为何摩尔定律一直没死，但人们还在预测它要死

本文来自微信公众号：investguru（ID：investguru），作者：王川

1. 关于摩尔定律的话题，2016年，我在微信公众号里写了六篇连载文章， 标题叫做“摩尔定律还能走多远？”

2. 那么最后的结论是摩尔定律是个经济规律， 是一个技术发展，市场扩大，单价降低，利润再回馈到研发的良性循环。参见我最近的文章《王川: 用摩尔定律武装自己》。

3. 但是仔细观察，会发现存在这样一个问题，就是很多业界的大拿，不断预测摩尔定律要死掉，但是摩尔定律从1965年四月被首次提出来以后已经五十五年了，一直没死。

4. 著名芯片设计专家Jim Keller在最近和Lex Fridman的一个访谈中， 是这么讲的：

“我被告知， 摩尔定律在十年到十五年内要死掉。我开始以为这是真的，但是十年以后，人们还是说它在十年到十五年内要死掉。然后有一段时间人们说它在五年内要死掉，然后又回到十年。后来有一天，我决定，不再担心这个事情了。

然后我加入英特尔，所有的人都说摩尔定律要死了。我当时想，这好悲哀，英特尔就是摩尔定律的公司。但是摩尔定律没死，它总是即将要死。你知道，人性总是喜欢那种世界毁灭之类的言论，我们会没吃的了、会没空气了、会没有生存空间了等等。”

5. 先把摩尔定律给回顾一下，传统定义是单位面积的晶体管数目每两年翻一番。但实际上它底下有好多不同的技术参数和维度。摩尔定律，2020年和1980年相比:  

• 单个晶体管的成本：从0.1美分跌到一亿分之一美分，一千万倍的变化；

• 单位面积的晶体管数目：从每平方毫米一千个，变成每平方毫米一亿个，十万倍地增长；

• 单个芯片上的晶体管数目：十万，变成三百亿，三十万倍的增长；

• Fab的成本：一百万到一百亿美元，一万倍的增长；

• 时钟速度：五百万赫兹到五十亿赫兹，一千倍的增长。

这些数据来自2019年九月Jim Keller在加州大学伯克利分校做的一个公开演讲。

6. 如果按照单位面积的晶体管数目来算，四十年涨十万倍，大约每两年平均增长78%， 接近翻番。从芯片设计者的角度看，基本上就是同样数目的晶体管，每两年面积减少到以前的大约 60%。如果按照单个晶体管成本来算，四十年一千万倍的变化，就是每两年价格变成原来的45%， 或者说同样的钱两年后可以买2.24倍的晶体管，这个速度比晶体管密度的增长还稍微要快一点。

7. 按照Keller的解释， 人们以为摩尔定律就是一件事，晶体管变小，但表面之下有几千个不同的创新，每一个单一的技术创新路径，都有自己的指数增长然后回报递减的曲线， 这个英文叫做s-curve。可以看一下这张图：

8. 如果你是那一个单一技术创新路径的专家，过去几年指点江山，非常爽，觉得自己有上帝视角，你可以看得很清楚。同时你也知道，你这个技术路线，还有五年到十年就走到尽头了。而替代你的技术路径创新，有很多潜在不同方向的选择，很多路径和现有技术路径不是一个范畴，现在的专家不懂很正常。

但是这些替代的技术路径，暂时还在萌芽状态，还处于不成熟，相对简陋的状态。现在的专家无法提前看清楚，所以他很自然地就会对周围的人、对媒体说：“摩尔定律还有几年就完了。”但是我们作为旁观者，如果把这个专家的判断当作金科玉律，并以此指导投资，必然出问题。

9. 比如说，想象一个芯片设计专家，以前一直是做单核处理器的。很长时间摩尔定律的增长，是靠提高处理器的时钟速度，从七十年代初的一个MHz涨到2000年的一个GHz， 涨了一千倍。到1995年的时候，他看得很清楚，处理器时钟速度上升的空间不多了，再过六七年，超过了三个GHz， 要把时钟速度提高，存在芯片过热，甚至面临被烧毁的危险，没法更快了。

然后他会很自然地说，摩尔定律再过五年到十年就死了，时钟速度无法提高了。但他只是一根筋地去想时钟速度无法提高。如果别人跟他说，我们可以用多核处理器，我们可以增加缓存在芯片上的比例，高度并行的GPU会用于神经网络计算；2012年十月人工智能图像识别有大的突破，2016年GPU支持的人工智能机器可以打败围棋世界冠军；这些东西，要给一个 1995年的芯片设计者讲，是鸡同鸭讲，他无法理解，也无法想象的。他就只会像祥林嫂一样地重复，时钟速度无法提高，摩尔定律要死了。 

10. 再举一个例子，晶体管小型化的过程中，漏电的问题越来越明显，原来栅极底下用的是二氧化硅的材料，当晶体管的栅极长度缩减到45纳米，会有严重漏电现象，没法再缩小了。后来在2007年，英特尔采用了所谓Hi-dieelectric Metal Gate高K金属栅极晶体管的技术， 解决了漏电的问题。但是缩小到25纳米的时候，又会有个短沟道效应的漏电问题，2011年又采用FinFET技术解决了这个漏电问题。7纳米以下，现在替代FinFET的新架构叫做Gate-all-around FET (GAAFET)。 

11. 一个硅原子的直径大约是0.2纳米，7纳米大约相当于三十多个硅原子， 所以我们小型化到两三个原子的尺度，还有十年左右。如果现有物理尺度小型化到了极限，潜在的替代技术路径还有自旋电子学 (Spintronics)的自旋态、基于量子隧道效应的隧道结等等。就不一定非要在物理小型化上面做文章，但仍然实现等价的计算能力的提高。到时候怎么做，走一步看一步就好了。

12. 事后看这个技术演变，里面有个很大的误区，就是“事后诸葛亮，事前猪一样”。因为上面提到的不管是高K金属栅极晶体管的技术，还是FinFET 还是GAAFET，还有现在最新的极紫外光刻技术EUV、多核处理器GPU、专属人工智能芯片等等，都是若干个技术互相竞争。很多其它技术路径的研发都失败了，只有这几个东西冒头了， 成了最佳选择。

在它们成功之前，我们以为摩尔定律已经到了穷途末路，即使对未来有希望，也并不确定下面的出路在哪一个方向。在当时来看，未来存在极大的不确定性。但后人看这段历史，以为它们是自然而然设计安排好的，注定要在某个时间出现的。这种历史观是不符合实际， 极为谬误的。

13. 那会有悲观者来质疑，你怎么可以保证新的技术就比现在的技术更好、更快？

这个问题可以这么看：

• 第一，我们每个人已经知道的解决方案，实际上只是冰山一角， 还有很多东西我们不知道。或者说，即使在做这些事的人，他们也不知道可以在哪里产生突破。

• 第二，因为晶体管的单价下降，半导体芯片惠及的市场更大，所以最终更多的研发资金会继续投进来。

• 第三， 参与半导体研发的人员数目更多。

• 第四，通讯费用不断下降，更多人可以共享研究成果，提高合作效率。

• 第五， 研发者使用的工具本身，不管是软件还是硬件，同样的人和资金，做和以前一样的事，效率要更高了。

14. 总之，就是更多钱，更多人，更好的工具，更快的通讯，多个提高晶体管密度的解决方案齐头并进，这些解决方案中冒头的最佳方案，肯定会不断超越以前的解决方案的效率。但是在那个赢家冒头之前，我们很难提前预测结果。而悲观者，只是看到自己技术路径的局限，无法看清也无法全面理解其它几千个他看不到的创新。再加上这些早期创新的内在不可预测性，所以从他的视角来看，悲观情绪是非常有道理的。 

15. 最后再把这个逻辑梳理总结一下：

第一，摩尔定律本质是多个技术创新的S曲线，后浪推前浪的发展过程。

第二，当前S曲线的技术路径上的专家，拥有上帝视角，被外行尊敬，感觉良好。

第三，这些专家对技术路径在未来五年到十年可能会遇到的瓶颈、局限，都非常清楚。

第四，因为当下其它多个潜在替代技术创新还在早期，一时看不到十年后的替代方案，所以这些专家的悲观情绪，是非常符合他的有限视角的逻辑的。

第五，这里面的关键是：事前很难预测十年后，那个新的技术路径会冒头。绝大部分其它技术路径，要么彻底失败，要么因为不是最佳方案所以不会被广泛采纳。这些失败者的悲观情绪，也是符合他的有限视角下的逻辑的。

第六，一旦某个冒头的新技术路径， 他的S曲线增长超越老的技术路径， 新技术路径里的专家，将会拥有上帝视角。老专家的预测会很快被人遗忘。

第七，新技术路径往往是从一个新的维度发展，但是仍然可以实现芯片的密度和性价比更高的最终目的，继续推动摩尔定律向前发展。

第八，因为新技术路径，相对于老的技术路径拥有不同的维度和结构，很难被老技术路径里的专家所提前预测，理解和迅速接受。所以他们事前的悲观态度，是几乎不可避免的。

第九，新技术路径超越老的技术路径，本质是几千个创新的集合中冒头的最佳选择，超越老的系统集合中的最佳选择。而具体的单个创新路径，则无法保证可以成功。这里面涉及到一个重要的概念，叫做Ensemble Average，即系综均值，以后专门展开介绍。摩尔定律，本质上可以看成是多个创新系统的系综均值不断前进。

第十，后人没有全面的历史视角，会误以为新技术路径的冒头是事先计划安排好的，必然的。那么当他发现自己计划好的技术路径遇到了增长瓶颈，处处碰壁， 悲观情绪不可避免。

第十一，现在你知道了，为什么那些专家预测摩尔定律马上要死了的观点，是错误的。那么当你看到有人下注，做空摩尔定律，你就知道该采取什么正确的做法了。不管他以前是多么牛的专家，新的技术路径下，他的观点价值不大。

第十二，因为你知道他错误的根源在哪里，你知道他为什么会有悲观情绪，你也知道为什么他无法被劝说，所以你不会和他们浪费时间，你会平静地在资本市场上，寻找做多摩尔定律的切入口。

17. 下面这句话，据说来自微软的一位名叫 Peter Lee 的高管：

“预测摩尔定律要死掉的人数，每两年翻一番。” 

本文来自微信公众号：investguru（ID：investguru），作者：王川