中期（2030—2070）

摩爾定律的結束

我們不得不問這個計算機革命將持續多久？如果摩爾定律的正確性再持續50年，很可能計算機會很快超過人腦的計算能力。到這個世紀的中期，一個新的動態將發生。正如喬治·哈里森（George Harrison）曾經說過：“所有的事情都一定會終止。”甚至摩爾定律也一定會結束，有了它計算機能力的顯著的提高推動了過去半個世紀經濟的增長。

今天，我們理所當然地認為，事實上相信它是我們生來就有的權利，計算機產品的能力和復雜性會日益增加。這就是為什么我們每年買新的計算機產品，知道它的能力幾乎是去年樣式的2倍。但是如果摩爾定律崩潰了，并且每一代計算機產品的功能和速度大約與去年的相同，我們還會買新計算機嗎？

因為芯片是放在各種產品里的，這對整個經濟可能產生災難性的影響。因為整個工業會停滯不前，上百萬人可能失去工作，經濟可能陷入困境。

多年前，當物理學家指出摩爾定律必然崩潰時，在傳統上，工業一再輕視我們的主張，暗示我們是叫喊的狼。他們說，摩爾定律的結束被預測了這么多次，因此他們完全不能相信。

但是不會再有了。

兩年前，我給微軟在他們華盛頓州西雅圖總部的主要會議上定了基調。3000個頂尖的微軟工程師在聽眾席中等待聽我講計算機和無線電通訊的未來。我凝視巨大的人群，我可以看到年輕的、熱情的工程師的臉，是他們編制程序使我們桌上和膝蓋上的計算機能夠運轉。我直言不諱地談論摩爾定律，講到工業必須為它的崩潰做好準備。要是在10年前，我也許會遇到嘲笑或譏諷。但是這一次我只是看到人們在點頭。

因此，摩爾定律的崩潰是一件具有國際重要性的事情，涉及萬億美元的風險。但是它究竟怎樣結束、什么來代替它、依靠什么物理定律呢？對這些物理問題的回答將最終動搖資本主義的經濟結構。

要懂得這種情況，重要的是要認識計算機革命顯著的成功是依賴若干物理原則。首先，計算機有著令人眼花繚亂的速度是因為電子信號以接近光的速度，宇宙中的終極速度傳播。在一秒鐘之內光線環繞地球7次，或到達月球。電子也容易到處移動，并且松散地被原子束縛（只要梳理一下頭發、在地毯上行走或者洗衣服，電子就可以跑出來，這就是為什么我們有靜電附著）。松散的束縛和電子巨大的速度相結合，使我們能以炫目的速度發送電子信號，這就產生了過去這個世紀的電子革命。

第二，在激光束中能放置的信息量實際上是沒有限制的。因為光波的振動比聲波的振動要快得多，所以承載的信息要比聲波巨大得多。（例如，想象一條伸長的繩子，讓它的一頭快速振動。你搖動一端的速度越快，沿繩子發送的信號就越多。當振動加快，也就是頻率加快時，放進一個波里的信息量就會增加。）光是一個每秒鐘振動大約1014次的波（也就是1的后面14個零）。傳遞一位信息（1或0）需要很多次循環。這意味著一根光纖電纜在單一的頻率下大約能承載1011位的信息。把很多的信號塞滿到一根單一的光纖中，然后把這些光纖集束成光纜，傳遞信息的位數就可以增加。這意味著，增加光纜中通道的數目，然后增加光纜的數目，傳遞信息的數量幾乎不受限制。

第三，最重要的是計算機革命是由晶體管小型化驅動的。一個晶體管是一個控制電流流動的門，或一個開關。如果把電路比做管道，那么晶體管就像控制水流的閥門。只要擰一下閥門就能控制大量的水，同樣，晶體管能使小的電流控制更大的電流，因此放大了它的功率。

這個革命的核心是在指甲蓋大小的芯片上可以含有幾億個晶體管的計算機芯片，在筆記本電腦中的芯片內部的晶體管只能在顯微鏡下才能看到。這些難以想象的微小晶體管是采用加工T恤衫同樣的設計方式制作的。

T恤衫的設計是批量生產的，先制作一個具有想要創作的模式輪廓的模板。然后將模板放在布上，噴上涂料。僅僅在模板空隙的地方涂料才能滲透到衣服上。將模板拿開后，就有了T恤衫模式的完美的復制品。

同樣，做一塊模板，含有幾百萬個晶體管的復雜輪廓。將此模板放在含有很多層硅的對光敏感的晶片上。然后將紫外線聚焦在模板上，紫外線穿過模板的間隙使硅晶片曝光。

然后將晶片放在酸中浸泡，蝕刻電路的輪廓，產生復雜的幾百萬個晶體管的設計。因為晶片含有很多導電和半導電的層，酸浸蝕晶片的深度和模式不同，因此可以產生極其復雜的電路。

為什么摩爾定律會不斷地增加芯片的能力？一個理由是因為紫外線的波長可以調整到越來越短，這就可能使得在硅芯片上蝕刻的晶體管越來越小。因為紫外線的波長可小到10納米（1納米是1米的十億分之一），這意味著能夠蝕刻的最小晶體管直徑大約30個原子寬。

但是這個過程不能永遠繼續下去。到達某一點，用這種方式蝕刻原子尺寸的晶體管實際上是不可能的。你也可以大約計算一下摩爾定律將最終在什么時候崩潰：當晶體管的尺寸最終為單個原子尺寸的時候。（圖1）

大約2020年，或之后不久，摩爾定律將漸漸不再成立，硅谷將會慢慢地變成一片廢墟，除非有新的技術代替。根據物理定律，硅谷時代將最終結束，我們將進入后硅谷時代。晶體管變得如此之小，以致原子物理學或量子理論將取而代之，并且電子將會從導線中滲漏出來。例如，計算機內最薄的層大約只有5個原子直徑那么厚。在這一點，根據物理定律，量子理論將起作用。海森堡（Heisenberg）的測不準原理（uncertainty principle）說，不能同時知道任何粒子的位置和速度。這聽上去也許違反直覺，但是在原子級別上確實不能知道電子在哪，因此它決不會完全被禁錮在超薄的導線或薄層中，它一定會滲漏出來引起短路。

我們將在第4章，在分析納米技術時更詳細討論這個問題。在這一章的其他部分，我們假定物理學家已經發現硅的后繼者，但是計算機能力的增長比過去要慢得多。計算機的能力很可能繼續以指數增長，但翻一番的時間不是18個月，而是很多年。