摩尔定律正在消亡，这可能是好事

2018-05-07 14:00:11 来源: 官方微信

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来源：内容来自悦智网，作者：黄欣国，谢谢。

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生产开源硬件的公司并不多见。 至少，如果以一贯的标准来定义它们的话是如此。一贯的标准便是，它们为其他公司提供文档和权限，以方便他们重新创造、修改、改进甚至制造其销售设备的自有版本。虽然开源硬件已经取得了很大进展——越来越多的公司秉承这些做法，并建立了开源硬件协会——但它仍然是一个小众行业。

你可能觉得原因很简单——你一定认为这些公司是由缺少脚踏实地商业意识的理想主义者建立并经营的。但事实并非如此！阻碍开源硬件发展的并不是商业头脑的缺乏，而是电子技术的飞速发展。

其原因是微妙的，但我的解释是，电子技术的迅速发展必定有利于大型的“封闭式”企业，而不利于小团队或创客，而后者才是会从开源系统中受益最大的群体。至少，事情过去一直是如此。但改变即将发生，而我希望天平向另一方倾斜。相关的转变从根本上是与微电子小型化的步伐相关联的，几十年来，它一直深受以戈登•摩尔命名的摩尔定律的影响。我们停下来考虑一下，摩尔定律即将到来的终结——或者至少是放缓——可能其实对很多厂商和消费者都有极大的益处。但在我介绍这一矛盾的预测之前，我应该为年轻的读者们回顾一下我们是如何走到今天的。

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起初，真空管出现了。 而几乎所有基于真空管的硬件都是我们今天所谓的开源硬件。早期的消费电子产品，如收音机和电视机，常随包携带有完整的原理图、更换零件清单，以及用于维修的详细用户手册。晶体管刚刚问世时，变化并不大。

事实上，进入20世纪80年代，计算机还通常附带有自身的电路板示意图。例如，苹果II型计算机附带有一个完整的计算机主板的电路图，它对我投身于电子设计事业产生了极大的影响。

而现代用户手册缺乏这样的深度。在Mac Pro用户手册中，最复杂的图表是指示用户如何坐在电脑前：“支撑腰部”“大腿稍倾斜”“肩膀放松”等。

发生了什么？难道是电子产品变得太难维修或改进吗？

并不是的。事实上，改进电子产品已变得太容易了——尤其是对于系统集成商来说。几十年来，他们基本上就是坐等电路板上的集成电路增加，而不是努力雕琢他们现有的产品设计。例如，在整个20世纪90年代及进入新千年后，程序员被鼓励放弃手工优化汇编语言，而利用更高级的语言来加入更多的功能。即使产品在发布的时候还没达到出色的性能，那么这种性能也会很快出现在下一代的CPU中。

如果你将电子设备多年来的“优良”指标制成图的话，你就可以清晰地看到这种效果了。选择几乎任何标准——性能、功能设置等无论什么，排列这个图，根据摩尔定律使绘制的参数每18个月翻一番。不过要用线性垂直轴在图表上表示。大多数描绘摩尔定律的图表使用对数垂直刻度，这就使曲线的大幅上升趋势被拉平为看似平淡无奇的直线。

现在，将显著攀升的摩尔定律曲线与小型制造商设计团队的曲线进行比较。小型制造商设计团队可能会通过抛光固件或调整内存和其他组件的连接方式来努力提升其最新的产品。假设这样一个团队可以实现持续且稳定的进展速度，比方说，他们的工作在第一年将产品的性能提升了75%，并且产品性能提升以同样的速度逐年累加。与坐等摩尔定律发挥作用相比，这样辛勤工作的收益结果如何呢？

结果并不理想。事实上，如果你画出线性提升与指数型的摩尔定律曲线这两条线，你就会看到，小型制造商的辛勤工作只有很小的机会能制造出更好的设备。而这样的机会在产品推出两年后就过时了，因为到那时，就会性能更高能的芯片，这就要求公司利用这些芯片制造出全新的产品，以免在竞争中失去先机。

我刚才描述的两个曲线显示了创客在过去几十年中所面临的主要挑战。普遍现象是，他们坐等会比创新更有价值。特别是，如果要使一个设计的性能翻倍需要两年的时间构思并实施革新，那么你和你的客户最好还是坐等两年后升级到最新版的集成电路为好。对于许多小企业的工程师来说，与摩尔定律竞赛是徒劳的。

事实上，摩尔定律的指数级增长对于小企业是不利的，而对于大企业却是有利的，大企业具有同时开发三四代产品的资源。但即便是大公司，与摩尔定律竞赛也是艰难的。

这场制造商与摩尔定律的竞赛有几个致命的影响，其中最关键的一个就是通过持有设计专利，迫使竞争对手对你的产品实施逆向工程，这会产生（也许是几个月的）时间差，从而带来巨大的优势，这个优势当然是制造商不愿浪费的。他们不愿意放弃哪怕是一丁点儿的空档，这就解释了他们为什么很少会共享其产品的原理图、代码或者其他技术细节。

值得庆幸的是，摩尔定律正在减速，而我刚刚描述的趋势也正在发生着改变。

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不过，在我解释如何改变之前， 让我先来论证一下“摩尔定律正在减速”这一说法。许多分析师和评论家最近警告说，微电子指数级增长的时代即将结束了。但我并不需要将我的观点与他们的预测相挂钩。电子元件（特别是晶体管）尺寸的小型化，毫无疑问带来了电流泄漏及废热的增加，这反过来又减缓了近年来数字时钟稳步发展的速度。例如，想想各种英特尔CPU刚推出时的时钟速度吧，在经历了大幅上升后，这些速度大约在10年前就基本停止提升了。

自那时起，CPU制造商一直在使用多核技术来提高性能，尽管实施这一策略是有难度的。但工程师们并没有多少选择的余地：核心的物理极限问题阻碍了时钟速度的进一步提升，因此利用依据摩尔定律不断增多的晶体管的唯一途径就是制造更多的内核。

正如摩尔定律所预言的，晶体管密度不断呈指数级增加，但其增加速度正在放缓。1990年，晶体管的数量每18个月翻一番；而今天，这个数量要每24个月或更久才会翻一番。不久，晶体管密度的增加将放缓到每36个月翻一番，最终它们将会完全停止增长。

那会是什么时候呢？简单的回答是，没有人真正知道。但有研究表明，它会在2020年或2030年左右定格在约5纳米的有效栅长。5纳米约为硅原子直径的10倍，因此，即使这种猜测不准确，也不会差得太远。

它的意义是深远的。在可预见的未来，你将无法在第二年买到性能更好的电脑。你要购买的下一个闪存驱动器将与你现有的这个价格和容量都一样。你也将不能再期待你的下一个手机会更强大、更神奇。

你将会把你买的电子小玩意儿保留很久，不再期望买了几年后就可以把它扔掉了。

在这种情况下，你可能会想一开始就购买更精致的东西。“传家宝笔记本电脑”这种说法现在听起来很荒谬，但有一天，我们可能会把我们的电脑看成是值得珍惜和传承的物品，传到后辈手中，就像有些人今天对手表或古董家具的看法一样。

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摩尔定律的放缓预示着许多小企业的光明未来 ——对开源硬件的实践也是如此。要了解其原因，就让我们重温一下我之前对摩尔定律指数级增长和技术线性进步（75%，非复利）速度所作的比较。但是这一次，考虑一下新的摩尔定律情况，即每36个月而不是每18个月增加一倍。

假如你要绘制那两条线，你就会发现，在它被36个月的摩尔定律曲线超越之前，线性的提升可以持续8年多。并且如果一家公司一直逐步优化其设计，而不是仅仅等待摩尔定律发挥作用，那么在产品推出后的第二年或第三年左右，它们将会有明显更好的产品。换句话说，小企业的工程师以他们力所能及的速度进行创新提升，就会有一个真正的获利窗口。

随着摩尔定律的减速，你将获得的另一个好处是更广泛的平台标准化。10年前，要利用可互换组件创造一台标准的平板电脑或手机机壳是很荒唐的，因为底层技术的发展速度太快了。但是，现在这已成为一个合理的命题。

建立稳定、有性能竞争力的开放平台将为小企业注入生机。这些公司仍然可以选择保持其设计的封闭性，但这样做，他们将不得不建立一个专有的基础设施，以支持其产品的开发，并在其基础上进行建造。许多这类公司就会发现，他们为制造通用硬件无谓地浪费了时间和精力——他们本可以用这些时间来雕琢他们的设计，使他们的产品独树一帜。因此，越来越多的企业会选择利用开源硬件，正如许多企业都已使用开源软件一样。

我预见的另一个变化是，与硬线连接的CPU相比，现场可编程门阵列（FPGA）可能也就有了用武之地。其中一个原因很简单：随着晶体管缩小到原子尺度，在制造过程中出现的缺陷必将变得更加普遍。在CPU中，这样的瑕疵会轻易地破坏整个设备。但有了FPGA，你就可以排列电路的物理布局，以避免小规模的缺陷。

FPGA前途大好的另一个理由是配置其电路的相对难度。这一工序不可避免地需要一个硬件描述语言，如Verilog。所以，它与软件编程类似——尽管通常它更具挑战性。但唯一真正能替代这一挑战性任务的是对多核CPU的编程，在它们提供的大规模并行处理中勉强维持更好的性能就已经很困难了，而随着具有更多内核的芯片的发布，这会变得更难。

因此，未来，编程多核处理器和配置FPGA所需的付出会不相上下。如果过了这一关，越来越多的小工具将肯定会利用FPGA进行制造。当开源硬件公司转而使用FPGA而不是CPU时，他们也将（根据“开源”的定义本身）分享他们的硬件描述语言文件了。那么其他人将可以自由地重新配置电路，深入到FPGA内部的各个栅极。因此，开源硬件运动能够渗透到微电子设计的深层。

随着技术变得越来越巩固和持久，我预见到的另一个可喜的变化就是维修文化的兴起。当更换的部件与原部件的规格和价格几乎相同时，买电脑5年后更换旧电脑配件将不会再显得那么无聊了。这种“修还是扔”的选择变化将为原理图和零件创造出需求，这反过来将促进开源硬件生态系统和业务的增长。

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摩尔定律的减速已经在对性能不是特别敏感的市场上有所显现了， 比如Arduino的微控制器平台。

Arduino用户对性能的需求（用于教育、物理计算和简单嵌入式控制应用）并没有明显增长，因此该平台会非常稳定。事实上，自2005年以来，许多Arduino电路板基本都使用了相同的硬件。这种稳定性反过来又使Arduino在蓬勃发展的用户群中奠定了深厚的基础，这些用户享有硬件附加组件的开放标准。

另一个例子是山寨现象。山寨即“盗版”，山寨企业通常是些小企业，他们依靠其社区内共享的蓝图来制造低端手机。这些手机的市场对于性能的绝对水平基本不敏感，因此也不关心CPU技术的提升。因此，山寨企业在不影响其最终产品竞争力的情况下，可以将同种核心芯片组使用多年。这种稳定性反过来使这些小而灵活的创客有充分的时间来彻底了解这个平台，并在同一主题下推陈出新。你可以指责他们无视知识产权法，但你不得不承认，他们经常能用有限的经费创造出惊人的成果。

我相信，许多其他类型的开源硬件生态系统繁荣发展的时机已经成熟了。摩尔定律不可避免的放缓可能会为今天的科技巨头带来麻烦，但它也为羽翼未丰的开源硬件运动的发展成熟创造了机遇。

就我个人而言，我很期待变革的发生——期待工匠式设计的回归，使优雅、优化和平衡的价值超越简单的速度和功能的增长。即使摩尔定律会很快或突然终结，电气工程师和消费者也都应该学会不再担忧，并准备去热爱将要来临的新变革。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1579期内容，欢迎关注。