阿尔法狗的胜利,摩尔定律的终结:关于科技的 3 个启示
李好好 李好好

阿尔法狗的胜利,摩尔定律的终结:关于科技的 3 个启示

再也没有一个「定律」去指引大家按部就班地升级,这种确定性正在被逐渐消除,迫使人们追寻新的思路和手段。

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阿尔法狗与 iPhone 6

2014 年 9 月,苹果发布新手机 iPhone 6。全球手机用户都准备好了钞票和肾。

然而在 iPhone 6 现身后,许多人一眼瞄到的是那个凸起的摄像头:

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有人感到很恼火:这是什么玩意儿?我不能接受那一块凸起的摄像头。乔布斯要是还在,绝不会允许这种情况出现。

为了更好的手感,苹果把 iPhone 6 做得非常薄,再搞个圆弧形的屏幕和机身边缘。至于手机是不是容易滑倒马桶里,他们才不在乎。但把手机做得更薄是一件难事,把摄像头做扁更难。突出的摄像头有复杂的电子原件:

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为了手感和外观可以做薄手机,但相机的成像原件需要一定的空间,否则照片的质量无法保证。于是,苹果这家极度重视用户体验的公司做了这个突兀的摄像头,让无数的处女座和完美主义者茶饭不思。你想要不突出的摄像头?去买个厚一点的手机吧。

其实还是有办法的。比如优化镜头的光学结构,或者使用折射率更高的镜片,理论上都能够把摄像头做得更扁。但能扁到什么程度?最终总会到达一个极限值。

2014 年突出的摄像头是风向变化的开始。2016 年,我们已经在新的风口。

最近 Google 的深度学习计算机 AlphaGo(人称阿尔法狗)以 4:1 战胜人类最好的棋手之一李世石,人工智能成为大家口中的热词,深度学习和神经网络被热烈讨论。但问题的另一面被忽视了:阿尔法狗其实是人类发现拥有的计算能力不足后,研究出的解决方案。

这种情况并不多见。

以往人们面对许多困难问题时,总有一个终极点子:暴力法(Brute Force Attack),反正有摩尔定律带来的大量计算资源,那就用这个海量计算能力去碾压眼前的问题吧。想做出一个能赢人类的国际象棋软件?用机器来暴力穷举所有可能的棋局,战胜人类冠军的「深蓝」电脑不就是这么做出来的么。

现在,围棋棋局的可能数量是 10 的 170 次方,这个数字甚至超过整个宇宙中原子的数量。这么夸张的复杂性,单凭暴力法已经不可能解决问题,突然之间,计算能力成了人类的限制。

然而,有了 Google 的大量资金在深度学习和神经网络算法上,阿尔法狗的胜利意味着在现有计算资源掣肘的局面下,通过新的算法可以取得远超想象的成果。相比起来,暴力法散发着一种原始的气息。

习惯了的科技进步

过去的 10 年里,我们亲身经历了一波科技浪潮,每一个人的生活方式都发生了巨变。

习惯了网购,习惯了薄如记事本的手提电脑,习惯了视网膜高清显示屏,习惯了掏出手机进行简单操作,就能接到电话并条件反射般说出自己的地址就能有车来接,习惯了吃饭的时候刷一下朋友圈的爆款文章,还习惯了科技公司的新品发布会:从乔布斯开始到现在,没开过个发布会都不好意思说自己是 CEO。

科技的剧烈发展似乎不像以往那样刺激了,成为了一种理所应当的事情:理所应当每年都会有更好的手机和电脑,理所应当新的手机和电脑都会更快速性能更好。例如最近的苹果公司发布会,虽然无论公司还是产品依旧伟大,我们已经没了那份激动。

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所以要是我们告诉你,过不了几年,你的新手机和电脑的性能可能也不会变得比现在好多少了,你会怎么想?

并不是在夸大。再过一阵,全球半导体行业将正式宣布,摩尔定律很快就要结束它的生命和使命,成为历史的一部分。

摩尔定律跟我有什么关系?

摩尔定律是许多初次了解科技行业的人最先接触的概念。1965年,因特尔公司的创始人之一高登摩尔(Gordon Moore)在文章中预测:集成电路上的晶体管数量每一年就会翻一倍。很快这个预测被大家称为「摩尔定律」。

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你能用自己的电脑和手机看小视频,上网,做 PPT,算财务模型,叫车叫外卖,约这个约那个,电脑和手机都在一刻不停地帮你做运算。这些运算的核心由设备的微处理器(Microprocessor)搞定,也常被叫做中央处理器(CPU)。它缔造了现代人的幸福生活。

微处理器是集成电路(Integrated Circuits)的一种,顾名思义,是「把一堆电路集成到一小块薄片上」。这块薄片上铺了大把大把的电路开关,用来执行电脑最基本的逻辑:开或关,1或0。这些电路开关是所有现代智能设备的最基础的组成部分,他们还有个名字,叫做晶体管(Transistors)。

制作微处理器和晶体管需要的最基本材料是半导体,最常用的最经济实惠的半导体就是硅。所以,微处理器、晶体管和硅是所有现代生活的发源和基石。所以,全球科技中心才会叫做硅谷而不是钛谷铝谷。

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摩尔本人后来将芯片升级的周期修订为 2 年。1971 年,因特尔发布第一块商用微处理器 4004。它包涵了 2300 个晶体管,每个晶体管大约为人体红细胞的大小。从那时候开始,依照修订后的摩尔定律,集成电路上的晶体管数量每 2 年左右翻一倍。随后的 40 年,摩尔定律成了科技进步的核心推动力。一年一度晶体管数量的翻倍引起处理器运行速度的翻倍,进而带来硬件设备性能的翻倍和成本的缩减,进而为更加强大的软件、系统以及计算提供了可能。

今天,全世界已有 30 亿人使用智能手机。你手中的 iPhone 的计算处理能力甚至强于当年 NASA 登月计划的主计算机。(No offense, Android users.)

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过去的 40 年几乎所有行业都被技术改造,源头是摩尔定律引发的计算能力大爆炸。就连测试核弹爆炸的次数都减少了:因为人们可以利用巨量的计算能力,在电脑上进行逼真的爆炸模拟。

今天,我们在潜意识中认为每年一次的手机升级和产品发布是理所应当的。是摩尔定律让我们有了这种近乎虚妄的感觉。

摩尔定律不是个定律

然而摩尔定律并不是个定律,它和「牛顿三定律」这种完全不是一回事。50年来,它的成立并不是由于物理上的局限,而是整个芯片行业的刻意选择和协商。

一直以来,新一代处理器出来后,开发者程序员们搞出新的软件,这些软件更充分地利用新设备的性能,也毫无保留地耗尽了这些性能。很快消费者发现自己的电脑和手机卡了。于是因特尔们接着努力,搞出新一代的处理器。

从 1990 年起,每隔 2 年,全球半导体行业会发布一个计划,他们自己把这个叫做路线图 Roadmap。每个文件的大意是说:「未来三年我们还跟之前的几十年一样,按照摩尔定律走,具体来说是 blah blah blah。希望大家都自律。」就这样,几十年来,全球芯片行业所有生产商和供应商联合起来,跟着摩尔定律走,这是在其他任何行业中都不曾见到的情景。

走到尽头的摩尔定律

事情出现了变化。半导体行业已经宣布,即将面世的行业路线图不会再依照摩尔定律。这意味着行业正式公开承认,摩尔定律很快就要结束了。

原因?原因是物理,就像是到一定程度就无法再薄的摄像头一样,是早已注定的结局。我们把这个叫做物理边界,有 3 个问题:尺寸,散热,成本。

尺寸

人类对尺度的理解能力是极弱的。例如,摩尔定律说芯片上的晶体管数量每两年翻一番,这是什么概念?大多数人无法从直觉上体会到。

举个例子。1965 年的某一天,小明下决心按照摩尔定律的指引跑步。那么他面临的情况是这样的:

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两年之内,他每天只跑一个小型游泳池的长度:

两年后,他跑步的距离翻倍:

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10 年后:

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26 年后:

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50 年后(也就是 2015 年):

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1971年,微处理器上每个晶体管的造价是 150 美元,2015 年的价格为 0.0003 美元。1971 年的每个芯片上有 2300 个晶体管,2015 年有 13 亿个。早期的晶体管将近有一个手掌大,如今最先进的因特尔芯片制造工艺中,晶体管的尺寸是14纳米:

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实际上,14 纳米这个尺寸已经不是你找一个好的显微镜就能用肉眼观察到了。甚至可以说 14 纳米的晶体管是不可见的,因为这个尺寸已经小于可见光的波长。

如果摩尔定律继续生效,下一步会是什么尺寸?可能 10 纳米。如果因特尔要玩命,也许最终会达到 2 纳米,也就是 10 个原子并排放的宽度。

到了这个尺寸,人类芯片制造行业的经验已经不再适用了。这个尺寸属于量子物理的世界,这个世界有人类无法控制的不确定性,有上帝投出的骰子,还有薛定谔那只不死不活的猫。

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散热

尺寸小带来的另一个问题是散热。一位业内人士说:「曾经有一段时间日子超美好,那时候只要我们把尺寸缩小,好事儿自然来:芯片的计算能力会提升,能耗也会降低」。然而在 2000 年左右,晶体管尺寸缩减到 90 纳米(一根头发宽度的百分之一)的时候,芯片开始出现过热的状况,熟悉行业的人已经知道摩尔定律大势已去了。

为了解决过热的问题,芯片制造商采用了两个办法:

限制微处理器执行计算机指令的速度(Clock Speed),从而限制了芯片中电子的速度;

将集成电路分成多个核,这样降低每一个核的功率和发热。(所以其实你就没想过,为什么最近几年来听到这么多「4 核」「8 核」这种莫名其妙又不明觉厉的描述?)

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这两个方法非常成功,至少摩尔定律没有在 15 年前就失效。现在,行业的普遍预计是,摩尔定律会在 2020 年左右结束。

成本

第三个问题是成本。芯片尺寸越小,晶体管越多,对于制造商来说,成本就越高。如今,依照摩尔定律的芯片升级每发生一回,整个生产线,包括所有配套设施,光刻仪器,全部都要翻新。今天一个尖端芯片工厂的造价大约为 70 亿美元,业内估计当芯片尺寸到 5 纳米时,工厂的造价为 160 亿美元,几乎是因特尔年收入的三分之一。

如果翻新的成本高于可能的收益,传统的微处理器升级就停滞了。从经济角度看,摩尔定律已经结束了。

摩尔定律失效意味着什么

摩尔定律失效,影响的绝不仅仅是芯片生产厂商,还包括其他所有在过去几十年内被科技潜移默化影响的行业,以及所有享受到科技便利的普通人。所有对未来有远大畅想的人,无论考虑的是人工智能、增强现实还是无人驾驶汽车,都要考虑这个问题。

Peter Thiel 有句名言说「我们多年前畅想的是会飞的汽车,但我们今天却只拥有让你输入 140 个字的输入框」。言下之意是我们期待的是足以影响现实生活的深层技术进步,但获得的却是一点线上的娱乐生活方式。

公平地说,虽然我们没有看到 Peter Thiel 呼吁的那个层次的科技进步,现实生活还是获得了极大改善,今天我们已经不能想象一个没有科技支撑的生活方式了。

有趣的是,虽然科技的飞速进步的原始驱动力是摩尔定律,但更加吸引人注意的是软件行业。

Peter Thiel 认为「140 字输入框」属于比特的进步,是互联网技术的进步,而「会飞的汽车」是原子的进步,也就是人们对现实物理世界的驾驭。他认为我们已经看够了互联网和软件的颠覆性,人们需要把一部分力量用在改善现实世界中。这是他自己的坚持,也是他做成如此多成功投资的重要原因:

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有趣的是,所谓比特的进步,说到底却是由摩尔定律推动的,后者仍然是原子的进步,但人们往往忽略这一点,将目光集中在互联网上。美国的科技圈对这一点更加先知先觉。尤其在最近五年来,中美两国科技圈对同一事物的不同称呼,能够清楚反映这一点:在国内,人们更多会去谈「互联网」,而不是「科技」。国内说「互联网金融」,美国说「科技金融(Fin-tech)」,国内说「O2O(Online-to-offline)」,美国说「按需经济(On-demand Economy)」。

现在,我们总结出 3 个目前科技行业认同的解决办法。这些办法也是未来行业发展最重要的 3 个趋势。

软件行业的革新

暴力法的盛行其实是一种奢侈。就跟「何不食肉糜」一样,何不用暴力计算去碾压问题呢?反正有摩尔定律在,不愁机器性能不够,而且用不了多久更加强大的设备又要出现。这是摩尔定律带来负面心态,也造成了软件开发的浪费和低效。在经济上这很划算,虽然我的代码实现很糟糕,但没关系,可以凑合着用啊,过两年有了新设备就好办了。

长期来说这不是好事。因为这样看技术的进步更多是摩尔定律带来的更强计算能力、数据存储技术和网络带宽,软件和算法则相对滞后。

摩尔定律的终结意味着我们可以迎来软件行业的新时代。更多的资金和脑力会被用在像阿尔法狗这样的东西上。有了资源投入,我们很快会迎来更高效的编程语言、编译系统和应用设计。

我们预计软件行业会真正迎来它的成熟时期,工程师将更加关注代码的效率,以及如何更加聪明地利用现有资源做出不可思议的东西出来,例如阿尔法狗。

云计算

云计算这个词似乎都被人说烂了。但在摩尔定律即将失效时,它不再是一个概念,而是一种必然(回复本公众号「计算」查看我们的文章《下一代运算是什么样的?》)。越来越多的活动发生在移动端:手机、平板、智能手表和其他智能硬件,不仅要求设备更薄,芯片更加微小,而且要求移动设备不发热、低能耗、省电。

同时,以前的「电脑」是独立设备,所有计算能力都存在你的主机里面。软件好不好用还要看你的电脑性能有多少尽量。现在移动设备剧增,越来越多的计算能力被转移到云端。云计算曾经是一个流行语,现在却同时是科技行业不得不做的一件事情。

于是芯片厂商需要考虑的人分成了两部分:一方面是普通的消费者和他们越来越多的移动设备,再过一段时间,这一部分设备自身的计算性能很可能不会大幅提升了,但通过为需求和应用设计的芯片,可能会更加便携、省电、易用。另一方面是云计算的提供商,亚马逊 Google 微软们,他们不用考虑太多移动端的问题。对芯片厂商来说,这部分用户的占比会越来越大,也会越来越受重视。

总而言之,未来几年过了某一个时间点后,作为个人用户,你的所有需求都可以通过「设备 + 云端计算」这样的模式满足。你的随身设备自身的性能不会更强,除非你愿意接受更大的设备。

新硬件技术

也可以纯粹从硬件找出路。有这么几种可能性:

新的芯片架构

全球半导体行业目前的新策略是,他们忍够了,不打算像以前那样从摩尔定律出发搞些新的芯片出来,然后陷入那个被新软件剥削资源,然后被消费者骂,然后推出新芯片这个旧循环。

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相反,他们会从应用出发,考虑手机、电脑以及各种数据中心的需求,然后向底层延伸,最终确定需要什么样的芯片来满足这些需求。所以会有越来越多具备特定功能的芯片,例如专门用作神经网络计算、图像识别、云计算,或者预先内置各种消费端需求,比如高通的系统芯片(System on a Chip)。

材料科学

有许多备选,例如矽锗合金(SiGe)和砷化铟镓(InGaAs),或者设计全新的芯片结构,例如纳米管、生物分子、自旋电子芯片。目前来看,难度都很大。

量子计算机

当然并不是没有其它的选择。刚才提到的晶体管最终缩小到2纳米后,主宰机器性能的将是量子物理。Google 搞的量子计算机 D-Wave 就是想以此为出发点找到全新的范式。到目前为止,无论多么高精尖的人类计算机,基本原件都是晶体管,相当于一个开关,有两种状态:1 和 0,或者开和关。而量子计算机的晶体管却有3种状态,0、1 以及「同时是 0 和 1」,或者说,开、关以及「同时是开和关」。

这个「同时是开和关」的状态是量子物理的态叠加原理(Superposition)。上面提到半死不活的猫就是薛定谔本人所讲的例子。显然,有了叠加态(以及量子纠缠),运算能力会远超普通计算机,前提是 Google 开发出有实用性的量子计算机。

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过去 50 年科技的稳定进步很美妙,当定律失效时,未来似乎显得有些黯淡。我们认为摩尔定律即将失效不意味着科技进步的停滞,而意味着变化本身的性质发生改变。再也没有一个「定律」去指引大家按部就班地升级。这种确定性正在被逐渐消除,这迫使人们追寻新的思路和手段。下一个爆发性的变化可能会发生在其他任何地方。未来有很多挑战,但也会更有趣。

所以,摩尔定律的终结不是进步的终结。言下之意是,我并没有说你没办法买到更好的手机了。

本文由微信公众号「硅谷投委会」(id:vscouncil)原创。

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