不死的摩尔定律

虎嗅注：不久前，英特尔官方Twitter发布公告，戈登·摩尔去世，终年94岁。他在1965年提出对半导体和计算机产业影响深远的“摩尔定律”，而后在1968年和罗伯特·诺伊斯、安迪·格鲁夫联合创办英特尔。关于“摩尔定律”，业界也有很多争议，讨论最多的就是进入移动互联网时代后，这个定律是否已经失效。今天这篇文章仅提供一个视角，帮助各位了解戈登·摩尔、了解“摩尔定律”。

本文来自微信公众号：腾讯研究院（ID：cyberlawrc），首发于2022年12月4日，作者：闫德利，题图来自：视觉中国

摩尔定律是数字技术第一定律

1965年4月19日，仙童半导体的戈登·摩尔在《电子学》杂志上发表名为《让集成电路填满更多元件》的文章。文中写道：“最低元件成本的复杂性以每年翻一番的速度增加。可以确信，在短期内这一增长速度即使不加快，也会继续保持。从长期来看，增长速度会略有波动，但有充足的理由相信，该速度至少还能持续10年。”

这就是摩尔定律（Moore's Law）最原始的表述，也是使戈登·摩尔青史留名的一段话，尽管他还有诸多非凡成就——成功的企业家、慷慨的慈善家、总统自由勋章和国家技术奖获得者。其后，“每年翻一番”的论断先后被修正为“每两年翻一番”“每18个月翻一番”，从而有了今天常见的表述——“集成电路上晶体管数量每18个月（或24个月）翻一番。”摩尔定律是数字技术第一定律，描绘了半导体呈指数速度发展，指引着芯片行业前进步调。

庄子有言：“一尺之捶，日取其半，万世不竭。”形象地说明了物质的无限可分性。摩尔定律所揭示的就是集成电路上的晶体管按照类似“日取其半”的速度不断缩小，所集成的晶体管数量呈指数增加。1971年第一款商用微处理器Intel 4004问世，它采用10微米工艺制程，有2250个晶体管。五十年后的今天，最先进的工艺制程达到了2纳米（按当初命名规则，“微处理器”早应改叫“纳处理器”了），晶体管数量数百亿个。

以苹果A16处理器为例，它基于4纳米工艺制程，包含160亿个晶体管。相较于Intel 4004，制程缩小了2500倍，晶体管数量增加了710万倍。荷兰光刻机巨头阿斯麦（ASML）预测（2021），到2030年拥有3000亿个晶体管的芯片将问世。下图是自1970年以来代表性芯片所集成的晶体管数量。注意纵轴刻度单位是非均匀的，是10倍跨度，是指数增长。

图 历年代表性芯片所集成的晶体管数量（来源：维基百科）

体积缩小、性能提升的同时是价格的大幅下降。“五十年令人麻木的快速进步，已经将价格100美元仅有几十个晶体管的芯片变成了价格仅10美元却含有几十亿个晶体管”（Chris Mack，2015）。如今一部普通智能手机的计算能力，已远超帮助人类登上月球的大型计算机，而且便宜到人人可负担。

类摩尔定律普遍存在

摩尔定律是数字时代的核心准则。“每隔一段时间就翻一番”的进步速度在数字技术领域普遍存在，它们有着各自的“摩尔定律”。比较典型的是带宽方面的吉尔德定律、网络方面的梅特卡夫定律、数据方面的“大数据定律”和能耗方面的库梅定律。如下表所示。

表 数字技术的类摩尔定律

来源：腾讯研究院，2022年6月。

乔治·吉尔德被誉为“数字时代三大思想家之一”，曾师从美国原国务卿基辛格。他认为，带宽的增长速度至少是半导体的三倍。即“主干网的带宽每6个月翻一番”，这被称为吉尔德定律（Gilder's Law）。

梅特卡夫定律（Metcalfe'slaw）也是由乔治·吉尔德提出，以以太网之父罗伯特·梅特卡夫命名。其内容是：一个网络的价值等于该网络内节点数的平方。其表述方式不是典型的“每隔一段时间就翻一番”，但同样是幂次增长。

“全球（新产生的）数据量每两年翻一番”，是业界公认和流行说法。IDC（2011）、enFact（2016）、Brian Gallagher（2020）和美国《2016-2045年新兴科技趋势》，均有此论断。该指数增长规律尚未命名，姑且称之为“大数据定律”。

数据量井喷式增长，给人们的直观感受是计算机耗电量必随之大幅增加。而研究表明，数据中心耗电量并不会和数据规模同步增长，效率的提高使其能耗在社会总能耗中的比例几乎保持不变。斯坦福大学乔纳森·库梅教授提出了著名的库梅定律（Koomey's Law）：计算机的能源效率大约每18个月翻一番，即计算设备的耗电量每18个月就会下降一半。

摩尔定律是一个自我实现的预言

微软研究院副总裁Peter Lee曾说过（2015）：“有一条关于摩尔定律的定律。预测摩尔定律失效的人数每两年翻一番。”自提出以来，摩尔定律就不断受到质疑和挑战，不断有人预测它即将走向终点。连摩尔本人也低估了技术进步的潜力，他最初的预测是可持续10年。令人惊讶的是，五十多年来人们总能突破极限，摩尔定律仍然有效。而且这种进展十分稳定，几乎没有加速、下降或者停顿。战争与和平、繁荣与衰退，似乎对摩尔定律都没有影响。历史学家称之为“现代世界的节拍器”。

与牛顿运动定律、热力学定律、宇称不守恒定律等物理学定律不同——它们是客观存在的、不以人的意志为转移，摩尔定律是经验法则，是自我实现的预言，描述的是人们付出努力所获得的结果，体现的是主观能动性。摩尔定律长期有效的根本原因在于人们的创造力，工程师一直想方设法通过制程创新、工艺创新、封装创新和架构创新来延续摩尔定律。不努力，就不会有摩尔定律，就不会有持续的技术进步。

预期是什么，未来就是什么。让人真正执迷的从不是什么晶体管的大小和密度，而是对技术进步的期望以及为此所付出的努力。如今我们要在拇指盖大小的芯片上做出更多晶体管（如800亿个）、更小制程（如2纳米），是十分困难的事情。之前又何尝不是？比赛结束前，每一场球赛打得都不会容易；获得成功前，每一次技术突破都不会轻松。当然，从唯物辩证法角度看，任何单一事物总会走到尽头。晶体管是一个物理对象，无法逃脱物理定律的约束。哪怕有一天它真的失效了，我们也确信，“通过创新，排除万难，去推动更大进步”的摩尔定律精神会永续存在。

我们即使不能再提高陆地速度，却还可以飞向天空。

本文来自微信公众号：腾讯研究院（ID：cyberlawrc），作者：闫德利