摩爾定律將死，進(jìn)入應用為王的時(shí)代

　　本月正是摩爾定律發(fā)表50周年，整整半個(gè)世紀。本月的IEEE Spectrum發(fā)表四篇文章是關(guān)于摩爾定律的。其中一篇的題目叫“Moore’s Law is Dying (and That Could Be Good)”。都是說(shuō)摩爾定律不可能繼續下去了。也觸發(fā)了本人的一些想法。

　　1965年微芯片上的元件數增加了1倍，Gordon Moore于是預言這一趨勢近期內將繼續。1975年他修改為每?jì)赡攴环?，后?lái)又說(shuō)是18個(gè)月，或者說(shuō)按指數律增長(cháng)，每年46%。這就是摩爾定律。摩爾定律預言了半導體產(chǎn)業(yè)50年的發(fā)展。摩爾預言了一個(gè)光輝的未來(lái)，改變了世界。這樣高速的增長(cháng)在其他產(chǎn)業(yè)是見(jiàn)不到的。美國的主糧玉米從1950年以后平均產(chǎn)量每年增長(cháng)2%，蒸汽渦輪式發(fā)電機把熱能轉換為電能，其效率在20世紀年增長(cháng)率為1.5%，而1881-2014室內燈光有效性(流明每瓦)年平均增長(cháng)2.6%，而室外為3.1%。1900年洲際旅行用遠洋客輪每小時(shí)走35公里，而1958年用波音707每小時(shí)885公里，平均每年提高5.6%，但這速度基本保持不變，即使是波音787也和707差不多。1973-2014汽車(chē)的燃油的換能效率年平均提高2.5%。所以，半導體產(chǎn)業(yè)這50年的特殊高速增長(cháng)是特例，以后不可能保持的。這并不奇怪!

　　當元件越來(lái)越小、越來(lái)越密、越來(lái)越快、越來(lái)越便宜，增加了功耗，切割了許多產(chǎn)品和服務(wù)的成本，特別是計算機和數字相機，也包括發(fā)光二極管和光電管，這是電子、光和太陽(yáng)能時(shí)代的革命。但是，這個(gè)革命有福也有禍，由于對技術(shù)進(jìn)步高度預期的非預期效應，人們相信技術(shù)進(jìn)步將很快催生自駕駛電動(dòng)汽車(chē)、特超音速飛機、私人定制的癌癥治療、心臟和腎臟的3D打印，世界將從石化到再生能源。但是，晶體管翻倍的這段時(shí)間并沒(méi)有引領(lǐng)人類(lèi)文明的技術(shù)進(jìn)步?，F代生活依賴(lài)于許多過(guò)程，有待改進(jìn)，特別是食物和能量的生產(chǎn)和人貨的運輸。許多歷史數據說(shuō)明這現實(shí)，譬如晶體管的第一個(gè)商業(yè)應用是1952年的助聽(tīng)器，微處理器占據著(zhù)整個(gè)20世紀，甚至更長(cháng)。晶體管數是翻倍了，但應用并沒(méi)有翻倍。所以，摩爾定律死了，不必沮喪，下面有下面發(fā)展的路子。

　　若干年前，國內還列了科研題目，如何繼續保持摩爾定律有效?我那時(shí)就想，我們和摩爾不沾親、不帶故，他的定律死了有什么了不起?摩爾定律不是一個(gè)科學(xué)定律，而是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)預言，一定有時(shí)效性。集成度增加以后，漏電流增加，散熱問(wèn)題大，時(shí)鐘頻率增長(cháng)減慢，無(wú)法提高。線(xiàn)寬到2020-2030約為5納米，相當于10個(gè)硅原子的空間。10+年前Roadmap預計線(xiàn)寬可到7納米，現在又說(shuō)可以到5納米。不管怎么樣，總會(huì )有物理極限。

　　在這種情況下，我們應該怎么辦?首先，我們應該看到，當今的集成電路晶體管數已經(jīng)不是一個(gè)問(wèn)題。就像原來(lái)住平房，由一間屋變成兩間屋，你覺(jué)得是翻了一翻的改進(jìn)，舒服多了?？墒?，現在給你蓋一個(gè)100層的大樓，你會(huì )覺(jué)得：我拿這么多房子干什么?無(wú)法安排。貪官要29套房子有什么用?集成電路芯片里面，門(mén)數足夠多，你就不知道用這些邏輯干什么。于是，前幾年，出現了多核處理器，一個(gè)芯片上多做一些CPU，也許能提高利用率。但是，這些CPU并行不起來(lái)，就出現了黑硅的問(wèn)題，許多晶體管沒(méi)有用，白消耗著(zhù)電源?，F在這方面的研究還有，但基本是小修小改，走不出摩爾定律的泥潭。其次，沒(méi)有了摩爾定律，對發(fā)展中小企業(yè)有利。過(guò)去集成電路生產(chǎn)講究大批量，壟斷性的技術(shù)，小公司要想和壟斷的大公司競爭，基本不太可能?，F在，集成電路要專(zhuān)用化，就是針對一個(gè)特定的應用，設計生產(chǎn)適合自己需要的芯片。由于芯片生產(chǎn)已經(jīng)不成問(wèn)題，問(wèn)題在產(chǎn)品。所以，集成電路的種類(lèi)會(huì )越來(lái)越多，要在各種應用上下功夫。這就引出了產(chǎn)品智能化的問(wèn)題。如果過(guò)去是一級智能，就像下象棋車(chē)不要往炮眼上走。這是一級智能，就是機器能看到當前的這一步?，F在要搞二級智能，就是說(shuō)要看到這一步可能使對方抓我的車(chē)，而我的車(chē)又無(wú)路可走。這就看到了兩步。當然，更高的智能能夠看很多步，甚至可以和著(zhù)名棋手對壘。這是智能，但不是人工智能?，F在我國開(kāi)始宣揚人工智能與腦科學(xué)。其實(shí)，人工智能和腦科學(xué)不是一碼事。人工智能搞了幾十年，沒(méi)搞出什么名堂?，F在是要在應用系統里面加智能。Arduino軟硬件平臺不追求每天一個(gè)型號，還在用2005年的硬件，反而使其培育了深層根基，他們欣賞硬件附件的開(kāi)放標準。另一個(gè)例子是中國的山寨手機，它對性能和CPU技術(shù)并不敏感。所以，它可以保持芯片不變，而在智能上創(chuàng )新，取得收益。這就給創(chuàng )新提供了足夠的空間，更多的各種各樣的智能應用系統將回出現。

　　大量直接面向應用的芯片要求產(chǎn)品的標準化。手機的標準化，部件可以互換，促進(jìn)維修業(yè)的發(fā)展。小公司可以少花精力在硬件上，就像開(kāi)源軟件一樣用開(kāi)源硬件。FPGA可能會(huì )更受歡迎。CPU芯片只要有一個(gè)故障，整個(gè)CPU就不能用，而FPGA不是，你可以避開(kāi)故障點(diǎn)，而且可重構。所以，可編程的多核處理器和可重構的FPGA更有希望。開(kāi)源硬件運動(dòng)會(huì )進(jìn)一步深化?，F在生產(chǎn)開(kāi)源硬件的公司比較少，他們只對改制、修改、提高提供足夠的文檔和許可，而制作他們自己的裝置。雖然近年來(lái)開(kāi)源硬件有了大的發(fā)展，而且美國還成立了開(kāi)源研究協(xié)會(huì )。中國的山寨手機也引起了國際關(guān)注，他們就用拼音“shanzhai”，這是小公司崛起的一條路子。