本文作者Thomas秦，文章來源【硬報(bào)紙】：有硬度、有深度，智能硬件領(lǐng)域獨(dú)立思考者
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 沒有摩爾定律，就沒有蓋茨、喬布斯、扎克伯格。
我們曾經(jīng)理所當(dāng)然地以為，科技的高速發(fā)展就和天朝GDP一樣，是永不止步的。直到它減速放緩，我們才突然意識到，任何免費(fèi)午餐都有完結(jié)的那天。
在半導(dǎo)體行業(yè)，隨著制程突破10nm的里程碑，傳統(tǒng)芯片工藝已經(jīng)遭遇瓶頸，摩爾定律在不久的未來即將失效。面對摩爾定律，即使Intel自己，也束手無策。
恐怕以后，你不能像從前那樣，每年換新機(jī)了。
面對摩爾定律
一切要從半個多世紀(jì)前的一場講座說起。
1960年，賓夕法尼亞大學(xué)舉行的國際固態(tài)電路大會上，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，元器件的運(yùn)行速度將不斷加快，功耗和制造成本反而隨之下降。
說者無心，聽者有意。當(dāng)時(shí)臺下的聽眾之一，就是年僅31歲的戈登?摩爾(Gordon Moore)。5年后，摩爾在《電子》雜志發(fā)表了一篇只有3頁的文章，卻成為半導(dǎo)體歷史上最重要的論文。文中，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)，集成電路上的晶體管數(shù)目，將以每18個月翻一番的速度穩(wěn)定增長。
這就是半導(dǎo)體行業(yè)第一定律：摩爾定律。摩爾定律對半導(dǎo)體工業(yè)的預(yù)言的準(zhǔn)確性，超出了任何一個經(jīng)濟(jì)學(xué)家在任何一個工業(yè)領(lǐng)域里的預(yù)言。就連摩爾自己，都沒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，摩爾定律不是物理定律，而是市場機(jī)遇。只要不斷縮小晶體管，提高集成度，芯片就能保持一兩年翻一番的指數(shù)增長；只要發(fā)展速度保持指數(shù)增長，很快芯片成本就能降到普通人都用的起、性能強(qiáng)大到無所不能、功耗低到可以裝在任何設(shè)備上——那么開發(fā)出最創(chuàng)新的芯片，就能開創(chuàng)這個時(shí)代最偉（zhuan）大（qian）的事業(yè)。
后面的故事，想必大家都知道了。1968年，摩爾帶著好基友諾伊斯“叛逃”仙童公司自立門戶，創(chuàng)立了Intel。在Intel的40多年間，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，又找來“偏執(zhí)狂”格魯夫做公司管理，三個火槍手把Intel處理器裝進(jìn)了全球幾十億臺PC機(jī)，讓兩三個人的創(chuàng)業(yè)公司，成長為千億級的上市公司。
說句題外話：這么多年過去，摩爾還記得那場改變命運(yùn)的講座嗎？還記得那個啟發(fā)自己的演講者嗎？
作為啟發(fā)了摩爾定律的人、一個不亞于摩爾的天才，恩格爾巴特自己卻命運(yùn)多舛。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”，1967年發(fā)明鼠標(biāo)，1968年演示了人類有史以來第一次在線視頻會議，1969年建立了現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的前身阿帕網(wǎng)（ARPANet）。如果歷史真能按照恩哥的節(jié)奏發(fā)展下去，人類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，在終極目標(biāo)近在眼前時(shí)，ARC內(nèi)部有人對前景產(chǎn)生了質(zhì)疑。１９７５年， ARPA停止了對ARC的資助，沒有錢，小伙伴們紛紛作鳥獸散，最后只剩恩哥一個光桿司令，帶領(lǐng)一堆機(jī)器孤軍奮戰(zhàn)。
2005年，80歲的恩格爾巴特對記者說，回首當(dāng)年，“沒人愿意為自己的研究投資，甚至沒有人愿意跟自己對話”。
然而今天我們發(fā)現(xiàn)，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：辦公自動化、個人電腦、超文本協(xié)議、開源代碼協(xié)作……“現(xiàn)在我們終于明白了他想要做什么了?！?/p>
恩格爾巴特最大的悲劇在于，他比時(shí)代超前了足足20多年。1968年，當(dāng)他在舊金山演示計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、視頻會議、交互式圖形界面和鼠標(biāo)時(shí)，微軟還沒成立，喬布斯還在上中學(xué)。
1979年冬天，當(dāng)24歲的喬布斯宿命般地走進(jìn)施樂PARC研究中心，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）、局域網(wǎng)（Ethernet）。就連PARC團(tuán)隊(duì)自身，也來源于ARC解散后的原班人馬。當(dāng)時(shí)，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太在意。而僅僅是圖形界面，就讓他醞釀出了一場計(jì)算機(jī)革命。
直到1983年， 蘋果的新機(jī)型Lisa發(fā)布時(shí)，問世已20年的鼠標(biāo)終于獲得大規(guī)模的商業(yè)成功。1987年，蘋果買下鼠標(biāo)專利，付給恩格爾巴特專利轉(zhuǎn)讓費(fèi)——1萬美元。你沒看錯，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，人機(jī)交互之父，科技產(chǎn)品發(fā)布會之父，摩爾和喬布斯背后的男人，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，并沒有直接關(guān)系。
然而，這位啟發(fā)了一個時(shí)代的天才，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。晶體管越小，芯片集成度越高，不僅性能越強(qiáng)，而且成本和功耗不增反降。越小、越快、越便宜，賣的用戶越多，賺錢越多。
要想延續(xù)摩爾定律不斷把芯片做小，就必須在制造工藝上下大功夫。所以，Intel不僅是地球上最強(qiáng)大的芯片設(shè)計(jì)公司，還擁有當(dāng)今最先進(jìn)的芯片工廠。設(shè)計(jì)與工藝相得益彰，成就了Intel在PC時(shí)代的霸主地位。
在2014年Broadwell架構(gòu)之前，Intel一直嚴(yán)格遵循Tick-Tock戰(zhàn)略周期，在奇數(shù)年的“Tick”階段代表著CPU芯片制程的飛躍；偶數(shù)年的“Tock”代表著處理器的架構(gòu)升級。
然而，這一戰(zhàn)略正在由于工藝難度的逐年提升而放緩。Intel 2017年才會發(fā)布10nm制程芯片，取代自2015年延續(xù)至今的14nm芯片。2014~2016年期間，14nm制程已經(jīng)沿用了三代CPU。在2017年到2019年，10nm仍將沿用三代。自從14nm開始，Tick-Tock的周期已經(jīng)從兩年延長到了兩年半。
2017年發(fā)布新制程10nm的計(jì)劃，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。進(jìn)入到14nm之后，Intel不得不把Tick-Tock變成Tick-Tock-Tock，而這第二個“Tock”也并非巨大的微架構(gòu)更新。
? 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，如果在5nm節(jié)點(diǎn)上硅仍然是一個可行的微處理器材料，那么Intel將于2020年開始研發(fā)5nm制程的芯片，最早將于2022年才會上市。
當(dāng)Intel研發(fā)周期放緩時(shí)，臺積電正躍躍欲試。按照臺積電此前公開的戰(zhàn)略規(guī)劃，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)，臺積電揚(yáng)眉吐氣的時(shí)候不遠(yuǎn)了——這回終于領(lǐng)先老對手好幾年！
然而無論是Intel還是臺積電都不確定，5nm工藝的下一步是什么。5nm已經(jīng)逼近了摩爾定律的物理極限，再小幾乎不可能。
其實(shí)在半個世紀(jì)中，摩爾定律曾屢次遭遇瓶頸。例如上世紀(jì)90年代，奔騰四制程突破100納米時(shí)，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。直到2000年，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。
但是這一次，狼恐怕是真的來了。盡管目前Intel、三星、臺積電等半導(dǎo)體巨頭都公認(rèn)，在5nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)之上，不會遇到根本性的困難，然而當(dāng)集成電路繼續(xù)縮小到極限，進(jìn)入量子力學(xué)主導(dǎo)的微觀世界中，僅由數(shù)個分子構(gòu)成的晶體管將無法正常工作。盡管工程師用盡各種設(shè)計(jì)巧思，渡過一次又一次危機(jī)，但是大家都心知肚明，撞上最后那堵墻只是時(shí)間問題。
而時(shí)間，真的已經(jīng)不多了。
也束手無策？
嚴(yán)格意義上說，就算100年后的計(jì)算機(jī)性能仍然能夠指數(shù)式增長，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，在芯片上集成更高密度的元器件，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，在這個由原子組成的世界里，“縮小”是有極限的。
5nm是當(dāng)前技術(shù)條件下的制程極限，一個晶體管只有10個原子大小。就算繼續(xù)變小，晶體管也不可能比1個原子還小，因?yàn)椴⒉淮嬖诎雮€原子。預(yù)計(jì)到2020年之后，要想繼續(xù)提高性能，靠“縮小”已經(jīng)無能為力，只得另覓他途。目前，距離我們榨干摩爾定律的潛能，只有不到10年的時(shí)間了。
短期方案：新半導(dǎo)體材料
目前，芯片中的晶體管是用硅元素制成的，如果用砷化鎵(GaAs)、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。
采用新材料做CPU，有望使芯片性能提高4~8倍，不過很快也會遭遇與硅晶體管相同的制程極限。
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），再將石墨烯卷成管狀，就是所謂碳納米管。碳納米管也是半導(dǎo)體，電學(xué)特性與硅晶體管類似，因而成為次世代材料的寵兒。
2015年，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，開關(guān)速度比目前最好的芯片快上1000倍。但是，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。事實(shí)上，在一個處理器幾十億的晶體管中，傳輸速度的優(yōu)化是一個系統(tǒng)工程，不起眼的電容、電感帶來的信號延遲可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1000倍門開關(guān)速度省下來的那幾皮秒。除非其他配套的技術(shù)同時(shí)突破，否則處理器性能最多只有數(shù)倍的提升。
最令人蛋疼的是，碳納米管量產(chǎn)極為困難。目前已量產(chǎn)化的單層碳納米管粉末，售價(jià)400多元人民幣/克，而這不過是最基礎(chǔ)的碳納米管原料，只能摻到電池里增加導(dǎo)電性用（被炒作為“石墨烯電池”）。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。
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，量子計(jì)算機(jī)使用的量子比特（QuBit）是在兩個邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，可以同時(shí)存儲0和1。經(jīng)典存儲器只能存儲2^N個數(shù)據(jù)中的某一個值，而量子存儲器可以同時(shí)存儲2^N個。由250個原子構(gòu)成的250量子比特存儲器，容量高達(dá)2^250比特，比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多。利用量子相干態(tài)可以進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算，理論上可以超過現(xiàn)役超級計(jì)算機(jī)百億億倍。
十年前，在量子計(jì)算在理論上證明可行的早期階段，大家感到未來一片光明，人人都感染上了“信量子，得永生”的激情。我還記得本科上量子力學(xué)的第一天，教授兩眼放光地說：將來有了量子計(jì)算機(jī)，我們現(xiàn)在這些電腦都要扔到廁所里去！當(dāng)時(shí)我就震驚了：廁所是您扔垃圾的地方嗎？計(jì)算機(jī)系的版本則是：教算法的導(dǎo)師說，等到有了量子計(jì)算機(jī)，我就下崗了，因?yàn)槟菚r(shí)全世界只剩下一種算法——窮舉。
然而現(xiàn)實(shí)比預(yù)期總是殘酷百倍，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，可是從量子計(jì)算得到證明的1994年至2014年，最多也只做到14個量子比特。而且每增加一個量子比特，其工程難度便呈指數(shù)級增長。
2007年，加拿大D-Wave公司橫空出世，推出了128比特的商用量子計(jì)算機(jī)，在2012年的二代產(chǎn)品D-Wave Two號稱擁有512個量子比特，一度讓人浮想聯(lián)翩。然而實(shí)際上，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)，但沒有用到真正的量子疊加性、相干性進(jìn)行計(jì)算。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?D—Wave量子計(jì)算機(jī)
而且，D-Wave只是一個專用計(jì)算機(jī)，只能計(jì)算“量子退火”的優(yōu)化問題。其它超級計(jì)算機(jī)也能進(jìn)行這種計(jì)算，速度甚至比D-wave Two還要快。D-Wave至今只賣出了兩臺量子計(jì)算機(jī)，每臺售價(jià)1000萬美元；一臺賣給了Google，一臺賣給洛克希德?馬丁。
雖然短期內(nèi)不一定指望得上，但是量子計(jì)算機(jī)無疑已成決勝未來30~50年的兵家必爭之地。2013年，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，IBM宣布未來5年投資30億美元用于量子計(jì)算研究；2015年，阿里云與中科院建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，計(jì)劃用持續(xù)15年的資金支持，在10年內(nèi)做出50個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”的8~10倍。
摩爾時(shí)代的終結(jié)
我們都知道，就算幾年后摩爾定律退休，科技發(fā)展也不會就此原地踏步。不過究竟哪種方案能取代摩爾定律，成就下一個計(jì)算機(jī)時(shí)代的神話，目前還沒人能說得準(zhǔn)。在此之前，半導(dǎo)體科技可能會經(jīng)歷一段青黃不接的大規(guī)模轉(zhuǎn)型期。說到底，還是因?yàn)槲覀冎疤^于依賴摩爾了。
大多數(shù)人可能沒有意識到，如果沒有當(dāng)年的摩爾定律，現(xiàn)在這個世界很可能會是完全不同的面貌。上世紀(jì)70年代，人們最期待的未來黑科技是原子能和太空技術(shù)。萬萬沒想到，摩爾定律強(qiáng)勢插入，驅(qū)動了半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)半個世紀(jì)的崛起；正是這樣的時(shí)代，造就了比爾·蓋茨、喬布斯、扎克伯格。人類沒能打太空飛的去移民火星，卻攀上了另一支信息科技樹。
摩爾定律開啟了一個奇跡般的時(shí)代，而它的結(jié)束，將迎來一個更不可思議的未來。離開了熟悉的摩爾，沒法依賴工藝進(jìn)步了，才會逼得我們掉過頭去死磕碳納米管、量子計(jì)算這樣的硬骨頭，說不定真正改變世界的大發(fā)現(xiàn)就在后頭呢。
這是摩爾時(shí)代的終結(jié)。
也是未來無限可能的開端。
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