戈登摩尔和他的摩尔定律
2023 年 3 月 24 日,英特尔和戈登与贝蒂·摩尔基金会在官网发文宣布:戈登·摩尔在夏威夷的家中离世,享年 94 岁。在 Intel 官网的文章中写道,摩尔先生在家人的陪伴下,在夏威夷的家中平静离世。在其离世一年后的今天,让我们再一次缅怀摩尔先生。以下是 2023 年 3 月 24 日 Intel 官方 Twitter 账号发出的原文:
https://twitter.com/intel/status/1639418740243861504
摩尔在总共四页的文章中,首先提到了集成电路的发展情况,然后对成本进行了估算。在第二页一个不起眼的角落里写道:
The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year (see graph on next page). Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65,000.
文中非常粗略地提到了每年翻倍的速度,该翻倍的过程会至少以当前速度发展 10 年的观点,即摩尔认为:在 1975 年之前,每一块微芯片中的元件数量每一年都会是之前的 2 倍,到 1975 年时一块微芯片中电子元件的数量会达到 65000 个。
以下是对公告的总结:
文章中对摩尔的生平给出简略介绍,提到了他与同事罗伯特·诺伊斯共同创立了英特尔公司,同时投入慈善事业并创立戈登和贝蒂·摩尔基金会,至今已向慈善事业捐赠超过 5 亿美元。
摩尔以其著名的摩尔定律对技术行业发展产生深远影响。该定律预言了集成电路上晶体管数量每两年翻一番的趋势,推动了半导体行业的创新和发展。
英特尔公司 CEO 表示将继续追随摩尔的愿景,并以科技的力量改善地球上每个人的生活。
总结来说,摩尔的生平可以大致分成以下几个阶段。
早年经历
1929 年出生在美国加州旧金山农业小镇佩斯卡德罗。在加州大学伯克利分校获得化学学士学位后,摩尔进入加州理工学院继续深造,并获得物理化学博士学位。
入职和”叛逃”:1956 年,诺贝尔物理学奖得主、晶体管共同发明人威廉·肖克利(William Shockley)让他担任刚刚建立的肖克利半导体实验室的化学研究员。1957 年,由于老板滥用职权且反复无常,摩尔和肖克利实验室的其他 7 名科学家和工程师愤然出走,成立了仙童半导体公司(八叛徒事件),专门生产高质量硅器件。在摩尔的领导下,该实验室取得了两项重大创新成果:即集成电路和”平面”晶体管制造工艺。
摩尔定律提出:1965 年,摩尔在一本行业杂志《电子学》(Electronics)上发表了如今赫赫有名的”让集成电路填满更多元件”一文。他认为,集成电路将很快变得越来越复杂,从而降低成本。“摩尔图”显示,自 1959 年平面晶体管问世以来,每块微芯片的组件数量每年都增长一倍。他预测这一趋势还会持续十年。
ps:Electronics 目前处于 SCI 三区,影响因子是 2.9。该文章原文可以在 cva.stanford.edu/classes/cs99s/papers/moore-crammingmorecomponents.pdf 查看。
退出仙童,创建 Intel
让我们把视角暂时从摩尔定律中拉回来,继续瞻视摩尔先生的经历。1968 年,摩尔和诺伊斯一起退出仙童公司,创办了 Intel。 公司生产的第一个重要产品 Intel 1103 存储芯片于 70 年代初上市。1972 年,Intel 销售额就达到 2340 万美元。 从 1982 年起的过去 10 年间,微电子技术共有 22 项重大突破,其中由 Intel 公司开发的就有 16 项之多。
事实上,Intel 公司的发展史值得大谈特谈。在 Intel 创立之初的年代,以蓝色巨人之称的 IBM 为代表的计算机企业,都是用自己生产的中央处理器,但是 Intel 公司却凭借 286、386、486 等处理器奠定了其在计算机领域的地位。其架构至今是所有计算机专业课程的必学知识点之一,其 x86 的架构以及复杂指令集等都是在学术上和商业上极其成功的典范。
1989 年,摩尔从主席职位上光荣退休。
慈善家的转身
2000 年,戈登·摩尔和他的妻子贝蒂一起捐款 50 亿美元发起成立了”戈登·E·摩尔与贝蒂·I·摩尔基金会”,这是全美国最大的慈善基金会之一。在美国《商业周刊》发布的 2005 年美国”50 位最慷慨慈善家”排行榜中,摩尔夫妇在 2001 年至 2005 年期间共捐款或承诺捐款 70.46 亿美元,全球首富比尔·盖茨夫妇在该期间内捐款或承诺捐款 54.58 亿美元。摩尔与妻子贝蒂取代了盖茨与妻子梅琳达,赢得了”最大慈善家”的头衔。
互联网野蛮生长的潮水退去,摩尔定律还有效吗?
摩尔定律的本质
对于摩尔定律的解读,有人认为它是指芯片上的晶体管数量每两年翻一番,而有人则认为它是指计算能力每两年翻一番。这两种理解其实都不准确。真正的摩尔定律是指:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔一年便会增加一倍,性能也将提升一倍。
看到这里,有的朋友可能会疑惑:为什么我在课堂上学到的是每隔 18 个月?
这是因为摩尔定律的提出者戈登·摩尔在 1975 年的一次讲话中将这个时间修改为两年。而”18 个月”则来源于 Intel 的执行官大卫·豪斯,他认为芯片性能的提升除了来自晶体管数量的增加,还有来自运行速度的提升。
所以说,这个”定律”是被不断完善的,它并不是物理规律。物理规律具有通用性和普遍性,是在大量的现象中总结出来的,例如物体的运动速度(v = s / t),牛顿第二定律(a = F / m)等,不管我们处在冰河时代还是未来可能出现的赛博朋克时代,不管我们在夏威夷还是在北极,只要物理条件不变,那么规律不会改变。
因此,摩尔定律更像是一个商业定律,像是一个行业规范或者行业标准。一条线划在这,时间到了,芯片的性能也要达到这个标准。摩尔后来说,他没想到这个预测会得到如此精确的遵循:
“我只是想传达这样一个想法:这是一项有未来的技术,从长远来看,它有望做出相当大的贡献。”
(“I was just trying to get across the idea this was a technology that had a future and that it could be expected to contribute quite a bit in the long run.”)
尽管它并不是物理定律,但却准确地预测并推动了半个世纪的半导体行业发展。它已经从一个观察和预测,变成了工业界的目标和指南,驱动着科技行业的持续创新和发展。
摩尔定律还”活着”吗?
在摩尔定律的影响下,个人计算机、互联网飞速发展。《埃隆·马斯克传》中提到硅谷时曾经说过:
那是科技业非理性繁荣的十年,人们只需要在创意后面加上”.com”,保时捷就会电闪雷鸣一般从沙山路上俯冲下来,风险投资人们手中挥舞着支票,已经急不可耐。 —— 《埃隆·马斯克传》第 09 章
在马斯克入学斯坦福之前,曾经焦虑过是去上学、还是去创业做互联网地图和目录黄页。因此在入学前夕,马斯克曾经向他的贵人——加拿大丰业银行的彼得·尼科尔森请教,而这位斯坦福博士毕业的银行家直截了当地告诉马斯克:互联网革命,你一生只能遇到一次,所以要趁热打铁。你如果还喜欢念书,以后有的是机会去读研究生。
现在再来审视这个问题。假如在当前的时代,你面临同样的选择:是去读世界排名靠前的斯坦福的博士,还是去创业?我想大部分人都会选择与马斯克不同的选项。虽然不能以常人的眼光去看待马斯克,但你不得不承认,就算是马斯克现在的时间环境下再进行选择,恐怕也会选择第一项去读博士。而且你还不得不承认的是,互联网野蛮生长、群雄割据的”青春期”已经过去了。
互联网已死,互联网万岁。我们在这里不聊当今互联网的发展,这值得大书特书,但不是在这里。我希望能够通过更加特别的方式去纪念我所感受到的互联网的高潮和落寞。但话说回来,没有摩尔定律的支持,芯片发展的速度就不会如此之快;没有芯片的发展,就没有当今的互联网。
这其中有一个非常简单的逻辑:芯片的发展造成在价格不变的情况下,内存的容量更大、存储的容量更大、CPU、GPU 的速度更快,因此,更大的软件可以被发布运行、更精致的游戏可以被开发、更大的模型可以被训练。这一切向前回溯,总归有一个节点属于摩尔定律。
那么我们就可以问:摩尔定律还有效吗?它的尽头在哪里呢?
摩尔定律已经过时?
实际上,“摩尔定律已经过时”这一言论已经不是第一次被提出了。9 月 21 日的 2022 GTC 线上大会上,英伟达 CEO 黄仁勋发布了 RTX 40 系列显卡,公布了全新 GPU 架构 Ada Lovelace 等产品技术和服务。在会后的媒体采访中,当被问到充满争议的定价问题时,黄仁勋把其归结于摩尔定律的死亡:
今天一个 12 寸晶圆的价格不是贵了一点,而是贵了超级多。摩尔定律死了,它结束了,结束得很彻底。芯片价格会随时间降低的故事已经是过去时了。计算已经不再是个芯片问题,是软件和芯片共同的问题。 —— 黄仁勋于 2022 GTC 线上大会
英伟达 CEO 在 2024 年的市值为 2.36 万亿美元,黄仁勋的言论我们不得不慎重对待、认真思考。但再看可以发现,黄仁勋认为在当前的时代下,微处理器已经无法延续过去的发展速度,我们称之为”摩尔定律”的发展规律正在失效。半导体的物理特性决定了我们不能再按照登纳德定律进一步发展。通过调整超标量体系结构以及预测执行、增加管线尺寸,已经跟不上每年将芯片密度提升 50% 的目标了。
什么叫调整超标量体系结构以及预测执行、增加管线尺寸?
因为现在的芯片制程谈到 7 纳米、3 纳米,不是真正的 7 纳米。也就是说,它并不是指的是栅极长度(gate length),或者半节距(half-pitch)——因为这种晶体管我们无法制作。现在的 7 纳米,实际上是等效 7 纳米,而是通过芯片收缩(die shrink),减少晶体管的尺寸而达到”降本增效”制作的”7nm”芯片。也就是说,在当前的材料下,无法制作真正的栅极长度为 7 纳米的芯片,制程已经成为了一种宣传手段,不管是台积电还是三星,制程节点的影响已经变成了跟宝马 5 系、宝马 7 系一样的数字游戏。
所以从这一点来看,黄仁勋的言论十分正确。摩尔定律确实是死了,而且是早就死了。材料无法进一步提升,只能从其他工艺提升芯片的性能。这其实是行业内公认的事情,黄仁勋的话不过是给摩尔定律掀开了遮羞布而已。
摩尔定律发展良好?
似乎是为了反击黄仁勋在 2022 GTC 大会上的言论,在 2022 年 9 月 28 日凌晨 1 点,英特尔 CEO 帕特·基辛格在英特尔 On 技术创新峰会上如此说道:
人们长期以来一直怀疑摩尔定律的”寿命”,但摩尔定律还将继续向前发展。“摩尔定律很有效,至少在未来的十年里依然有效”。 英特尔还将一往无前,挖掘元素周期表中的无限可能,持续释放硅的神奇力量。英特尔已经制定了在 4 年内交付 5 个节点的大胆计划。Intel 18A 制程 PDK 0.3 版本现在已经被早期设计客户采用,测试芯片正在设计中,将于年底流片。凭借 RibbonFET、PowerVia 两大突破性技术,High-NA 光刻机等先进技术,英特尔希望到 2030 年在一个芯片封装上可以有 1 万亿个晶体管。
其实纵观两位顶尖公司的 CEO 的言论会发现,大家一致认为目前材料无法进一步提升的情况下,晶体管的数量无法继续增加。我们无需懂得基辛格说的 RibbonFET、PowerVia 两大突破性技术、High-NA 光刻机等先进技术是什么,但我们可以知道的是:在未来,芯片的性能仍然会继续提升。那么从这个角度来说,“摩尔定律仍然发展良好”这一表述似乎并不过分。
一年后的今天,面对摩尔定律,我们还能做什么呢?
前两天听到一句话:当一个人的智商不匹配他的财富,那财富就会回到匹配他的人手里。所以我们是否可以武断地下结论:
当摩尔定律在材料上无法再进一步的时候,会从另外一个角度上产生类似摩尔定律的效果吗?
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”**
- 能耗方面的库梅定律
技术的摩尔定律
我想,在技术领域,也有自己的摩尔定律。虽然这个结论振奋人心,但实际上对于开发者来说并不友善。
一个很现实的事情是:“技术”这个东西,是一个持续贬值的东西,而且从长期来看是不会增值的。如果说技术界相较于芯片来说的话,可能也会存在一个摩尔定律:
技术每过 18 个月,同样的代码,价值减少一半。 —— Eniac
技术本身会不断贬值,是有着明确的内在逻辑的——也就是程序员们不重复造轮子的 DRY 原则:
Don’t Repeat Yourself.
任何一段写好的代码,边际成本为 0。就像是你拉着一头驴磨出来一袋子面粉,全国人民都可以拿着这个面粉去蒸馒头,那你的面粉也就不再值钱了。
在技术商品化之后这种现象更加严重了。如果说开源是技术贬值的第一部分,那么 SaaS 乃至于 NoCode 的发展,砸了更多程序员的饭碗。如今低代码平台甚至无代码平台的出现,导致一些简单的需求不再需要程序员了。AI 的出现更是导致,在可见的未来不会需要低端程序员了。
我简单举两个例子:
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ChatGPT 和 Copilot 的出现,导致代码的编写成本急剧下降。一些简单的脚本可以直接生成,一些函数的完善可以由 Copilot 直接补全,甚至编写之后的完成度和可读性都比刚入行的程序员要好得多。
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原本自然语言处理需要针对需求训练不同的模型,虽然像是百度 UIE 的出现导致成本下降、操作简单,但仍然避免不了”一个需求一个模型”的结局。例如我需要一个解析地理位置的脚本,就要一个模型;如果我需要一个解析时间的脚本,同样也需要一个模型。但是大模型的出现导致这种需求可以通过简单的 Prompt 提示词的编写进行快速开发上线。
过去十年,尤其是中国,是有着互联网红利和工程师红利的。不管你是个什么,只要能随便写几行代码就能挣大钱。尤其是移动互联网 10 年左右刚在中国发展,国内大量的”二把刀”程序员们都实现了财富自由,更别说这些真正的 Coder 了。
接下来的十年,可能不会再有工程师红利了。软件工程师这个职业会分化成两种:要么你能做到”世界二流”工程师(或者说高级技工——我一直觉得这是对纯粹的 Coder 的最高也是最低的评价),要么就变成一个只会搭积木的人(参考”脚本小子”的说法,我可以称他们为”积木小子”)。
互联网狂欢落幕。在以后的发展中一定要记住:大厂的主要利润是来源于”垄断”,并不是”技术”。技术垄断的前提是时间和资本垄断,或者说随着时间的增加,技术垄断会变成时间和资本垄断,雇佣关系逐渐变成买方市场。
我想,这是这一年中,摩尔定律给我的最大的感触。望各位 Coder 共勉。