摩爾定律將死，進入應用為王的時代

　　本月正是摩爾定律發(fā)表50周年，整整半個世紀。本月的IEEE Spectrum發(fā)表四篇文章是關于摩爾定律的。其中一篇的題目叫“Moore’s Law is Dying (and That Could Be Good)”。都是說摩爾定律不可能繼續(xù)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(shù)增加了1倍，Gordon Moore于是預言這一趨勢近期內(nèi)將繼續(xù)。1975年他修改為每兩年翻一翻，后來又說是18個月，或者說按指數(shù)律增長，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。摩爾預言了一個光輝的未來，改變了世界。這樣高速的增長在其他產(chǎn)業(yè)是見不到的。美國的主糧玉米從1950年以后平均產(chǎn)量每年增長2%，蒸汽渦輪式發(fā)電機把熱能轉換為電能，其效率在20世紀年增長率為1.5%，而1881-2014室內(nèi)燈光有效性(流明每瓦)年平均增長2.6%，而室外為3.1%。1900年洲際旅行用遠洋客輪每小時走35公里，而1958年用波音707每小時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年的特殊高速增長是特例，以后不可能保持的。這并不奇怪!

　　當元件越來越小、越來越密、越來越快、越來越便宜，增加了功耗，切割了許多產(chǎn)品和服務的成本，特別是計算機和數(shù)字相機，也包括發(fā)光二極管和光電管，這是電子、光和太陽能時代的革命。但是，這個革命有福也有禍，由于對技術進步高度預期的非預期效應，人們相信技術進步將很快催生自駕駛電動汽車、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間并沒有引領人類文明的技術進步。現(xiàn)代生活依賴于許多過程，有待改進，特別是食物和能量的生產(chǎn)和人貨的運輸。許多歷史數(shù)據(jù)說明這現(xiàn)實，譬如晶體管的第一個商業(yè)應用是1952年的助聽器，微處理器占據(jù)著整個20世紀，甚至更長。晶體管數(shù)是翻倍了，但應用并沒有翻倍。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(nèi)還列了科研題目，如何繼續(xù)保持摩爾定律有效?我那時就想，我們和摩爾不沾親、不帶故，他的定律死了有什么了不起?摩爾定律不是一個科學定律，而是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個預言，一定有時效性。集成度增加以后，漏電流增加，散熱問題大，時鐘頻率增長減慢，無法提高。線寬到2020-2030約為5納米，相當于10個硅原子的空間。10+年前Roadmap預計線寬可到7納米，現(xiàn)在又說可以到5納米。不管怎么樣，總會有物理極限。

　　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(shù)已經(jīng)不是一個問題。就像原來住平房，由一間屋變成兩間屋，你覺得是翻了一翻的改進，舒服多了?？墒?，現(xiàn)在給你蓋一個100層的大樓，你會覺得：我拿這么多房子干什么?無法安排。貪官要29套房子有什么用?集成電路芯片里面，門數(shù)足夠多，你就不知道用這些邏輯干什么。于是，前幾年，出現(xiàn)了多核處理器，一個芯片上多做一些CPU，也許能提高利用率。但是，這些CPU并行不起來，就出現(xiàn)了黑硅的問題，許多晶體管沒有用，白消耗著電源?，F(xiàn)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，沒有了摩爾定律，對發(fā)展中小企業(yè)有利。過去集成電路生產(chǎn)講究大批量，壟斷性的技術，小公司要想和壟斷的大公司競爭，基本不太可能。現(xiàn)在，集成電路要專用化，就是針對一個特定的應用，設計生產(chǎn)適合自己需要的芯片。由于芯片生產(chǎn)已經(jīng)不成問題，問題在產(chǎn)品。所以，集成電路的種類會越來越多，要在各種應用上下功夫。這就引出了產(chǎn)品智能化的問題。如果過去是一級智能，就像下象棋車不要往炮眼上走。這是一級智能，就是機器能看到當前的這一步?，F(xiàn)在要搞二級智能，就是說要看到這一步可能使對方抓我的車，而我的車又無路可走。這就看到了兩步。當然，更高的智能能夠看很多步，甚至可以和著名棋手對壘。這是智能，但不是人工智能?，F(xiàn)在我國開始宣揚人工智能與腦科學。其實，人工智能和腦科學不是一碼事。人工智能搞了幾十年，沒搞出什么名堂。現(xiàn)在是要在應用系統(tǒng)里面加智能。Arduino軟硬件平臺不追求每天一個型號，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放標準。另一個例子是中國的山寨手機，它對性能和CPU技術并不敏感。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(tǒng)將回出現(xiàn)。

　　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，促進維修業(yè)的發(fā)展。小公司可以少花精力在硬件上，就像開源軟件一樣用開源硬件。FPGA可能會更受歡迎。CPU芯片只要有一個故障，整個CPU就不能用，而FPGA不是，你可以避開故障點，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。開源硬件運動會進一步深化?，F(xiàn)在生產(chǎn)開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。雖然近年來開源硬件有了大的發(fā)展，而且美國還成立了開源研究協(xié)會。中國的山寨手機也引起了國際關注，他們就用拼音“shanzhai”，這是小公司崛起的一條路子。