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1.2 理解摩尔定律:机器时代的思考

每天早上被手机叫醒,然后睁眼看到对面墙上的空调,自己生活在一个机器称霸的时代,然后起床,观察这个机器时代。这个时代,更准确地说,应该是机器计算的时代。在这之前,人类只是让机器扩展自身的体力,帮助人类做一些力所不及的活。但自从人类发明了第一台计算机,使机器可以做计算,并且拥有最简单的逻辑判断之后,世界发生了翻天覆地的变化……

如今芯片式的计算无处不在,除了电脑中的CPU、内存、主板上拥有各种芯片外,手机、家电、汽车、数码相机等各种号称智能的仪器和设备中,都有芯片的存在,都有机器计算的存在。在这时,我们常常会没有安全感,因为我们对这些机器了解得实在太少了。如果要了解计算机的原理,笔者认为,第一个必须要理解的,就是摩尔定律。

首先,我们要理解晶体管在芯片时代的地位,它就是芯片的细胞,或者说是原子和分子。很多细胞构成了一些功能组织,这就是芯片。而构成芯片最小单位的晶体管是可以变化的,因为微电子技术工艺的变化会越来越小。虽然越来越小,可是它的基本功能没有改变,于是由它构成的基本组织——芯片就会越来越小。这个特性,决定了摩尔定律。

简单理解摩尔定律后,就明白了为什么手机变得越来越小,功能却越来越强大。假设18年前,有个天才的工程师设计出来了现在一款手机的全部功能,可是因为当时的技术限制,不能在一块芯片中实现,只好用10来块芯片实现,于是每个人手里都要提一台现在笔记本大小的手机。虽然10块芯片才实现了现在1块芯片的功能,但是价格却是10块芯片的价格,还不是一般人可以买得起的。对摩尔定律理解的程度,决定了对IT界的认识程度。

摩尔定律是技术定律。同样面积大小的一块芯片,芯片里面集成的晶体管越多,晶体管可以实现的功能就越多,芯片的功能也就更强大,这就是新一代CPU比老一代CPU功能强大的原因。

40年来,技术的进步一直按照这个定律来执行。任何人都可以猜想,18个月后,CPU可以包含更多的晶体管,我们用它们来实现什么功能。赌对了,你是技术大师;赌错了,公司破产。晶体管还有一个特性,即变得越小,越能在更短的时间内做出反应。

摩尔定律还是商业定律。多年来我们发现,技术上的变化除了促成芯片性能更强之外,价格也按一定的规律之逐步下降。这也是为什么手机的式样越来越花哨,功能越来越多,但价格越来越便宜的原因。所以说,笔者常常用摩尔定律来理解现在电脑的发展,而并不太关心这些技术带来的意义。下面讲一个用摩尔定律理解计算机技术发展的案例。

有人问笔者,为什么新的电脑CPU比旧的快?笔者想了想,告诉他:你看我们单位食堂,最早的时候,食堂人手少,只有一个窗口,一次只能给一个人打饭,后面排了长长的队。因为给一个人打饭需要6个步骤,时间长(差不多6个时钟周期才能执行一条指令)。后来增加了人手,开了6个窗口,2荤、2素、1粗粮、1细粮,可以同时放进去6个人,组成流水线,同时给6个人打饭。

CPU执行指令也是这个原理,原来的CPU一次只能执行1条指令,还要好长时间(几个时钟周期)。后来技术发展了,CPU里面集成部件多了(摩尔定律),组成了流水线,也能同时执行几条指令了,所以CPU越来越快。