本文作者Thomas秦，文章来源【硬报纸】：有硬度、有深度，智能硬件领域独立思考者
没有摩尔定律，就没有盖茨、乔布斯、扎克伯格。
我们曾经理所当然地以为，科技的高速发展就和天朝GDP一样，是永不止步的。直到它减速放缓，我们才突然意识到，任何免费午餐都有完结的那天。
在半导体行业，随着制程突破10nm的里程碑，传统芯片工艺已经遭遇瓶颈，摩尔定律在不久的未来即将失效。面对摩尔定律，即使Intel自己，也束手无策。
恐怕以后，你不能像从前那样，每年换新机了。
面对摩尔定律
一切要从半个多世纪前的一场讲座说起。
1960年，宾夕法尼亚大学举行的国际固态电路大会上，35岁的计算机工程师道格拉斯•恩格尔巴特（Douglas Engelbart）提出了一个半导体领域突破性的idea——缩放原理(Scaling Principle)：缩小电路的尺寸，元器件的运行速度将不断加快，功耗和制造成本反而随之下降。
说者无心，听者有意。当时台下的听众之一，就是年仅31岁的戈登•摩尔(Gordon Moore)。5年后，摩尔在《电子》杂志发表了一篇只有3页的文章，却成为半导体历史上最重要的论文。文中，摩尔将恩格尔巴特的缩放原理进一步量化，作出预言：今后数十年内，集成电路上的晶体管数目，将以每18个月翻一番的速度稳定增长。
这就是半导体行业第一定律：摩尔定律。摩尔定律对半导体工业的预言的准确性，超出了任何一个经济学家在任何一个工业领域里的预言。就连摩尔自己，都没想到这条金科玉律能延续近60年屹立不倒。
摩尔定律意味着什么？正如戈登•摩尔自己所言，摩尔定律不是物理定律，而是市场机遇。只要不断缩小晶体管，提高集成度，芯片就能保持一两年翻一番的指数增长；只要发展速度保持指数增长，很快芯片成本就能降到普通人都用的起、性能强大到无所不能、功耗低到可以装在任何设备上——那么开发出最创新的芯片，就能开创这个时代最伟（zhuan）大（qian）的事业。
后面的故事，想必大家都知道了。1968年，摩尔带着好基友诺伊斯“叛逃”仙童公司自立门户，创立了Intel。在Intel的40多年间，主内的摩尔负责技术，主外的诺伊斯做战略和模式，又找来“偏执狂”格鲁夫做公司管理，三个火枪手把Intel处理器装进了全球几十亿台PC机，让两三个人的创业公司，成长为千亿级的上市公司。
说句题外话：这么多年过去，摩尔还记得那场改变命运的讲座吗？还记得那个启发自己的演讲者吗？
作为启发了摩尔定律的人、一个不亚于摩尔的天才，恩格尔巴特自己却命运多舛。1963年他建立了ARC（增智研究中心），1965年提出了摩尔定律的前身“缩放原理”，1967年发明鼠标，1968年演示了人类有史以来第一次在线视频会议，1969年建立了现代互联网的前身阿帕网（ARPANet）。如果历史真能按照恩哥的节奏发展下去，人类将提前至少二十年进入互联网时代。
然而70年代初，在终极目标近在眼前时，ARC内部有人对前景产生了质疑。１９７５年， ARPA停止了对ARC的资助，没有钱，小伙伴们纷纷作鸟兽散，最后只剩恩哥一个光杆司令，带领一堆机器孤军奋战。
2005年，80岁的恩格尔巴特对记者说，回首当年，“没人愿意为自己的研究投资，甚至没有人愿意跟自己对话”。
然而今天我们发现，我们所做的只是在不断接近恩格尔巴特多年前的设想而已：办公自动化、个人电脑、超文本协议、开源代码协作……“现在我们终于明白了他想要做什么了。”
恩格尔巴特最大的悲剧在于，他比时代超前了足足20多年。1968年，当他在旧金山演示计算机网络、视频会议、交互式图形界面和鼠标时，微软还没成立，乔布斯还在上中学。
1979年冬天，当24岁的乔布斯宿命般地走进施乐PARC研究中心，看到的正是恩格尔巴特的遗产：可视化图形界面、面向对象的编程（Smalltalk）、局域网（Ethernet）。就连PARC团队自身，也来源于ARC解散后的原班人马。当时，乔布斯只是被图形界面和鼠标吸引住了，其它两样重要成果没太在意。而仅仅是图形界面，就让他酝酿出了一场计算机革命。
直到1983年， 苹果的新机型Lisa发布时，问世已20年的鼠标终于获得大规模的商业成功。1987年，苹果买下鼠标专利，付给恩格尔巴特专利转让费——1万美元。你没看错，这就是“鼠标之父”从这项发明中获得的唯一收入。
恩格尔巴特：鼠标之父，人机交互之父，科技产品发布会之父，摩尔和乔布斯背后的男人，沃兹尼亚克最崇拜的偶像——其实他和本期硬报纸的主题，并没有直接关系。
然而，这位启发了一个时代的天才，值得被如此致敬。
即使Intel自己
摩尔定律为Intel指明了一条道路：把芯片做小。晶体管越小，芯片集成度越高，不仅性能越强，而且成本和功耗不增反降。越小、越快、越便宜，卖的用户越多，赚钱越多。
要想延续摩尔定律不断把芯片做小，就必须在制造工艺上下大功夫。所以，Intel不仅是地球上最强大的芯片设计公司，还拥有当今最先进的芯片工厂。设计与工艺相得益彰，成就了Intel在PC时代的霸主地位。
在2014年Broadwell架构之前，Intel一直严格遵循Tick-Tock战略周期，在奇数年的“Tick”阶段代表着CPU芯片制程的飞跃；偶数年的“Tock”代表着处理器的架构升级。
然而，这一战略正在由于工艺难度的逐年提升而放缓。Intel 2017年才会发布10nm制程芯片，取代自2015年延续至今的14nm芯片。2014~2016年期间，14nm制程已经沿用了三代CPU。在2017年到2019年，10nm仍将沿用三代。自从14nm开始，Tick-Tock的周期已经从两年延长到了两年半。
2017年发布新制程10nm的计划，意味着持续近10年、如时钟滴答般稳定的Tick-Tock节奏首次被打破。进入到14nm之后，Intel不得不把Tick-Tock变成Tick-Tock-Tock，而这第二个“Tock”也并非巨大的微架构更新。
• 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 待研发 (Tick)
• 2021 —— 7 nm 待研发 (Tock)
• 2022 —— 5 nm 待研发 (Tick)
Intel官方表示，如果在5nm节点上硅仍然是一个可行的微处理器材料，那么Intel将于2020年开始研发5nm制程的芯片，最早将于2022年才会上市。
当Intel研发周期放缓时，台积电正跃跃欲试。按照台积电此前公开的战略规划，在2016年末就能达到7nm技术节点，2020年达到5nm的技术节点，台积电扬眉吐气的时候不远了——这回终于领先老对手好几年！
然而无论是Intel还是台积电都不确定，5nm工艺的下一步是什么。5nm已经逼近了摩尔定律的物理极限，再小几乎不可能。
其实在半个世纪中，摩尔定律曾屡次遭遇瓶颈。例如上世纪90年代，奔腾四制程突破100纳米时，晶体管小型化导致了糟糕的性能。Intel与IBM不得不重新寻找提高晶体管性能的材料。直到2000年，在凝聚态物理学家们的帮助下引入应变硅技术（晶格拉伸时硅导电能力大幅提高），摩尔定律才又续命十几载。
但是这一次，狼恐怕是真的来了。尽管目前Intel、三星、台积电等半导体巨头都公认，在5nm的技术节点之上，不会遇到根本性的困难，然而当集成电路继续缩小到极限，进入量子力学主导的微观世界中，仅由数个分子构成的晶体管将无法正常工作。尽管工程师用尽各种设计巧思，渡过一次又一次危机，但是大家都心知肚明，撞上最后那堵墙只是时间问题。
而时间，真的已经不多了。
也束手无策？
严格意义上说，就算100年后的计算机性能仍然能够指数式增长，摩尔定律届时也早已退休。因为摩尔定律是用缩小晶体管的思路，在芯片上集成更高密度的元器件，从而做到在性能提升的同时成本降低。而基础物理学告诉我们，在这个由原子组成的世界里，“缩小”是有极限的。
5nm是当前技术条件下的制程极限，一个晶体管只有10个原子大小。就算继续变小，晶体管也不可能比1个原子还小，因为并不存在半个原子。预计到2020年之后，要想继续提高性能，靠“缩小”已经无能为力，只得另觅他途。目前，距离我们榨干摩尔定律的潜能，只有不到10年的时间了。
短期方案：新半导体材料
目前，芯片中的晶体管是用硅元素制成的，如果用砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等电子迁移率更高的元素代替，理论上就能造出速度（频率）更快的晶体管。
采用新材料做CPU，有望使芯片性能提高4~8倍，不过很快也会遭遇与硅晶体管相同的制程极限。
中期方案：碳纳米管（CNT）晶体管
先由碳原子以六角形结构铺成平面石墨烯（Graphene），再将石墨烯卷成管状，就是所谓碳纳米管。碳纳米管也是半导体，电学特性与硅晶体管类似，因而成为次世代材料的宠儿。
2015年，斯坦福大学用3D晶体管技术设计的碳纳米管芯片，开关速度比目前最好的芯片快上1000倍。但是，晶体管快千倍，并不代表做成处理器运行速度也能快千倍。事实上，在一个处理器几十亿的晶体管中，传输速度的优化是一个系统工程，不起眼的电容、电感带来的信号延迟可能远远大于1000倍门开关速度省下来的那几皮秒。除非其他配套的技术同时突破，否则处理器性能最多只有数倍的提升。
最令人蛋疼的是，碳纳米管量产极为困难。目前已量产化的单层碳纳米管粉末，售价400多元人民币/克，而这不过是最基础的碳纳米管原料，只能掺到电池里增加导电性用（被炒作为“石墨烯电池”）。至于10nm以下碳纳米管制成的晶体管，至今仍只有顶尖实验室才能制备。
终极方案：量子计算机
和传统计算机的基本信息单位“比特”不同，量子计算机使用的量子比特（QuBit）是在两个逻辑态0和1的相干叠加态，可以同时存储0和1。经典存储器只能存储2^N个数据中的某一个值，而量子存储器可以同时存储2^N个。由250个原子构成的250量子比特存储器，容量高达2^250比特，比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。利用量子相干态可以进行大规模并行计算，理论上可以超过现役超级计算机百亿亿倍。
十年前，在量子计算在理论上证明可行的早期阶段，大家感到未来一片光明，人人都感染上了“信量子，得永生”的激情。我还记得本科上量子力学的第一天，教授两眼放光地说：将来有了量子计算机，我们现在这些电脑都要扔到厕所里去！当时我就震惊了：厕所是您扔垃圾的地方吗？计算机系的版本则是：教算法的导师说，等到有了量子计算机，我就下岗了，因为那时全世界只剩下一种算法——穷举。
然而现实比预期总是残酷百倍，量子计算机的技术实现困难重重。量子比特数量决定了量子计算机的运算能力，可是从量子计算得到证明的1994年至2014年，最多也只做到14个量子比特。而且每增加一个量子比特，其工程难度便呈指数级增长。
2007年，加拿大D-Wave公司横空出世，推出了128比特的商用量子计算机，在2012年的二代产品D-Wave Two号称拥有512个量子比特，一度让人浮想联翩。然而实际上，D-Wave并非真正的量子计算机。它的确运用了“量子隧穿”的量子效应，但没有用到真正的量子叠加性、相干性进行计算。
D—Wave量子计算机
而且，D-Wave只是一个专用计算机，只能计算“量子退火”的优化问题。其它超级计算机也能进行这种计算，速度甚至比D-wave Two还要快。D-Wave至今只卖出了两台量子计算机，每台售价1000万美元；一台卖给了Google，一台卖给洛克希德•马丁。
虽然短期内不一定指望得上，但是量子计算机无疑已成决胜未来30~50年的兵家必争之地。2013年，谷歌与NASN加州大学圣巴巴拉分校联合成立量子人工智能实验室；2014年，IBM宣布未来5年投资30亿美元用于量子计算研究；2015年，阿里云与中科院建立联合实验室，计划用持续15年的资金支持，在10年内做出50个量子比特的通用量子计算机，速度相当于超算“天河二号”的8~10倍。
摩尔时代的终结
我们都知道，就算几年后摩尔定律退休，科技发展也不会就此原地踏步。不过究竟哪种方案能取代摩尔定律，成就下一个计算机时代的神话，目前还没人能说得准。在此之前，半导体科技可能会经历一段青黄不接的大规模转型期。说到底，还是因为我们之前太过于依赖摩尔了。
大多数人可能没有意识到，如果没有当年的摩尔定律，现在这个世界很可能会是完全不同的面貌。上世纪70年代，人们最期待的未来黑科技是原子能和太空技术。万万没想到，摩尔定律强势插入，驱动了半导体、计算机、互联网持续半个世纪的崛起；正是这样的时代，造就了比尔·盖茨、乔布斯、扎克伯格。人类没能打太空飞的去移民火星，却攀上了另一支信息科技树。
摩尔定律开启了一个奇迹般的时代，而它的结束，将迎来一个更不可思议的未来。离开了熟悉的摩尔，没法依赖工艺进步了，才会逼得我们掉过头去死磕碳纳米管、量子计算这样的硬骨头，说不定真正改变世界的大发现就在后头呢。
这是摩尔时代的终结。
也是未来无限可能的开端。
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