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摩尔定律

整个信息技术(Information Technologies,简称IT)产业包括很多领域、很多环节,这些环节之间都是互相关联的。和世界上任何事物同样,IT产业也是不断变化和发展,并且有着它自身发展规律的。这些规律,被IT领域的人总结成一些定律,称为IT定律(IT Laws)。我们结合一些具体的例子,分几次介绍这些定律。在这一章中,我们将介绍摩尔定律(Moore's Law)、安迪–比尔定律(Andy and Bill's Law)和反摩尔定律(Reverse Moore's Law)。这三个定律和在一起,描述了IT产业中最重要的组成部分—计算机行业的发展规律。

科技行业流传着很多关于比尔·盖茨的故事,其中一个是他和通用汽车公司老板之间的对话。盖茨说,如果汽车工业能够像计算机领域一样发展,那么今天,买一辆汽车只需要25美元,一升汽油能跑400公里。1通用汽车老板反击盖茨的话我们暂且不论,这个故事至少说明计算机和整个IT行业的发展比传统工业要快得多。

最早看到这个现象的是英特尔公司的创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)博士。早在1965年,他就提出,在至多10年内,集成电路的集成度会每两年翻一番。后来,大家把这个周期缩短到18个月。现在,每18个月,计算机等IT产品的性能会翻一番;或者说相同性能的计算机等IT产品,每18个月价钱会降一半。虽然,这个发展速度令人难以置信,但几十年来IT行业的发展始终遵循着摩尔定律预测的速度。

1945年,世界上第一台电子计算机ENIAC的速度是能在一秒钟完成5?000次定点的加减法运算。这个30米长、两米多高的庞然大物,重27吨,耗电15万瓦。到2007年我第一次在Google黑板报上登这篇博客时,当时使用英特尔酷睿芯片的个人电脑计算速度是每秒500亿次浮点运算,已经是ENIAC的1?000万倍,体积耗电量就更不用比了。那一年(2007年),世界上最快的计算机IBM的蓝色基因(BlueGene/L),速度高达每秒钟367亿次浮点运算,是ENIAC的734亿倍,正好是每20个月翻一番,和摩尔定律的预测大致相同。2010年11月,世界上最快的计算机是中国的天河1A,计算速度高达2.57万亿次,仅仅3年,又比2007年IBM的记录提高了70倍。

计算机速度的提高如此,存储容量的增长更快,大约每15个月就翻一番。1976年,苹果计算机的软盘驱动器容量为160KB,大约能存下80页的中文书。今天,同样价钱的台式个人电脑硬盘容量可以到500GB,是当时苹果机的300万倍,可以存得下北京大学图书馆藏书的全部文字部分。不仅如此,这十几年来,网络的传播速度也几乎是按摩尔定律的规律在增长。13年前,我有幸成为中国第一批上网的用户,那时还是通过高能物理所到斯坦福大学线性加速实验室的一根专用线路和互联网相联,当时电话调制解调器的速度是2.4Kbps,如果下载Google拼音输入法需要8个小时。2007年,商用的ADSL通过同样一根电话线可以做到10Mbps的传输率,是13年前的4?000倍,几乎每年翻一番,下载Google拼音输入法或腾讯的QQ只要10秒钟左右。四年后的今天,一些地区光纤入户已经开始,网络的传输率又可以提升一个到两个数量级。在世界经济的前五大行业,即金融、IT、医疗和制药、能源和日用消费品,只有IT一个行业可以以持续翻番的速度进步。

人们多次怀疑摩尔定律还能适用多少年,就连摩尔本人一开始也只认为IT领域可以按这么高的速度发展10年,至于以后当时他也说不清了。而事实上,从二战后至今,IT领域的技术进步一直是每一到两年翻一番,至今看不到停下来的迹象。至少,在我第一次刊登这篇博客的2007年到2011年的今天,摩尔定律依然适用。在人类的文明史上,没有任何一个其他行业做到了这一点。因此,IT行业必然有它的特殊性。

和任何其他商品相比,IT产品的制造所需的原材料非常少,成本几乎是零。以半导体行业为例,2006年2时一个英特尔的酷睿双核处理器集成了2.9亿个晶体管,35年前的英特尔8086处理器仅有30?000个晶体管。虽然二者的集成度相差近10?000倍,但是所消耗的原材料差不太多。IT行业硬件的制造成本主要是制造设备的成本。据半导体设备制造商Applied Materials公司介绍,建一套能生产45纳米工艺酷睿四核芯片的生产线,总投资在30~40亿美元。从2006到2010过去的5年,英特尔公司的研发费用为每年六七十亿美元。当然,英特尔在研制酷睿的同时还研发了很多不成功的芯片,直接投到酷睿上的没有那么多。但是英特尔平均一年也未必能研制出一个酷睿这样的产品,如果把英特尔的研发成本摊到所有成功的芯片上,像酷睿这样的大芯片的研发费和英特尔一年的研发总预算是在同一个数量级。假如我们将这两项成本平摊到前一亿片酷睿处理器中,平均每片要摊上近100美元。这样,当英特尔公司最新处理器上市时,它们的价格总是很贵;但是,在收回生产线和研发两项主要成本后,酷睿处理器的制造成本就变得非常低,英特尔就有了大幅度降价的空间。在过去的5年里英特尔PC机处理器销量在两亿片左右,因此,一种新的处理器收回成本的时间不会超过一年半。通常,用户可以看到,一般新的处理器发布一年半以后,价格会开始大幅下调。当然,英特尔的新品此时也已经在研发中。

摩尔定律主导着IT行业的发展。首先,为了能使摩尔定律成立,IT公司必须在比较短的时间内完成下一代产品的开发。这就要求,IT公司在研发上必须投入大量的资金,这使得每个产品的市场不会有太多的竞争者。在美国,主要IT市场大都只有一大一小两个主要竞争者。比如,在计算机处理器芯片方面,只有英特尔和AMD两家;在高端系统和服务方面,只有IBM和太阳(已经被甲骨文并购);在3G手机处理器方面,只有高通(Qualcomm)、博通(BoardCom)、德州仪器(Texas Instruments,简称TI)和Marvell一大三小共四家。

其次,由于有了强有力的硬件支持,以前想都不敢想的应用会不断涌现。比如,20年前,将高清晰度电影(1?920×1?080分辨率)数字化的计算量连IBM的大型机也无法胜任;现在,一台笔记本大小的索尼游戏机就可以做到。这就为一些新兴公司的诞生创造了条件。比如,在10年前,不会有人去想办一个YouTube这样的公司,因为那时候网络的速度无法满足在网上看录像的要求;现在YouTube已经融入了老百姓的生活。

第三,摩尔定律使得各个公司现在的研发必须针对多年后的市场。我们不妨往后看10年,如果我现在提出10年后家庭上网的速度将提高一千倍,也许有人觉得我疯了。事实上,这是一个完全能够达到的目标。如果做到了这一点,我们每个家庭可以同时点播三部高清晰度、环绕立体声的电影,在三个不同的电视机上收看。还可以随时快进和跳跃到下一章节,在任何时候停下来后,下次可以接着看。在看三部电影的同时,我们可以把自己的照片、录像和文件等信息存到一个在线的服务器上,从家里访问起来就如同存在自己本机上一样快。这并不是我自己杜撰出来的幻想,我在2007年为Google黑板报写这篇稿时的想法,已经在当时思科和微软等公司已经开始实施的IP–TV的计划中。后来虽然无论是思科,还是微软这方面都没有做成功,因为它们太大、行动太慢;但是苹果、Google和Netflix(一家以邮递出租电影、电视剧的公司)现在基本上把这件事做成了。2010年,Google甚至提出了比我四年前提出的每户100Mbps更激进的光纤入户的设想,那时每家的上网速度真将提高上千倍。

当然,任何事情都是有两方面的。摩尔定律的存在,让现有的IT公司必须有办法消除摩尔定律带来的不利因素,即每18个月价格降一半。这一点,我们在接下来的两节中再讨论。

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