摩爾定律又失效了,一塊手表將替代全世界的計(jì)算機(jī)
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我已經(jīng)不下四次看到過(guò)摩爾定律即將滅亡這樣的論調(diào)出現(xiàn)了。
英特爾首席執(zhí)行官布萊恩·科茲安尼克(Brian Krzanich)在上個(gè)月公司發(fā)表的一項(xiàng)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(chǎng),英特爾甚至?xí)r常將之當(dāng)做公開場(chǎng)合的笑話,直言公司有方法,也知道該如何進(jìn)一步開發(fā)原子級(jí)別的半導(dǎo)體。摩爾定律歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì),依然統(tǒng)領(lǐng)著計(jì)算機(jī)行業(yè),無(wú)人可將之撼動(dòng)。但這一次,或許是真的。主角的名字叫做量子計(jì)算機(jī)。
1946年2月14日,世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)ENIAC誕生了。這是臺(tái)耗費(fèi)無(wú)數(shù)工時(shí)人力制造出的龐然大物:
ENIAC長(zhǎng)30.48米,寬6米,高2.4米,占地面積約170平方米,30個(gè)操作臺(tái),重達(dá)30英噸,耗電量150千瓦,造價(jià)48萬(wàn)美元。它包含了17,468根真空管7,200根晶體二極管,1,500個(gè)中轉(zhuǎn),70,000個(gè)電阻器,10,000個(gè)電容器,1500個(gè)繼電器,6000多個(gè)開關(guān),每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法,是繼電器計(jì)算機(jī)的1000倍、手工計(jì)算的20萬(wàn)倍。
很長(zhǎng)一段時(shí)間,人們內(nèi)心都植入了這樣的想法:計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)不會(huì)走進(jìn)日常生活,無(wú)論是體積和造價(jià),看起來(lái)都是那樣的令人難以承受。而后來(lái),如你所見,個(gè)人電腦變得只有書本大小厚薄,而計(jì)算速度更是超過(guò)了ENIAC千萬(wàn)倍不止。這一切卻早在1956年就被神奇地預(yù)言。這便是“摩爾定律”的魔力。
人類是善于總結(jié)的生物,他們總是試圖從紛繁多變的事實(shí)中,抽離出穩(wěn)定不變的的真理,從而指導(dǎo)未來(lái)的航向。早在20世紀(jì)50年代初,科學(xué)家們就開始猜測(cè),或許存在一種模式,可以揭示技術(shù)變化的速度,幫助人類預(yù)測(cè)未來(lái)。聽起來(lái)很容易,但放在那個(gè)時(shí)候,就像沒有人會(huì)異想天開的認(rèn)為人類可以進(jìn)行太空旅行一樣荒謬。
1956年4月19日,一篇對(duì)于電子行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)的文章《讓集成電路填滿更多的組件》被發(fā)表在《電子學(xué)》(Electronics)35周年特刊上,平靜地就像落入大海里的一粒沙。誰(shuí)也沒想到,日后,這篇看似荒誕大膽的文章的預(yù)判卻統(tǒng)領(lǐng)了計(jì)算機(jī)行業(yè)將近五十年,揭示了隱藏在技術(shù)背后的真理。而這篇文章的作者正是戈登·摩爾,揭示的規(guī)律被人們稱為“摩爾定律”。
這篇論文,區(qū)區(qū)3頁(yè)紙的篇幅,卻是迄今為止半導(dǎo)體歷史上最具意義的論文。在這篇文章里,摩爾天才地預(yù)言道:當(dāng)價(jià)格不變時(shí),集成電路上可容納的元器件的數(shù)目,約每隔18-24個(gè)月便會(huì)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(gè)月翻一倍以上。舉個(gè)例子,你現(xiàn)在買不起某臺(tái)電腦沒關(guān)系,你大可以等上十八個(gè)月,因?yàn)榈侥菚r(shí),同樣的電腦只需要一半的價(jià)錢了。(實(shí)際情況并非如此,后面會(huì)解釋)
彼時(shí)英特爾尚未誕生,戈登·摩爾也還只是仙童半導(dǎo)體公司(Fairchild Semiconductor)的一名工程師。這是他和另外七個(gè)好朋友一同創(chuàng)業(yè)的成果,公司主營(yíng)開發(fā)和生產(chǎn)商業(yè)半導(dǎo)體器件,是當(dāng)時(shí)知名的半導(dǎo)體公司,人們說(shuō):“進(jìn)入仙童公司,就等于跨進(jìn)了硅谷半導(dǎo)體工業(yè)的大門”。
“八叛逆”(圖片來(lái)自Wikipedia)
仙童半導(dǎo)體公司在1959年首先推出了平面型晶體管,緊接著于1961年又推出了平面型集成電路。這種平面型制造工藝是在研磨得很平的硅片上,采用一種所謂”光刻”技術(shù)來(lái)形成半導(dǎo)體電路的元器件,如二極管、三極管、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(huì)相應(yīng)提高。因此平面工藝被認(rèn)為是”整個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)鍵”,是摩爾定律問(wèn)世的技術(shù)基礎(chǔ)。
說(shuō)來(lái)也巧,摩爾定律的發(fā)現(xiàn)其實(shí)很簡(jiǎn)單。在1956年的某一天,摩爾在準(zhǔn)備一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢(shì)的報(bào)告。他整理了一份觀察資料。在他開始繪制數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣而驚人的現(xiàn)象。每個(gè)新芯片大體上包含其前任兩倍的容量,每個(gè)芯片的產(chǎn)生都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18-24個(gè)月內(nèi)。如果這個(gè)趨勢(shì)繼續(xù)的話,計(jì)算能力相對(duì)于時(shí)間周期將呈指數(shù)式的上升。經(jīng)過(guò)思考和繪制趨勢(shì)圖,摩爾定律誕生了。
但也正是因?yàn)檫@種觀測(cè)和推測(cè),摩爾定律嚴(yán)格的說(shuō)并不難算“定律”,它只不過(guò)是描述了一種讓電腦價(jià)格成倍降低的生產(chǎn)制造過(guò)程變化的速度。而且摩爾定律的雛形甚至算不上嚴(yán)謹(jǐn),摩爾本人在聯(lián)合好朋友諾伊斯創(chuàng)立英特爾之后的1975年,在IEEE國(guó)際電子組件大會(huì)上提交了一篇論文,根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況對(duì)摩爾定律進(jìn)行了修正,把“每年增加一倍”改為“每?jī)赡暝黾右槐?rdquo;,而普遍流行的說(shuō)法是“每18個(gè)月增加一倍”,所以現(xiàn)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,摩爾在接受一次采訪時(shí)聲明,他從來(lái)沒有說(shuō)過(guò)“每18個(gè)月增加一倍”,而且SEMATECH路線圖跟隨24個(gè)月的周期。后來(lái)還出現(xiàn)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(shù)式發(fā)展的行業(yè)或者用以不費(fèi)力地解釋現(xiàn)象。即使摩爾定律的內(nèi)涵變得越來(lái)越寬泛而不夠“科學(xué)性”,但是你依然無(wú)法否認(rèn)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(gè)強(qiáng)力的佐證,見證著摩爾定律的輝煌。
1965年
戈登·摩爾在《電子學(xué)》雜志上的一篇文章中,提出了他關(guān)于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(lǐng)世界進(jìn)入消費(fèi)者科技時(shí)代。
1977年
在能力穩(wěn)步增強(qiáng)的微處理器的幫助下,蘋果推出早期最成功的個(gè)人計(jì)算機(jī)之一Apple II。
1989年
英特爾推出用于超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域的i860處理器。這是第一款容納了超過(guò)100萬(wàn)晶體管的微處理器。
1993年
英特爾宣布打造Pentium處理器,該處理器容納的晶體管數(shù)量是公司此前處理器的三倍。
2005年7月
微處理器停止發(fā)展的腳步,芯片面臨著一大威脅:其運(yùn)轉(zhuǎn)溫度很有可能會(huì)變得和太陽(yáng)表面溫度一樣高。
2007年
單枚微芯片上可以容納的晶體管數(shù)量超過(guò)了十億,蘋果推出第一款iPhone,將手機(jī)變成一種掌上電腦。
2015年
英特爾延后了將業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向以下一代十納米級(jí)制造工藝為基礎(chǔ)打造的微處理器的時(shí)間,暗示摩爾定律已經(jīng)失效。
有了摩爾定律的存在,讓所有IT從業(yè)者意識(shí)到自己必須以更短的時(shí)間,投入更多的資金來(lái)保證下一代產(chǎn)品的順利開發(fā),而不至于被淘汰。同樣的,如果完全按照摩爾定律,那所有顧客都等個(gè)十幾個(gè)月或者幾個(gè)月,買更便宜的不就好了,那生產(chǎn)計(jì)算機(jī)和配件的廠商可就太慘了。事實(shí)并非如此,你現(xiàn)在買一臺(tái)電腦,并不比十年前便宜多少。速度用起來(lái)有快幾百倍么?好像也沒有。
因?yàn)檐浖拖到y(tǒng)在吃掉根據(jù)摩爾定律不斷推陳出新的硬件,很多年前整個(gè)電腦系統(tǒng)也就幾十K,軟件也非常小,但是現(xiàn)在一個(gè)系統(tǒng)甚至一個(gè)軟件動(dòng)輒好幾個(gè)G。所以你并不會(huì)覺得現(xiàn)在的電腦運(yùn)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(wàn)倍,成本便宜了6萬(wàn)倍。打游戲該卡還是卡。同樣的,如果軟件和系統(tǒng)不升級(jí),用戶就沒有動(dòng)力買新的硬件,新的CPU,即使硬件發(fā)展再快也毫無(wú)用處。
另一方面,指數(shù)爆炸增長(zhǎng)是非常可怕的,對(duì)于硬件行業(yè)很快就會(huì)走到瓶頸,摩爾本人曾經(jīng)就說(shuō)過(guò),任何事物都會(huì)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(jīng)到硅谷做過(guò)演講。演講結(jié)束后,有人問(wèn)他怎么看待集成電路的技術(shù)極限。盡管史蒂芬對(duì)集成電路了解不深,但他提出了兩個(gè)技術(shù)極限:光的極限速度和物質(zhì)的原子本質(zhì)。我非常同意他的觀點(diǎn)。我們目前已經(jīng)很接近“原子”極限(注:晶體管的尺寸已到了100納米以下,而原子的直徑在0.01納米到0.1納米之間)。而芯片的運(yùn)行速度也越來(lái)越快,但離光速(注:真空中光速最快,為3*108m/s)還很遠(yuǎn)。這兩個(gè)都是最基本的自然法則,我們很難達(dá)到和超越這個(gè)極限。這也是未來(lái)幾十年里工程師們需要接受的挑戰(zhàn)。
一旦我們突破了這些極限,事情就完全不一樣了。技術(shù)的發(fā)展再也不是讓東西變小、排布更密。那個(gè)時(shí)候,一塊芯片上能夠繼承幾十億個(gè)晶體管,我們的創(chuàng)新空間也會(huì)前所未有的大。現(xiàn)在還有其他技術(shù)蘊(yùn)含的發(fā)展?jié)摿赡軙?huì)超過(guò)集成電路。納米產(chǎn)品也開始走入市場(chǎng),石墨氮原子層等新材料也吸引了工程師們的目光。我并不是很了解這些領(lǐng)域,無(wú)法明確哪個(gè)領(lǐng)域會(huì)最快突破,但這些領(lǐng)域的發(fā)展速度很難和集成電路相媲美。畢竟,很難有技術(shù)能擊敗繼承了幾十億甚至上百億個(gè)晶體管的芯片。
摩爾也考慮過(guò)摩爾定律的失效:
以后的技術(shù)發(fā)展速度會(huì)減慢,這是任何技術(shù)都會(huì)遇到的問(wèn)題。我猜測(cè)未來(lái)十年左右,摩爾定律可能會(huì)逐步退出歷史舞臺(tái)。這很正常。
摩爾定律雖然受到軟件和系統(tǒng)的掣肘,你依然能夠感受到這條定律為你帶來(lái)的好處:你可以買到幾百塊的智能手機(jī),還可以用電腦處理十年前無(wú)法處理的高復(fù)雜度的工作。英特爾也遵循著他的創(chuàng)始人摩爾所創(chuàng)造的摩爾定律,一步一步成長(zhǎng)到今天的巨頭地位。在2000年后,英特爾基本上壟斷著處理器市場(chǎng)。甚至可以說(shuō)在微機(jī)時(shí)代的領(lǐng)導(dǎo)者就只有英特爾和微軟,但是英特爾最大的問(wèn)題可能就是過(guò)于依賴于摩爾定律,一旦摩爾定律被宣告終結(jié),這個(gè)巨頭如果不能成功轉(zhuǎn)型,那便只能眼睜睜看著帝國(guó)輝煌的落幕。
看著現(xiàn)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(shù)的精神走到了霸主的地位。
1981年12月,英特爾公司推出8087芯片,日本松下公司毫不示弱地拿出3200芯片。當(dāng)時(shí)64K動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)芯片是電腦界一致看好的重頭戲,它包含65536個(gè)元件,不僅能讀,而且能夠像黑板一樣擦寫。但日本的64K芯片卻以它低成本和高可靠性,迅速占領(lǐng)了美國(guó),使英特爾的單個(gè)芯片價(jià)格在一年內(nèi)就從28美元慘跌至6美元,英特爾吃了一場(chǎng)大敗仗。
摩爾痛定思痛,決心放棄存儲(chǔ)芯片市場(chǎng),轉(zhuǎn)向了微處理器(控制芯片)市場(chǎng)。摩爾準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到了個(gè)人電腦以后的成功。他決定將英特爾進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移,專攻微型計(jì)算機(jī)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(chǎng)上的壟斷地位。
在那之后,英特爾根據(jù)摩爾定律,不斷地更新升級(jí),自己淘汰自己,壟斷著微機(jī)處理市場(chǎng)。
摩爾定律失效,這已經(jīng)不是頭一次有人提起,甚至成了硅谷人士私下茶余飯后的談資。如果你所有的公司業(yè)務(wù)都和摩爾定律有關(guān),而摩爾定律正在逐漸失效,你會(huì)如何應(yīng)對(duì)?
所以,相比摩爾本人的客觀謙遜,英特爾不太愿意相信自己辛苦呈現(xiàn)的東西將會(huì)走向終結(jié)。
IBM成功創(chuàng)建了一個(gè)五量子比特級(jí)的計(jì)算機(jī)工作原型,它已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上對(duì)公眾進(jìn)行開放。
這則消息在巨量信息流涌現(xiàn)的今天很難引起人們的注意,甚至不明白它的字面意思,什么是量子計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算技術(shù)(quantum computing),是一種利用量子物理學(xué)(解釋物質(zhì)和能量如何互動(dòng)的物理學(xué)分支)重新設(shè)想電腦工作方式的技術(shù)。而量子計(jì)算機(jī)則可以利用最基本的能量和物質(zhì)特性,實(shí)現(xiàn)超越當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)的計(jì)算速度。
量子計(jì)算機(jī)和普通計(jì)算機(jī)有著本質(zhì)的區(qū)別,前者利用了量子力學(xué)的特點(diǎn),可以達(dá)到很快的運(yùn)行速度。普通電腦使用的是0和1的形式,而量子計(jì)算機(jī)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(jì)算里一個(gè)簡(jiǎn)單的比特可以同時(shí)容納兩個(gè)值,或者說(shuō)兩個(gè)比特能同時(shí)容納四個(gè)值。這也是量子設(shè)備在處理數(shù)據(jù)中,有著極快速度的原因。
雖然IBM制造的計(jì)算系統(tǒng)只包含五個(gè)量子比特,無(wú)法替代當(dāng)前的個(gè)人計(jì)算機(jī)。但是在不遙遠(yuǎn)的未來(lái),這臺(tái)機(jī)器將擴(kuò)展成擁有數(shù)百個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī),能夠以高于當(dāng)今計(jì)算機(jī)的速度運(yùn)行各種不同的算法。能夠以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)今計(jì)算機(jī)的速度執(zhí)行任何任務(wù)。未來(lái)一塊紐扣大小量子計(jì)算機(jī)的算力甚至能夠超過(guò)地球上所有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算力之和。
雖然可見的時(shí)間內(nèi),量子計(jì)算機(jī)或許都難以得到真正個(gè)人化應(yīng)用,也沒法進(jìn)行常規(guī)運(yùn)算,只是作為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的一個(gè)補(bǔ)充。但是誰(shuí)知道呢,想到那個(gè)曾經(jīng)只能軍用如此笨拙、無(wú)人相信能夠走進(jìn)個(gè)人生活的通用計(jì)算機(jī),卻走進(jìn)了千家萬(wàn)戶。
如果實(shí)現(xiàn),在那時(shí),摩爾定律統(tǒng)治了半個(gè)世紀(jì)的時(shí)代將會(huì)結(jié)束,新的篇章將會(huì)開啟。