機(jī)型Lisa發(fā)布時(shí)涡上，問(wèn)世已20年的鼠標(biāo)終于獲得大規(guī)模的商業(yè)成功趾断。1987年拒名，蘋(píng)果買(mǎi)下鼠標(biāo)專(zhuān)利，付給恩格爾巴特專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓費(fèi)——1萬(wàn)美元芋酌。你沒(méi)看錯(cuò)增显，這就是“鼠標(biāo)之父”從這項(xiàng)發(fā)明中獲得的唯一收入。
恩格爾巴特：鼠標(biāo)之父脐帝，人機(jī)交互之父同云，科技產(chǎn)品發(fā)布會(huì)之父，摩爾和喬布斯背后的男人堵腹，沃茲尼亞克最崇拜的偶像——其實(shí)他和本期硬報(bào)紙的主題炸站，并沒(méi)有直接關(guān)系。
然而疚顷，這位啟發(fā)了一個(gè)時(shí)代的天才旱易，值得被如此致敬。
即使Intel自己
摩爾定律為Intel指明了一條道路：把芯片做小腿堤。晶體管越小阀坏，芯片集成度越高，不僅性能越強(qiáng)笆檀，而且成本和功耗不增反降忌堂。越小、越快酗洒、越便宜士修，賣(mài)的用戶越多，賺錢(qián)越多樱衷。
要想延續(xù)摩爾定律不斷把芯片做小棋嘲，就必須在制造工藝上下大功夫。所以箫老，Intel不僅是地球上最強(qiáng)大的芯片設(shè)計(jì)公司封字，還擁有當(dāng)今最先進(jìn)的芯片工廠哥倔。設(shè)計(jì)與工藝相得益彰史煎，成就了Intel在PC時(shí)代的霸主地位。
在2014年Broadwell架構(gòu)之前驹马，Intel一直嚴(yán)格遵循Tick-Tock戰(zhàn)略周期牲蜀，在奇數(shù)年的“Tick”階段代表著CPU芯片制程的飛躍笆制；偶數(shù)年的“Tock”代表著處理器的架構(gòu)升級(jí)。
然而在辆，這一戰(zhàn)略正在由于工藝難度的逐年提升而放緩证薇。Intel 2017年才會(huì)發(fā)布10nm制程芯片，取代自2015年延續(xù)至今的14nm芯片匆篓。2014~2016年期間浑度，14nm制程已經(jīng)沿用了三代CPU。在2017年到2019年鸦概，10nm仍將沿用三代箩张。自從14nm開(kāi)始，Tick-Tock的周期已經(jīng)從兩年延長(zhǎng)到了兩年半窗市。
2017年發(fā)布新制程10nm的計(jì)劃先慷，意味著持續(xù)近10年、如時(shí)鐘滴答般穩(wěn)定的Tick-Tock節(jié)奏首次被打破咨察。進(jìn)入到14nm之后论熙，Intel不得不把Tick-Tock變成Tick-Tock-Tock，而這第二個(gè)“Tock”也并非巨大的微架構(gòu)更新摄狱。
? 2014 —— 14nm Broadwell (Tick)
? 2015 —— 14nm Sky Lake (Tock)
? 2016 —— 14nm Kaby Lake (Tock)
? 2017 —— 10nm Cannon Lake (Tick)
? 2018 —— 10nm Ice Lake (Tock)
? 2019 —— 10nm Tiger Lake (Tock)
? 2020 —— 7 nm 待研發(fā) (Tick)
? 2021 —— 7 nm 待研發(fā) (Tock)
? 2022 —— 5 nm 待研發(fā) (Tick)
Intel官方表示脓诡，如果在5nm節(jié)點(diǎn)上硅仍然是一個(gè)可行的微處理器材料，那么Intel將于2020年開(kāi)始研發(fā)5nm制程的芯片二蓝，最早將于2022年才會(huì)上市誉券。
當(dāng)Intel研發(fā)周期放緩時(shí)，臺(tái)積電正躍躍欲試刊愚。按照臺(tái)積電此前公開(kāi)的戰(zhàn)略規(guī)劃踊跟，在2016年末就能達(dá)到7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，2020年達(dá)到5nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)鸥诽，臺(tái)積電揚(yáng)眉吐氣的時(shí)候不遠(yuǎn)了——這回終于領(lǐng)先老對(duì)手好幾年商玫！
然而無(wú)論是Intel還是臺(tái)積電都不確定牡借，5nm工藝的下一步是什么拳昌。5nm已經(jīng)逼近了摩爾定律的物理極限，再小幾乎不可能钠龙。
其實(shí)在半個(gè)世紀(jì)中炬藤，摩爾定律曾屢次遭遇瓶頸。例如上世紀(jì)90年代碴里，奔騰四制程突破100納米時(shí)沈矿，晶體管小型化導(dǎo)致了糟糕的性能。Intel與IBM不得不重新尋找提高晶體管性能的材料咬腋。直到2000年羹膳，在凝聚態(tài)物理學(xué)家們的幫助下引入應(yīng)變硅技術(shù)（晶格拉伸時(shí)硅導(dǎo)電能力大幅提高），摩爾定律才又續(xù)命十幾載根竿。
但是這一次陵像，狼恐怕是真的來(lái)了就珠。盡管目前Intel、三星醒颖、臺(tái)積電等半導(dǎo)體巨頭都公認(rèn)妻怎，在5nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)之上，不會(huì)遇到根本性的困難图贸，然而當(dāng)集成電路繼續(xù)縮小到極限蹂季，進(jìn)入量子力學(xué)主導(dǎo)的微觀世界中，僅由數(shù)個(gè)分子構(gòu)成的晶體管將無(wú)法正常工作疏日。盡管工程師用盡各種設(shè)計(jì)巧思，渡過(guò)一次又一次危機(jī)撒汉，但是大家都心知肚明沟优，撞上最后那堵墻只是時(shí)間問(wèn)題。
而時(shí)間睬辐，真的已經(jīng)不多了挠阁。
也束手無(wú)策？
嚴(yán)格意義上說(shuō)溯饵，就算100年后的計(jì)算機(jī)性能仍然能夠指數(shù)式增長(zhǎng)侵俗，摩爾定律屆時(shí)也早已退休。因?yàn)槟柖墒怯每s小晶體管的思路丰刊，在芯片上集成更高密度的元器件隘谣，從而做到在性能提升的同時(shí)成本降低。而基礎(chǔ)物理學(xué)告訴我們啄巧，在這個(gè)由原子組成的世界里寻歧，“縮小”是有極限的。
5nm是當(dāng)前技術(shù)條件下的制程極限秩仆，一個(gè)晶體管只有10個(gè)原子大小码泛。就算繼續(xù)變小，晶體管也不可能比1個(gè)原子還小澄耍，因?yàn)椴⒉淮嬖诎雮€(gè)原子噪珊。預(yù)計(jì)到2020年之后，要想繼續(xù)提高性能齐莲，靠“縮小”已經(jīng)無(wú)能為力痢站，只得另覓他途。目前铅搓，距離我們榨干摩爾定律的潛能瑟押，只有不到10年的時(shí)間了。
短期方案：新半導(dǎo)體材料
目前星掰，芯片中的晶體管是用硅元素制成的多望，如果用砷化鎵(GaAs)嫩舟、氮化鎵(GaN)等電子遷移率更高的元素代替，理論上就能造出速度（頻率）更快的晶體管怀偷。
采用新材料做CPU家厌，有望使芯片性能提高4~8倍，不過(guò)很快也會(huì)遭遇與硅晶體管相同的制程極限椎工。
中期方案：碳納米管（CNT）晶體管
先由碳原子以六角形結(jié)構(gòu)鋪成平面石墨烯（Graphene）饭于，再將石墨烯卷成管狀，就是所謂碳納米管维蒙。碳納米管也是半導(dǎo)體掰吕，電學(xué)特性與硅晶體管類(lèi)似，因而成為次世代材料的寵兒颅痊。
2015年殖熟，斯坦福大學(xué)用3D晶體管技術(shù)設(shè)計(jì)的碳納米管芯片，開(kāi)關(guān)速度比目前最好的芯片快上1000倍斑响。但是菱属，晶體管快千倍，并不代表做成處理器運(yùn)行速度也能快千倍舰罚。事實(shí)上纽门，在一個(gè)處理器幾十億的晶體管中，傳輸速度的優(yōu)化是一個(gè)系統(tǒng)工程营罢，不起眼的電容赏陵、電感帶來(lái)的信號(hào)延遲可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1000倍門(mén)開(kāi)關(guān)速度省下來(lái)的那幾皮秒。除非其他配套的技術(shù)同時(shí)突破愤钾，否則處理器性能最多只有數(shù)倍的提升瘟滨。
最令人蛋疼的是，碳納米管量產(chǎn)極為困難能颁。目前已量產(chǎn)化的單層碳納米管粉末杂瘸，售價(jià)400多元人民幣/克，而這不過(guò)是最基礎(chǔ)的碳納米管原料伙菊，只能摻到電池里增加導(dǎo)電性用（被炒作為“石墨烯電池”）败玉。至于10nm以下碳納米管制成的晶體管，至今仍只有頂尖實(shí)驗(yàn)室才能制備镜硕。
終極方案：量子計(jì)算機(jī)
和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基本信息單位“比特”不同运翼，量子計(jì)算機(jī)使用的量子比特（QuBit）是在兩個(gè)邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1兴枯。經(jīng)典存儲(chǔ)器只能存儲(chǔ)2^N個(gè)數(shù)據(jù)中的某一個(gè)值血淌，而量子存儲(chǔ)器可以同時(shí)存儲(chǔ)2^N個(gè)。由250個(gè)原子構(gòu)成的250量子比特存儲(chǔ)器，容量高達(dá)2^250比特悠夯，比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多癌淮。利用量子相干態(tài)可以進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算，理論上可以超過(guò)現(xiàn)役超級(jí)計(jì)算機(jī)百億億倍沦补。
十年前，在量子計(jì)算在理論上證明可行的早期階段夕膀，大家感到未來(lái)一片光明虚倒，人人都感染上了“信量子，得永生”的激情产舞。我還記得本科上量子力學(xué)的第一天魂奥，教授兩眼放光地說(shuō)：將來(lái)有了量子計(jì)算機(jī)，我們現(xiàn)在這些電腦都要扔到廁所里去庞瘸！當(dāng)時(shí)我就震驚了：廁所是您扔垃圾的地方嗎捧弃？計(jì)算機(jī)系的版本則是：教算法的導(dǎo)師說(shuō)，等到有了量子計(jì)算機(jī)擦囊，我就下崗了，因?yàn)槟菚r(shí)全世界只剩下一種算法——窮舉嘴办。
然而現(xiàn)實(shí)比預(yù)期總是殘酷百倍瞬场，量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難重重。量子比特?cái)?shù)量決定了量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力涧郊，可是從量子計(jì)算得到證明的1994年至2014年贯被，最多也只做到14個(gè)量子比特。而且每增加一個(gè)量子比特妆艘，其工程難度便呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)彤灶。
2007年，加拿大D-Wave公司橫空出世批旺，推出了128比特的商用量子計(jì)算機(jī)幌陕，在2012年的二代產(chǎn)品D-Wave Two號(hào)稱(chēng)擁有512個(gè)量子比特，一度讓人浮想聯(lián)翩汽煮。然而實(shí)際上搏熄，D-Wave并非真正的量子計(jì)算機(jī)。它的確運(yùn)用了“量子隧穿”的量子效應(yīng)暇赤，但沒(méi)有用到真正的量子疊加性心例、相干性進(jìn)行計(jì)算。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?D—Wave量子計(jì)算機(jī)
而且鞋囊，D-Wave只是一個(gè)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)止后，只能計(jì)算“量子退火”的優(yōu)化問(wèn)題。其它超級(jí)計(jì)算機(jī)也能進(jìn)行這種計(jì)算溜腐，速度甚至比D-wave Two還要快译株。D-Wave至今只賣(mài)出了兩臺(tái)量子計(jì)算機(jī)瓜喇，每臺(tái)售價(jià)1000萬(wàn)美元；一臺(tái)賣(mài)給了Google古戴，一臺(tái)賣(mài)給洛克希德?馬丁欠橘。
雖然短期內(nèi)不一定指望得上，但是量子計(jì)算機(jī)無(wú)疑已成決勝未來(lái)30~50年的兵家必爭(zhēng)之地现恼。2013年肃续，谷歌與NASN加州大學(xué)圣巴巴拉分校聯(lián)合成立量子人工智能實(shí)驗(yàn)室；2014年叉袍，IBM宣布未來(lái)5年投資30億美元用于量子計(jì)算研究始锚；2015年，阿里云與中科院建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室喳逛，計(jì)劃用持續(xù)15年的資金支持瞧捌，在10年內(nèi)做出50個(gè)量子比特的通用量子計(jì)算機(jī)，速度相當(dāng)于超算“天河二號(hào)”的8~10倍润文。
摩爾時(shí)代的終結(jié)
我們都知道姐呐，就算幾年后摩爾定律退休，科技發(fā)展也不會(huì)就此原地踏步典蝌。不過(guò)究竟哪種方案能取代摩爾定律曙砂，成就下一個(gè)計(jì)算機(jī)時(shí)代的神話，目前還沒(méi)人能說(shuō)得準(zhǔn)骏掀。在此之前鸠澈，半導(dǎo)體科技可能會(huì)經(jīng)歷一段青黃不接的大規(guī)模轉(zhuǎn)型期。說(shuō)到底截驮，還是因?yàn)槲覀冎疤^(guò)于依賴(lài)摩爾了笑陈。
大多數(shù)人可能沒(méi)有意識(shí)到，如果沒(méi)有當(dāng)年的摩爾定律葵袭，現(xiàn)在這個(gè)世界很可能會(huì)是完全不同的面貌涵妥。上世紀(jì)70年代，人們最期待的未來(lái)黑科技是原子能和太空技術(shù)眶熬。萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到妹笆，摩爾定律強(qiáng)勢(shì)插入，驅(qū)動(dòng)了半導(dǎo)體娜氏、計(jì)算機(jī)拳缠、互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)半個(gè)世紀(jì)的崛起；正是這樣的時(shí)代贸弥，造就了比爾·蓋茨窟坐、喬布斯、扎克伯格。人類(lèi)沒(méi)能打太空飛的去移民火星哲鸳，卻攀上了另一支信息科技樹(shù)臣疑。
摩爾定律開(kāi)啟了一個(gè)奇跡般的時(shí)代，而它的結(jié)束徙菠，將迎來(lái)一個(gè)更不可思議的未來(lái)讯沈。離開(kāi)了熟悉的摩爾，沒(méi)法依賴(lài)工藝進(jìn)步了婿奔，才會(huì)逼得我們掉過(guò)頭去死磕碳納米管缺狠、量子計(jì)算這樣的硬骨頭，說(shuō)不定真正改變世界的大發(fā)現(xiàn)就在后頭呢萍摊。
這是摩爾時(shí)代的終結(jié)挤茄。
也是未來(lái)無(wú)限可能的開(kāi)端。
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