摩爾定律正在消亡，這可能是好事

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生產開源硬體的公司並不多見。至少，如果以一貫的標準來定義它們的話是如此。一貫的標準便是，它們為其他公司提供文檔和許可權，以方便他們重新創造、修改、改進甚至製造其銷售設備的自有版本。雖然開源硬體已經取得了很大進展——越來越多的公司秉承這些做法，並建立了開源硬體協會——但它仍然是一個小眾行業。

你可能覺得原因很簡單——你一定認為這些公司是由缺少腳踏實地商業意識的理想主義者建立並經營的。但事實並非如此！阻礙開源硬體發展的並不是商業頭腦的缺乏，而是電子技術的飛速發展。

其原因是微妙的，但我的解釋是，電子技術的迅速發展必定有利於大型的「封閉式」企業，而不利於小團隊或創客，而後者才是會從開源系統中受益最大的群體。至少，事情過去一直是如此。但改變即將發生，而我希望天平向另一方傾斜。相關的轉變從根本上是與微電子小型化的步伐相關聯的，幾十年來，它一直深受以戈登?摩爾命名的摩爾定律的影響。我們停下來考慮一下，摩爾定律即將到來的終結——或者至少是放緩——可能其實對很多廠商和消費者都有極大的益處。但在我介紹這一矛盾的預測之前，我應該為年輕的讀者們回顧一下我們是如何走到今天的。

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起初，真空管出現了。而幾乎所有基於真空管的硬體都是我們今天所謂的開源硬體。早期的消費電子產品，如收音機和電視機，常隨包攜帶有完整的原理圖、更換零件清單，以及用於維修的詳細用戶手冊。晶體管剛剛問世時，變化並不大。

事實上，進入20世紀80年代，計算機還通常附帶有自身的電路板示意圖。例如，蘋果II型計算機附帶有一個完整的計算機主板的電路圖，它對我投身於電子設計事業產生了極大的影響。

而現代用戶手冊缺乏這樣的深度。在Mac Pro用戶手冊中，最複雜的圖表是指示用戶如何坐在電腦前：「支撐腰部」「大腿稍傾斜」「肩膀放鬆」等。

發生了什麼？難道是電子產品變得太難維修或改進嗎？

並不是的。事實上，改進電子產品已變得太容易了——尤其是對於系統集成商來說。幾十年來，他們基本上就是坐等電路板上的集成電路增加，而不是努力雕琢他們現有的產品設計。例如，在整個20世紀90年代及進入新千年後，程序員被鼓勵放棄手工優化彙編語言，而利用更高級的語言來加入更多的功能。即使產品在發布的時候還沒達到出色的性能，那麼這種性能也會很快出現在下一代的CPU中。

如果你將電子設備多年來的「優良」指標製成圖的話，你就可以清晰地看到這種效果了。選擇幾乎任何標準——性能、功能設置等無論什麼，排列這個圖，根據摩爾定律使繪製的參數每18個月翻一番。不過要用線性垂直軸在圖表上表示。大多數描繪摩爾定律的圖表使用對數垂直刻度，這就使曲線的大幅上升趨勢被拉平為看似平淡無奇的直線。

現在，將顯著攀升的摩爾定律曲線與小型製造商設計團隊的曲線進行比較。小型製造商設計團隊可能會通過拋光固件或調整內存和其他組件的連接方式來努力提升其最新的產品。假設這樣一個團隊可以實現持續且穩定的進展速度，比方說，他們的工作在第一年將產品的性能提升了75%，並且產品性能提升以同樣的速度逐年累加。與坐等摩爾定律發揮作用相比，這樣辛勤工作的收益結果如何呢？

結果並不理想。事實上，如果你畫出線性提升與指數型的摩爾定律曲線這兩條線，你就會看到，小型製造商的辛勤工作只有很小的機會能製造出更好的設備。而這樣的機會在產品推出兩年後就過時了，因為到那時，就會性能更高能的晶元，這就要求公司利用這些晶元製造出全新的產品，以免在競爭中失去先機。

我剛才描述的兩個曲線顯示了創客在過去幾十年中所面臨的主要挑戰。普遍現象是，他們坐等會比創新更有價值。特別是，如果要使一個設計的性能翻倍需要兩年的時間構思並實施革新，那麼你和你的客戶最好還是坐等兩年後升級到最新版的集成電路為好。對於許多小企業的工程師來說，與摩爾定律競賽是徒勞的。

事實上，摩爾定律的指數級增長對於小企業是不利的，而對於大企業卻是有利的，大企業具有同時開發三四代產品的資源。但即便是大公司，與摩爾定律競賽也是艱難的。

這場製造商與摩爾定律的競賽有幾個致命的影響，其中最關鍵的一個就是通過持有設計專利，迫使競爭對手對你的產品實施逆向工程，這會產生（也許是幾個月的）時間差，從而帶來巨大的優勢，這個優勢當然是製造商不願浪費的。他們不願意放棄哪怕是一丁點兒的空檔，這就解釋了他們為什麼很少會共享其產品的原理圖、代碼或者其他技術細節。

值得慶幸的是，摩爾定律正在減速，而我剛剛描述的趨勢也正在發生著改變。

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不過，在我解釋如何改變之前，讓我先來論證一下「摩爾定律正在減速」這一說法。許多分析師和評論家最近警告說，微電子指數級增長的時代即將結束了。但我並不需要將我的觀點與他們的預測相掛鉤。電子元件（特別是晶體管）尺寸的小型化，毫無疑問帶來了電流泄漏及廢熱的增加，這反過來又減緩了近年來數字時鐘穩步發展的速度。例如，想想各種英特爾CPU剛推出時的時鐘速度吧，在經歷了大幅上升後，這些速度大約在10年前就基本停止提升了。

自那時起，CPU製造商一直在使用多核技術來提高性能，儘管實施這一策略是有難度的。但工程師們並沒有多少選擇的餘地：核心的物理極限問題阻礙了時鐘速度的進一步提升，因此利用依據摩爾定律不斷增多的晶體管的唯一途徑就是製造更多的內核。

正如摩爾定律所預言的，晶體管密度不斷呈指數級增加，但其增加速度正在放緩。1990年，晶體管的數量每18個月翻一番；而今天，這個數量要每24個月或更久才會翻一番。不久，晶體管密度的增加將放緩到每36個月翻一番，最終它們將會完全停止增長。

那會是什麼時候呢？簡單的回答是，沒有人真正知道。但有研究表明，它會在2020年或2030年左右定格在約5納米的有效柵長。5納米約為硅原子直徑的10倍，因此，即使這種猜測不準確，也不會差得太遠。

它的意義是深遠的。在可預見的未來，你將無法在第二年買到性能更好的電腦。你要購買的下一個快閃記憶體驅動器將與你現有的這個價格和容量都一樣。你也將不能再期待你的下一個手機會更強大、更神奇。

你將會把你買的電子小玩意兒保留很久，不再期望買了幾年後就可以把它扔掉了。

在這種情況下，你可能會想一開始就購買更精緻的東西。「傳家寶筆記本電腦」這種說法現在聽起來很荒謬，但有一天，我們可能會把我們的電腦看成是值得珍惜和傳承的物品，傳到後輩手中，就像有些人今天對手錶或古董傢具的看法一樣。

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摩爾定律的放緩預示著許多小企業的光明未來——對開源硬體的實踐也是如此。要了解其原因，就讓我們重溫一下我之前對摩爾定律指數級增長和技術線性進步（75%，非複利）速度所作的比較。但是這一次，考慮一下新的摩爾定律情況，即每36個月而不是每18個月增加一倍。

假如你要繪製那兩條線，你就會發現，在它被36個月的摩爾定律曲線超越之前，線性的提升可以持續8年多。並且如果一家公司一直逐步優化其設計，而不是僅僅等待摩爾定律發揮作用，那麼在產品推出後的第二年或第三年左右，它們將會有明顯更好的產品。換句話說，小企業的工程師以他們力所能及的速度進行創新提升，就會有一個真正的獲利窗口。

隨著摩爾定律的減速，你將獲得的另一個好處是更廣泛的平台標準化。10年前，要利用可互換組件創造一台標準的平板電腦或手機機殼是很荒唐的，因為底層技術的發展速度太快了。但是，現在這已成為一個合理的命題。

建立穩定、有性能競爭力的開放平台將為小企業注入生機。這些公司仍然可以選擇保持其設計的封閉性，但這樣做，他們將不得不建立一個專有的基礎設施，以支持其產品的開發，並在其基礎上進行建造。許多這類公司就會發現，他們為製造通用硬體無謂地浪費了時間和精力——他們本可以用這些時間來雕琢他們的設計，使他們的產品獨樹一幟。因此，越來越多的企業會選擇利用開源硬體，正如許多企業都已使用開源軟體一樣。

我預見的另一個變化是，與硬線連接的CPU相比，現場可編程門陣列（FPGA）可能也就有了用武之地。其中一個原因很簡單：隨著晶體管縮小到原子尺度，在製造過程中出現的缺陷必將變得更加普遍。在CPU中，這樣的瑕疵會輕易地破壞整個設備。但有了FPGA，你就可以排列電路的物理布局，以避免小規模的缺陷。

FPGA前途大好的另一個理由是配置其電路的相對難度。這一工序不可避免地需要一個硬體描述語言，如Verilog。所以，它與軟體編程類似——儘管通常它更具挑戰性。但唯一真正能替代這一挑戰性任務的是對多核CPU的編程，在它們提供的大規模並行處理中勉強維持更好的性能就已經很困難了，而隨著具有更多內核的晶元的發布，這會變得更難。

因此，未來，編程多核處理器和配置FPGA所需的付出會不相上下。如果過了這一關，越來越多的小工具將肯定會利用FPGA進行製造。當開源硬體公司轉而使用FPGA而不是CPU時，他們也將（根據「開源」的定義本身）分享他們的硬體描述語言文件了。那麼其他人將可以自由地重新配置電路，深入到FPGA內部的各個柵極。因此，開源硬體運動能夠滲透到微電子設計的深層。

隨著技術變得越來越鞏固和持久，我預見到的另一個可喜的變化就是維修文化的興起。當更換的部件與原部件的規格和價格幾乎相同時，買電腦5年後更換舊電腦配件將不會再顯得那麼無聊了。這種「修還是扔」的選擇變化將為原理圖和零件創造出需求，這反過來將促進開源硬體生態系統和業務的增長。

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摩爾定律的減速已經在對性能不是特別敏感的市場上有所顯現了，比如Arduino的微控制器平台。

Arduino用戶對性能的需求（用於教育、物理計算和簡單嵌入式控制應用）並沒有明顯增長，因此該平台會非常穩定。事實上，自2005年以來，許多Arduino電路板基本都使用了相同的硬體。這種穩定性反過來又使Arduino在蓬勃發展的用戶群中奠定了深厚的基礎，這些用戶享有硬體附加組件的開放標準。

另一個例子是山寨現象。山寨即「盜版」，山寨企業通常是些小企業，他們依靠其社區內共享的藍圖來製造低端手機。這些手機的市場對於性能的絕對水平基本不敏感，因此也不關心CPU技術的提升。因此，山寨企業在不影響其最終產品競爭力的情況下，可以將同種核心晶元組使用多年。這種穩定性反過來使這些小而靈活的創客有充分的時間來徹底了解這個平台，並在同一主題下推陳出新。你可以指責他們無視知識產權法，但你不得不承認，他們經常能用有限的經費創造出驚人的成果。

我相信，許多其他類型的開源硬體生態系統繁榮發展的時機已經成熟了。摩爾定律不可避免的放緩可能會為今天的科技巨頭帶來麻煩，但它也為羽翼未豐的開源硬體運動的發展成熟創造了機遇。

就我個人而言，我很期待變革的發生——期待工匠式設計的回歸，使優雅、優化和平衡的價值超越簡單的速度和功能的增長。即使摩爾定律會很快或突然終結，電氣工程師和消費者也都應該學會不再擔憂，並準備去熱愛將要來臨的新變革。

作者：黃欣國

>>>本文為原創，轉載請回復。

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