當(dāng)工程師戈登·摩爾提出摩爾定律的時(shí)候，電腦還像冰箱那樣笨重。然而，這條定律最終成為了整個(gè)硅谷的基石。以新 CPU 的發(fā)明年份為橫軸，CPU 可容納晶體管數(shù)目的對(duì)數(shù)為縱軸作圖，所有的點(diǎn)近似成一條直線，意味著晶體管數(shù)目隨年份呈指數(shù)變化，每?jī)赡攴环?/p>
硅谷 50 年：摩爾的奇跡
當(dāng)工程師戈登·摩爾提出摩爾定律的時(shí)候，電腦還像冰箱那樣笨重。然而，這條定律最終成為了整個(gè)硅谷的基石。
摩爾當(dāng)時(shí) 36 歲，是仙童半導(dǎo)體公司的研發(fā)主管。他在一本行業(yè)雜志上發(fā)表了篇文章，稱在未來(lái)的 10 年內(nèi)計(jì)算機(jī)芯片的復(fù)雜度每年都會(huì)翻一番，而不需要附加成本。1975 年，根據(jù)工業(yè)的研究進(jìn)展，他把自己的預(yù)測(cè)更改為每?jī)赡攴环?/p>
而在這過(guò)去的 50 年中，芯片制造商大量涌現(xiàn)，整個(gè)硅谷由此而生，無(wú)疑是對(duì)他的話的最好證明。
“摩爾定律就是硅谷的脈搏，它帶領(lǐng)著硅谷以史詩(shī)般的速度前進(jìn)，并成為全世界的先驅(qū)。”技術(shù)顧問(wèn) Rob Enderle 如是說(shuō)。
摩爾的預(yù)測(cè)迅速地變成了芯片公司們的金科玉律：忽視摩爾定律的公司紛紛被淘汰，緊隨它的公司則越來(lái)越強(qiáng)大富有——摩爾本人參與建立的英特爾公司（Intel）就是其中之首。
多虧有了摩爾定律，我們今天才能把智能手機(jī)放在口袋或錢包里，今天智能手機(jī)的性能比 1965-1995 年里最大的電腦還要強(qiáng)勁。沒有摩爾定律就沒有超薄筆記本電腦，也不可能產(chǎn)生足以繪制整個(gè)基因組、或是設(shè)計(jì)復(fù)雜藥物的高性能計(jì)算機(jī)。流媒體視頻、社交媒體、搜索功能、云——沒有摩爾定律，這些都不可能產(chǎn)生。
“摩爾定律是整個(gè)信息時(shí)代的驅(qū)動(dòng)力，”著名高速存儲(chǔ)器生產(chǎn)開發(fā)商蘭巴斯公司的首席科學(xué)家 Craig Hampel 說(shuō)，“沒有摩爾定律，就沒有如今廉價(jià)的處理器，如今硅谷 99% 的公司也就不會(huì)存在了。”
要么跟隨摩爾定律，要么就死
1964 年，《電子學(xué)》雜志邀請(qǐng)摩爾為他們 1965 年 4 月刊寫一篇文章，討論集成電路的未來(lái)。
集成電路是承載著很多小“開關(guān)”（即晶體管）的硅片，它是數(shù)字時(shí)代的基本構(gòu)件。集成電路上能承載的晶體管越多，就意味著它們的性能越好。
摩爾觀察了半導(dǎo)體制造業(yè)中晶體管逐漸小型化的趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)每隔固定的一段時(shí)間集成電路上的晶體管數(shù)目就能加倍。他找了張坐標(biāo)紙，畫了一條線代表每張芯片上晶體管的數(shù)量，這條線像導(dǎo)彈一樣直升而上，在至少 10 年內(nèi)每年都能翻番。
在那一瞬間他明白了接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么，哪怕別的人對(duì)此還無(wú)知無(wú)覺。
在文章中他寫道：“集成電路會(huì)帶來(lái)一系列的奇跡：家用計(jì)算機(jī)（或者是連接到中央計(jì)算機(jī)的終端）、汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)，以及便攜的通訊設(shè)備。”
加州理工學(xué)院教授 Carver Mead 把這條定律命名為摩爾定律。隨著各大公司爭(zhēng)相生產(chǎn)最強(qiáng)勁的芯片，摩爾定律逐漸成了鑒定芯片公司能否存活的標(biāo)志：要么每年把芯片上的晶體管數(shù)提高一倍，要么就死。
如今已 86 歲的摩爾在接受英特爾公司的采訪時(shí)說(shuō)：“一開始我只是想記錄一下集成電路的發(fā)展歷史，沒想到它漸漸受到業(yè)內(nèi)各大公司認(rèn)可，每個(gè)公司都得想辦法達(dá)到這樣的速度，落后就要挨打。”
摩爾定律也降低了電子設(shè)備的價(jià)格。隨著科技的進(jìn)步，把越來(lái)越多的晶體管做到芯片里也不再昂貴。若非如此，現(xiàn)在集成電路也只是軍方和有錢人才能擁有的產(chǎn)品。英特爾的第一代微處理器（又叫單片機(jī)）包含 2 300 個(gè)晶體管，價(jià)格超過(guò) 500 美元；而現(xiàn)在的英特爾酷睿 i5 處理器包含超過(guò) 10 億個(gè)晶體管，價(jià)格才 276 美元。
“那才是我的真正目標(biāo)：告訴大家我們的技術(shù)能讓電子設(shè)備越來(lái)越便宜。”摩爾說(shuō)。
而摩爾定律所涉及的領(lǐng)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止個(gè)人科技產(chǎn)品。
“摩爾定律最神奇之處并不是它帶來(lái)了 iPhone，”加州圣克拉拉市 VLSI Research 公司的G. Dan Hutcheson 說(shuō)，“在最近的 20 年里，每開發(fā)出一種新藥都需要計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)分子進(jìn)行模擬。如果沒有計(jì)算技術(shù)的幫助，我們絕無(wú)可能合成這么多藥物，DNA 分析、基因組學(xué)也都不會(huì)存在——你根本就沒法做基因檢測(cè)。這一切歸根結(jié)底都是晶體管的功勞。”
Hutcheson 認(rèn)為，摩爾的這個(gè)預(yù)測(cè)并不僅僅是一個(gè)“自我實(shí)現(xiàn)的預(yù)言”。他已經(jīng)預(yù)見到隨著時(shí)間推移，光學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)會(huì)通力合作，在不提高附加成本的情況下把晶體管變得越來(lái)越小。
摩爾定律還能撐多久？
當(dāng)晶體管小到如今的程度，遵守摩爾定律就越來(lái)越困難了。
10 年之前，晶體管尺寸的縮小帶來(lái)了過(guò)熱的問(wèn)題，導(dǎo)致每一代新芯片出現(xiàn)時(shí)性能不再有顯著的提升了。對(duì)此，公司采取了“多核計(jì)算機(jī)”的方法來(lái)應(yīng)對(duì)，即往每臺(tái)電腦中裝多個(gè)處理器。
“很多人也開始在硅芯片上尋找其他新方法來(lái)提高性能，以延續(xù)摩爾定律的預(yù)言。”這是 IBM 阿爾馬登研究中心的科學(xué)技術(shù)主任 Spike Narayan 說(shuō)的。
在一年半之前，更糟糕的事情發(fā)生了：連接晶體管的導(dǎo)線越來(lái)越細(xì)，以至于它們的電阻過(guò)大，無(wú)法承載足夠的電流。Narayan 說(shuō)，“這可真是個(gè)大問(wèn)題。”
“所以現(xiàn)在的材料研究和創(chuàng)新才這么熱——大家都在尋找新的材料和結(jié)構(gòu)用來(lái)制造芯片呢。”
而阻擋摩爾定律的另外一個(gè)因素，就是芯片縮小，它們消耗的能量也隨之上升。“極光”（Aurora）超級(jí)計(jì)算機(jī)的首席設(shè)計(jì)師 Alan Gara 也說(shuō)：“我們最大的挑戰(zhàn)就是能效問(wèn)題。”該超級(jí)計(jì)算機(jī)是英特爾公司為芝加哥附近的阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室而造的。
英特爾表示，他們已經(jīng)找到一種新的途徑，以在接下來(lái)的 10 年里延續(xù)摩爾定律所預(yù)言的增長(zhǎng)。英特爾公司的資深研究者 Mark Bohr 說(shuō)，下一代處理器正處于“完整開發(fā)模式”，Bohr 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)正是決定每一代英特爾芯片如何制造的那一群人。Bohr 正在緊鑼密鼓開發(fā)的下一代芯片，其中的晶體管已經(jīng)縮小到了 7 納米——要知道人類頭發(fā)的平均直徑足有 25 000 納米。
加州大學(xué)伯克利分校的電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)家胡正明（Chenming Hu）說(shuō)，摩爾定律所預(yù)言的指數(shù)增長(zhǎng)到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)必定會(huì)放緩。他是一代晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的領(lǐng)軍人物，也為摩爾定律的延續(xù)作出了貢獻(xiàn)。
“公司為了掌握更高的市場(chǎng)份額、擊敗競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，必須要拼命把產(chǎn)品性能翻一番甚至翻兩番，這些都是可以理解的，也正是他們的努力使得電子產(chǎn)業(yè)取得了如此的高速發(fā)展。”胡正明說(shuō)，“然而，沒有哪一種指數(shù)增長(zhǎng)是可以一直延續(xù)下去的。”
胡正明表示，很可能從某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始，每?jī)赡攴环乃俣染蜁?huì)放緩到每四年到五年翻一番。
“而那可能是個(gè)更好的結(jié)果——與其燦爛無(wú)比又一閃而逝，穩(wěn)定而緩慢的增長(zhǎng)顯然是更好的。”
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