摩尔定律与计算机科学的过去、现在和未来 

注:这是一门文化素质课的课程作业

写在前面:

摩尔定律是一个在计算机系不止一门的课程中,会从不同的角度被提及,每一个计算机专业的学生都有所了解,且多少都会有所思考的话题。但往往,即便是计算机专业的学生,也未必会意识到摩尔定律对计算机科学的巨大影响。本人作为计算机系的学生,借科学技术史系列讲座这门课的机会,也来思考一下摩尔定律与计算机科学发展史的密切关系。

摩尔定律是什么

摩尔定律最早由Intel公司创始人戈登·摩尔于1965年提出,简单的叙述如下:集成电路上晶体管数目大约每隔两年翻一番[1]。摩尔定律可以近似理解为:同等成本的集成电路,每两年性能便可以翻一番;同等性能的集成电路,每两年成本便可以减一半。

摩尔定律不是物理定律,也不是计算机科学中的理论,而是行业规律,是一个经验性的结论。尽管它没有严格的理论依据,却是每一个计算机工作者无法忽视的规律。尽管集成电路更多属于电子学的研究范畴,但和这个”定律”(准确地说是规律)关系最为密切的,却是计算机科学。

摩尔定律反映的是半导体行业技术进步的速度。什么速度?指数级的速度。有人会问,很多行业的增长都是每年增长若干个百分点,这也是指数级的增长,摩尔定律又有什么不同呢?摩尔定律反映的不是行业规模的增长,而是一项技术指标的增长,而且是超高速的增长,又有哪个行业背后的技术可以持续地、以可预见的高速度不断进步呢?而技术的进步,往往会加倍地推动行业规模的增长[2]。所谓第四次工业革命,又称信息革命[3],就概括了过去几十年中爆发式增长的行业。而爆发式增长的背后,不仅需要新思想,更需要有新技术的推动。信息时代几乎所有新技术的幕后推手,便是摩尔定律。

突飞猛进的50年

虽说摩尔定律是幕后推手,但普罗大众也并不难感受到摩尔定律的效果:电脑越来越快,越来越便宜,手机也类似。但摩尔定律只是这么简单吗?只是让电脑和智能手机走入了寻常百姓家吗?不止如此。

如果没有摩尔定律,计算机科学的很多分支都不可能出现:

当下正火的虚拟现实(VR)和它背后的计算机图形学,如果计算机的性能不是指数级的增长,而只是线性增长,如果今天计算机的性能只是五十年前摩尔定律刚刚提出时的几倍,或是哪怕是几十倍,虚拟现实就是不切实际的空想,甚至应该说,就根本不会有人有这样的设想。要么是画面刷新一次需要几分钟,要么就是满眼马赛克,何谈虚拟现实?实际上,今天一台普通的个人电脑,性能已经千倍于40年前的超级计算机了[4],就更不必提40年前最早的个人计算机了。2010年最快的个人电脑处理器——Intel Core i7 980 XE,其性能百万倍于1980年最快的个人电脑处理器——Intel 8087[5][6]。今天的虚拟现实技术对计算机性能提出了极高的要求,今天性能最强的个人电脑尚且是”勉强够用”[7],如果没有这百万倍的性能提升,如果现在的虚拟现实体验可以做到每秒24帧,这是一个让人感受不到卡顿的下限,那么放在30年前的电脑上,恰好是每天2帧。

事实上,知名的计算机视觉软件包OpenCV,便是在1999年由Intel公司启动开发的。[8] Intel公司的初衷,是为其当时已经过剩的处理器性能找到合适的应用场景。计算机视觉成功了,光学字符识别(OCR)、人脸识别、基于视觉的定位[9]相继出现。Intel也成功了,开发人员对处理器的性能不断提出更高的要求,这让Intel公司性能强劲的处理器有了用武之地。

近来同样很火的还有人工智能。最近AlphaGo在围棋上战胜了李世石,19年前深蓝在国际象棋上战胜了卡斯帕罗夫,都引发了公众对人工智能的极大关注。尽管实现和改进人工智能最重要的还是计算机科学家对算法的创新突破,但如果算法没有一个足够快的运行环境,也只能是没有实用价值的纸上谈兵。AlphaGo的核心技术有:(1) 深度学习:学习了人类选手3000万步的下法[10] (2) 强化学习:每天自我对局100万局 (3) 蒙特卡洛树搜索:在比赛现场通过大量模拟对战判断局势。倘若是用50年前的电脑,哪怕是在这50年间电脑的性能提高了50倍(也就是一个稳定的线性增长),AlphaGo也只能(1) 学习人类顶尖高手的一盘棋,(2) 每天自我对局1局,(3) 临场判断时,要避免超时认输,便只能昏招迭出。这样的AlphaGo,算法的精妙程度不减,但却不可能挑战人类职业选手,更不必提战胜人类顶尖选手了。

另外还有互联网,以及互联网上承载的各种服务。试想一下,如果找出一台30年前的电脑上网试试看,最多只能显示些文字内容;如果找一台20年前的电脑上网试试看,看视频如同看幻灯片。更不要提50年前的电脑,哪怕是性能提高了50倍。如果摩尔定律不成立,无论是上爱奇艺追剧,还是出门查百度地图,或是让Siri安排些日常事项,我们今天习以为常的互联网,都会变成天方夜谭。电脑游戏会不会出现?俄罗斯方块或是贪吃蛇,这些是可以实现的。但”少年网吧打游戏三天三夜不幸猝死”?这就杞人忧天了。

我们今天的生活很大程度上要归功于摩尔定律。而笔者作为一个IT行业未来的从业者,就更是对摩尔定律心存感激。因为摩尔定律让计算机的应用越来越丰富,也让这个行业有了越来越多的工作机会。可以说,一切广泛应用了计算机的行业,都要感谢摩尔定律,因为是摩尔定律让计算机变得如此强大。

危机渐现的今天

在摩尔定律的带领下,计算机的性能在50年间提高了不止百万倍。这指数级的技术进步背后,绝不是上帝的旨意,而是科学家的辛勤工作。过去几十年间,让摩尔定律一路走到今天的,有如下这些新技术[11]:

  • 集成电路的发明 (1958)
  • CMOS工艺 (1963)
  • 动态随机访问存储(DRAM) (1967)
  • 化学增幅型抗蚀剂 (1980)
  • 深紫外准分子激光蚀刻 (1980)
  • 化学机械平坦化 (1980)
  • 高介电常数闸极介电层 (2007) [12]
  • 多闸极晶体管 (2011) [13]
  • ……

摩尔定律一路走来,依靠的还是先后出现的一项项新技术。但摩尔定律终究不是物理定律,并不能证明摩尔定律将永远成立。实际上,如今摩尔定律已经显出了颓势。Intel过去几十年坚持的两年的处理器更新周期,如今不得不放缓至两年半[14]。有人怪Intel的主要竞争对手AMD不争气,让Intel缺乏了改进产品的动力。但实际上,人终究战胜不了物理定律,摩尔定律在物理定律面前也显得无力。物质不能无限细分,宏观世界的物理性质,到了一个个原子的尺度就不再适用。如果要摩尔定律仍然成立,就需要不断提高晶体管集成度,也就是半导体行业的所谓制程。从65nm,到45nm,到32nm,到22nm,到14nm,再到如今的10nm,制程可以无限制地缩小下去吗?不能,因为原子有大小,物质不能无限细分,摩尔定律注定要碰到天花板。

未来路在何方

看到摩尔定律如今的艰难处境,IT行业最应该感到恐慌。如果摩尔定律崩塌了,IT行业还能维持今天(以及过去50年间)的飞速发展吗?正在进行中的第四次工业革命,是否也将在不远的未来由进行时变成了完成时?这对于IT行业的从业者,也包括计算机专业的学生,都是不愿意看到的局面。

摩尔定律在过去50年间之所以能保持生命力,完全可以归功于电子学、材料学、物理学的新进展。没错,计算机科学家只是坐享其成,真正支撑着摩尔定律的一群人,并不从事计算机科学的研究。既然如此,如果这一群人充分发挥聪明才智,有没有可能让摩尔定律的生命延续下去?近些年的新进展让我们充满希望[15]:

  • 无接面晶体管 (2010)
  • 单电子晶体管 (2011)
  • 单原子晶体管 (2012)
  • 类脑芯片 (2014)
  • 硅锗晶体管 (2015)
  • 3D记忆体 (2015)
  • ……

如果说期待电子学、材料学、物理学的新进展,对于计算机科学家而言算是求助于人,那么有没有求助于己的做法呢?还是回到前段时间引起广泛关注的AlphaGo,它让人们联想起19年前战胜卡斯帕罗夫的深蓝。从深蓝到AlphaGo,如果按照摩尔定律对计算机的性能每两年翻一番的预测,计算机的性能在19年间提高了千倍。但从深蓝采用的相对暴力的alpha-beta剪枝算法,到AlphaGo采用的更为精巧的深度学习,解决问题的复杂度提高了一个天文数字[16](按照一个粗略的估计,约为10126)。计算机科学家与其苦苦等待电子学、材料学、物理学的新进展,也许不如发挥聪明才智自救。摩尔定律的进步是指数级的,而新算法带来的性能的提升,甚至能远远超过指数级。

计算机科学的过去要感谢摩尔定律,计算机科学的现在因为摩尔定律的步履维艰而感到紧张。至于计算机科学的未来,是尽可能为摩尔定律续命,还是彻底放弃摩尔定律?无论哪一条路,都有难关需要突破。为摩尔定律续命是求助于人,而放弃摩尔定律,争取算法突破则是求助于己。但无论通过哪一条途径,如果能延续过去50年由摩尔定律带来的,信息技术的飞速发展,不只是对于IT行业,对于整个人类社会都有着积极的意义。

参考文献

[1] Moore’s law – Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law

[2] 技术进步 – MBA智库百科

http://wiki.mbalib.com/wiki/%E6%8A%80%E6%9C%AF%E8%BF%9B%E6%AD%A5#.E6.8A.80.E6.9C.AF.E8.BF.9B.E6.AD.A5.E5.AF.B9.E7.BB.8F.E6.B5.8E.E5.A2.9E.E9.95.BF.E7.9A.84.E4.BD.9C.E7.94.A8.E7.9A.84.E7.90.86.E8.AE.BA.E5.88.86.E6.9E.90

[3] Information Revolution – Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Information_revolution

[4] 每秒浮点运算次数 – 维基百科,自由的百科全书

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AF%8F%E7%A7%92%E6%B5%AE%E9%BB%9E%E9%81%8B%E7%AE%97%E6%AC%A1%E6%95%B8

[5] Intel 8087 – Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Intel_8087

[6] FLOPS – Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/FLOPS

[7] 索尼:Oculus Rift 确实 VR 效果更好,但 PS VR 更适合大众

http://cn.engadget.com/2016/03/10/sony-playstation-vr-oculus-rift/

[8] OpenCV – Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/OpenCV

[9] 大疆发布精灵Phantom 4,引入”计算机视觉”_36氪

http://36kr.com/p/5043959.html

[10] Official Google Blog: AlphaGo: using machine learning to master the ancient game of Go

https://googleblog.blogspot.com/2016/01/alphago-machine-learning-game-go.html

[11] Moore’s law – Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law#Enabling_factors_in_the_past

[12] 45nm High-k + Metal Gate Strain-Enhanced Transistors

ftp://download.intel.com/pressroom/kits/advancedtech/pdfs/VLSI_45nm_HiKMG-paper.pdf

[13] Intel® 22 nm Technology

http://www.intel.com/content/www/us/en/silicon-innovations/intel-22nm-technology.html

[14] 摩尔定律开始失效?英特尔下代芯片延后半年推出

http://cn.engadget.com/2015/07/16/intel-skylake-chips-delayed/

[15] Moore’s law – Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law#Future_trends

[16] 计算机战胜人类再等100年 围棋变化多过宇宙原子

http://www.weiqiok.com/news/SINA/2016/01/doc-ifxnzanh0299936.asp