傳統硬體發展真的走到盡頭了嗎？
大家都知道，信息大類培養的是有志於發展IT產業的工程師。在2018年，新生將進入四個學院進行學習：電子，計科，軟工和信安。電子主攻的是硬體系統——包括通訊、集成電路、片上系統（SOC）、信號處理、信息存儲等；計科主攻的則是建立在硬體架構上的系統軟體和應用軟體；而軟工側重於應用軟體，信安則專攻近年來愈發受到重視的信息安全領域，兼顧硬體和軟體。有一句話叫做「軟硬不分家」——比如，計算機專業的同學也要對CPU的結構有一定的了解，了解硬體的邏輯圖；而電子專業的同學也要應用編程來燒寫單片機、輔助系統設計和進行模擬模擬等。
隨著現階段人工智慧、虛擬現實等技術的飛速發展以及區塊鏈等技術的熱門，新的演算法和應用如雨後春筍般湧現。而與此同時，傳統的集成電路和無線通信的發展似乎進入了一個平穩發展的緩慢期。其實，這是由於前一階段硬體發展過為迅猛，片上系統爆髮式的發展給現在各種應用創造了硬體基礎。而硅晶體管的製程工藝受制於單晶硅的物理性質難以繼續迅速發展，暫時只能在現有的硬體基礎上進行外圍設備和應用級的優化。
但是我們必須清楚的看到，軟體和硬體的發展趨勢，是波浪形的發展。不論到什麼時候，軟體平台都離不開硬體平台的支撐，現在應用的飛速發展只是對近十年用戶體驗停滯不前的彌補。由於硬體發展投入極大，沒有充足的資本，很難做出創新。當應用由於硬體受限難以繼續向前時，硬體才能有創新的動力和必要性。某電子企業的研發成本控制文檔顯示，其硬體的可控成本基本上有四類：改進設計，更改設計方案，物料成本和改換部件。其中，改進設計可產生一半左右的成本，而這個過程需要艱辛的探索和多次的「trial and error」。（學習模電的同學可能會有深刻的體驗。）例如，2016年被稱為VR元年，由於資本大量湧入VR行業，才集中誕生了數十款VR頭顯，才促成了GPU對VR的優化和兼容。硬體的發展往往是被動的——因為廠商們看到十數年前的頻率競賽、核心競賽都以兩敗俱傷告終，並且隨著研發成本的持續上升，廠商的商業模式也發生了變化。技術導向的思路，逐漸被資本導向所取代。
（圖片來源：知乎用戶@astrogeo）
由於資本的逐利性，產品需求，成為了研發的動力——過激的、毫無目的的研究和探索，只會導致資本的浪費。所以，只有需求提升，硬體才有研發動力。
而硬體要繼續發展，有著巨大的阻力和挑戰。近幾年移動互聯、雲和物聯網的應用中，應用對網路通信帶寬、延遲和可靠性的要求越來越大；隨之而來的是通信的頻率越來越高，甚至達到了可見光的波段。了解電氣元件的同學應該知道，高頻電路對於元件的物理特性是一個巨大的挑戰，許多元件在很高的頻率會發生物理性質的畸變，如放大電路可能無法保持線性放大而使得信號失真。如何解決這一問題，不僅僅是電子行業，材料學的發展更是一個堅實的支撐。而且，不同的應用環境對於硬體系統也是一個巨大的挑戰——嚴寒，低氣壓，潮濕，都對硬體性能有巨大的影響。前段時間蘋果手機過冷關機門，其實就是硬體系統在極端環境下的自我保護。
與此形成鮮明對比的是，軟體應用是建立在理想的硬體環境之上的。一個演算法的時空複雜度僅對輸入數據敏感，具體的運算速度主要取決於系統軟體的優化和硬體的實際性能，並不需要考慮複雜的環境因素。對軟體的魯棒性的優化，遠比對硬體穩定性優化來的容易，要考慮的因素相對來說少的多。所以軟體工程師們可以較為自由的發揮硬體的性能——當然前提是硬體的穩定性要過硬。
事實上，近些年通信領域的急速發展，又讓我們看到了硬體行業的一個突破口——改善設備之間的通信，以分散式計算代替集中計算。信息的共享、信息的「公平性」得到了改善，由此產生的雲、區塊鏈等概念獲得了巨大的關注，但同時這種分散式計算帶來的信息安全問題也被提上了日程。這也是北航設立「北航網路空間安全學院」的一個原因。北航建立的網路空間安全學院由多個學院聯手發力，主攻信息安全、信息對抗、密碼學等方向，橫跨理工法管多個領域。這是IT發展的大勢所趨，也是傳統電子工業發展百年來的又一個突破口和發展點。
我們可以看到，迅速的發展點一個又一個的出現——FPGA的應用，物聯網應用，乙太網組網，無線通信，量子通信等等。許多前軟體大型企業，也開始投身硬體研發，如微軟近年來推出的Surface，Adobe推出的觸控筆，Google也舉辦了I/O大會展覽硬體。面對這樣一個極為廣闊的發展空間，硬體工程師往往會感到迷茫。但是硬體工程師應該保持好奇心，不斷地進行學習，了解現階段IT產業的發展趨勢，了解市場對電子產業的需求。不要感到慌張和自卑，硬體工程師就是要有這種精神——就如喬布斯在一次演講中引言，「Stay hungry. Stay foolish.」與其怨天尤人，不如繼續前進，投身到學習和研究中來。
並且值得欣慰的是，信息技術產業已經成為了國民經濟的一大支柱產業。中國對外出口的一大支柱就是電子和計算機產業，也掌握了5G技術的標準，實現了向通信強國的轉變。不僅僅是硬體製造和通信領域，近些年國家對於晶元產業的扶持力度也增加了。據人民網在兩會期間的報導，如何在信息時代佔據制高點，掌握前端的、核心的技術非常關鍵。多位人大代表提議要發展晶元產業，實現彎道超車。這無疑是國內晶元研究者的一個春天。
所以，同學們，結合自己和市場的情況，抓好時代機遇——電子科研的路無疑是艱難的，如果你有毅力、有能力投身於電子產業，就請從現在開始，把握好每次科研和競賽，學習基礎的電子知識，為未來的研究奠定堅實的基礎吧。
文/王慶涵
參考資料
【1】電子產品世界：微電子的發展。陳思信，2002.8.A
【2】MBAlib：研發階段的成本控制。2009.2
【3】知乎：硬體工程師的發展？https://www.zhihu.com/question/28610994/answer/67119237
【4】鳳凰網：2017年AR行業盤點，一文看懂AR硬體、軟體及應用發展 http://tech.ifeng.com/a/20180109/44837866_0.shtml
【5】和訊網：軟體當道？NO 本質是過去硬體發展太快 http://tech.hexun.com/2015-11-09/180434702.html
【6】CSDN：為什麼軟體的發展速度跟不上硬體的發展速度？https://blog.csdn.net/yobol2016/article/details/53916725
【7】維基百科：中國經濟。https://en.wikipedia.org/wiki/Economy_of_China
【8】經濟網：深讀兩會：建設製造強國要從「芯」開始 http://app.ceweekly.cn/?action=show&app=article&contentid=220112&controller=article
那麼同學們，你對電子專業發展有什麼看法呢？
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