本文作者Thomas秦，文章來源【硬報紙】：有硬度、有深度，智能硬件領域獨立思考者
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 沒有摩爾定律，就沒有蓋茨、喬布斯、扎克伯格。
我們曾經理所當然地以為，科技的高速發展就和天朝GDP一樣，是永不止步的。直到它減速放緩，我們才突然意識到，任何免費午餐都有完結的那天。
在半導體行業，隨著制程突破10nm的里程碑，傳統芯片工藝已經遭遇瓶頸，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，每年換新機了。
面對摩爾定律
一切要從半個多世紀前的一場講座說起。
1960年，賓夕法尼亞大學舉行的國際固態電路大會上，35歲的計算機工程師道格拉斯?恩格爾巴特（Douglas Engelbart）提出了一個半導體領域突破性的idea——縮放原理(Scaling Principle)：縮小電路的尺寸，元器件的運行速度將不斷加快，功耗和制造成本反而隨之下降。
說者無心，聽者有意。當時臺下的聽眾之一，就是年僅31歲的戈登?摩爾(Gordon Moore)。5年后，摩爾在《電子》雜志發表了一篇只有3頁的文章，卻成為半導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一步量化，作出預言：今后數十年內，集成電路上的晶體管數目，將以每18個月翻一番的速度穩定增長。
這就是半導體行業第一定律：摩爾定律。摩爾定律對半導體工業的預言的準確性，超出了任何一個經濟學家在任何一個工業領域里的預言。就連摩爾自己，都沒想到這條金科玉律能延續近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增長；只要發展速度保持指數增長，很快芯片成本就能降到普通人都用的起、性能強大到無所不能、功耗低到可以裝在任何設備上——那么開發出最創新的芯片，就能開創這個時代最偉（zhuan）大（qian）的事業。
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，創立了Intel。在Intel的40多年間，主內的摩爾負責技術，主外的諾伊斯做戰略和模式，又找來“偏執狂”格魯夫做公司管理，三個火槍手把Intel處理器裝進了全球幾十億臺PC機，讓兩三個人的創業公司，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的講座嗎？還記得那個啟發自己的演講者嗎？
作為啟發了摩爾定律的人、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年發明鼠標，1968年演示了人類有史以來第一次在線視頻會議，1969年建立了現代互聯網的前身阿帕網（ARPANet）。如果歷史真能按照恩哥的節奏發展下去，人類將提前至少二十年進入互聯網時代。
然而70年代初，在終極目標近在眼前時，ARC內部有人對前景產生了質疑。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，帶領一堆機器孤軍奮戰。
2005年，80歲的恩格爾巴特對記者說，回首當年，“沒人愿意為自己的研究投資，甚至沒有人愿意跟自己對話”。
然而今天我們發現，我們所做的只是在不斷接近恩格爾巴特多年前的設想而已：辦公自動化、個人電腦、超文本協議、開源代碼協作……“現在我們終于明白了他想要做什么了。”
恩格爾巴特最大的悲劇在于，他比時代超前了足足20多年。1968年，當他在舊金山演示計算機網絡、視頻會議、交互式圖形界面和鼠標時，微軟還沒成立，喬布斯還在上中學。
1979年冬天，當24歲的喬布斯宿命般地走進施樂PARC研究中心，看到的正是恩格爾巴特的遺產：可視化圖形界面、面向對象的編程（Smalltalk）、局域網（Ethernet）。就連PARC團隊自身，也來源于ARC解散后的原班人馬。當時，喬布斯只是被圖形界面和鼠標吸引住了，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算機革命。
直到1983年， 蘋果的新機型Lisa發布時，問世已20年的鼠標終于獲得大規模的商業成功。1987年，蘋果買下鼠標專利，付給恩格爾巴特專利轉讓費——1萬美元。你沒看錯，這就是“鼠標之父”從這項發明中獲得的唯一收入。
恩格爾巴特：鼠標之父，人機交互之父，科技產品發布會之父，摩爾和喬布斯背后的男人，沃茲尼亞克最崇拜的偶像——其實他和本期硬報紙的主題，并沒有直接關系。
然而，這位啟發了一個時代的天才，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，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不僅是地球上最強大的芯片設計公司，還擁有當今最先進的芯片工廠。設計與工藝相得益彰，成就了Intel在PC時代的霸主地位。
在2014年Broadwell架構之前，Intel一直嚴格遵循Tick-Tock戰略周期，在奇數年的“Tick”階段代表著CPU芯片制程的飛躍；偶數年的“Tock”代表著處理器的架構升級。
然而，這一戰略正在由于工藝難度的逐年提升而放緩。Intel 2017年才會發布10nm制程芯片，取代自2015年延續至今的14nm芯片。2014~2016年期間，14nm制程已經沿用了三代CPU。在2017年到2019年，10nm仍將沿用三代。自從14nm開始，Tick-Tock的周期已經從兩年延長到了兩年半。
2017年發布新制程10nm的計劃，意味著持續近10年、如時鐘滴答般穩定的Tick-Tock節奏首次被打破。進入到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 (Tick)
? 2021 —— 7 nm 待研發 (Tock)
? 2022 —— 5 nm 待研發 (Tick)
Intel官方表示，如果在5nm節點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5nm制程的芯片，最早將于2022年才會上市。
當Intel研發周期放緩時，臺積電正躍躍欲試。按照臺積電此前公開的戰略規劃，在2016年末就能達到7nm技術節點，2020年達到5nm的技術節點，臺積電揚眉吐氣的時候不遠了——這回終于領先老對手好幾年！
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已經逼近了摩爾定律的物理極限，再小幾乎不可能。
其實在半個世紀中，摩爾定律曾屢次遭遇瓶頸。例如上世紀90年代，奔騰四制程突破100納米時，晶體管小型化導致了糟糕的性能。Intel與IBM不得不重新尋找提高晶體管性能的材料。直到2000年，在凝聚態物理學家們的幫助下引入應變硅技術（晶格拉伸時硅導電能力大幅提高），摩爾定律才又續命十幾載。
但是這一次，狼恐怕是真的來了。盡管目前Intel、三星、臺積電等半導體巨頭都公認，在5nm的技術節點之上，不會遇到根本性的困難，然而當集成電路繼續縮小到極限，進入量子力學主導的微觀世界中，僅由數個分子構成的晶體管將無法正常工作。盡管工程師用盡各種設計巧思，渡過一次又一次危機，但是大家都心知肚明，撞上最后那堵墻只是時間問題。
而時間，真的已經不多了。
也束手無策？
嚴格意義上說，就算100年后的計算機性能仍然能夠指數式增長，摩爾定律屆時也早已退休。因為摩爾定律是用縮小晶體管的思路，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成本降低。而基礎物理學告訴我們，在這個由原子組成的世界里，“縮小”是有極限的。
5nm是當前技術條件下的制程極限，一個晶體管只有10個原子大小。就算繼續變小，晶體管也不可能比1個原子還小，因為并不存在半個原子。預計到2020年之后，要想繼續提高性能，靠“縮小”已經無能為力，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年的時間了。
短期方案：新半導體材料
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構鋪成平面石墨烯（Graphene），再將石墨烯卷成管狀，就是所謂碳納米管。碳納米管也是半導體，電學特性與硅晶體管類似，因而成為次世代材料的寵兒。
2015年，斯坦福大學用3D晶體管技術設計的碳納米管芯片，開關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行速度也能快千倍。事實上，在一個處理器幾十億的晶體管中，傳輸速度的優化是一個系統工程，不起眼的電容、電感帶來的信號延遲可能遠遠大于1000倍門開關速度省下來的那幾皮秒。除非其他配套的技術同時突破，否則處理器性能最多只有數倍的提升。
最令人蛋疼的是，碳納米管量產極為困難。目前已量產化的單層碳納米管粉末，售價400多元人民幣/克，而這不過是最基礎的碳納米管原料，只能摻到電池里增加導電性用（被炒作為“石墨烯電池”）。至于10nm以下碳納米管制成的晶體管，至今仍只有頂尖實驗室才能制備。
終極方案：量子計算機
和傳統計算機的基本信息單位“比特”不同，量子計算機使用的量子比特（QuBit）是在兩個邏輯態0和1的相干疊加態，可以同時存儲0和1。經典存儲器只能存儲2^N個數據中的某一個值，而量子存儲器可以同時存儲2^N個。由250個原子構成的250量子比特存儲器，容量高達2^250比特，比現有已知的宇宙中全部原子數目還要多。利用量子相干態可以進行大規模并行計算，理論上可以超過現役超級計算機百億億倍。
十年前，在量子計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的第一天，教授兩眼放光地說：將來有了量子計算機，我們現在這些電腦都要扔到廁所里去！當時我就震驚了：廁所是您扔垃圾的地方嗎？計算機系的版本則是：教算法的導師說，等到有了量子計算機，我就下崗了，因為那時全世界只剩下一種算法——窮舉。
然而現實比預期總是殘酷百倍，量子計算機的技術實現困難重重。量子比特數量決定了量子計算機的運算能力，可是從量子計算得到證明的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比特的商用量子計算機，在2012年的二代產品D-Wave Two號稱擁有512個量子比特，一度讓人浮想聯翩。然而實際上，D-Wave并非真正的量子計算機。它的確運用了“量子隧穿”的量子效應，但沒有用到真正的量子疊加性、相干性進行計算。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?D—Wave量子計算機
而且，D-Wave只是一個專用計算機，只能計算“量子退火”的優化問題。其它超級計算機也能進行這種計算，速度甚至比D-wave Two還要快。D-Wave至今只賣出了兩臺量子計算機，每臺售價1000萬美元；一臺賣給了Google，一臺賣給洛克希德?馬丁。
雖然短期內不一定指望得上，但是量子計算機無疑已成決勝未來30~50年的兵家必爭之地。2013年，谷歌與NASN加州大學圣巴巴拉分校聯合成立量子人工智能實驗室；2014年，IBM宣布未來5年投資30億美元用于量子計算研究；2015年，阿里云與中科院建立聯合實驗室，計劃用持續15年的資金支持，在10年內做出50個量子比特的通用量子計算機，速度相當于超算“天河二號”的8~10倍。
摩爾時代的終結
我們都知道，就算幾年后摩爾定律退休，科技發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，成就下一個計算機時代的神話，目前還沒人能說得準。在此之前，半導體科技可能會經歷一段青黃不接的大規模轉型期。說到底，還是因為我們之前太過于依賴摩爾了。
大多數人可能沒有意識到，如果沒有當年的摩爾定律，現在這個世界很可能會是完全不同的面貌。上世紀70年代，人們最期待的未來黑科技是原子能和太空技術。萬萬沒想到，摩爾定律強勢插入，驅動了半導體、計算機、互聯網持續半個世紀的崛起；正是這樣的時代，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代，而它的結束，將迎來一個更不可思議的未來。離開了熟悉的摩爾，沒法依賴工藝進步了，才會逼得我們掉過頭去死磕碳納米管、量子計算這樣的硬骨頭，說不定真正改變世界的大發現就在后頭呢。
這是摩爾時代的終結。
也是未來無限可能的開端。
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