第二次机器革命

技术创新者推理认为，打印机打印时完全可以把一层打印材料叠加在另一层上。和传统的打印墨不同，3D打印机可以使用像液体塑胶一样的材料—要使用紫外光进行固化。每一层材料都很薄—大约是1/10毫米，但经过多层打印，一个3D物品就成形了。使用这种打印成形技术，有的形状的打印是很复杂的，因为一些形状中间会有孔洞，甚至各个部件还是彼此分离的。在业界领先的设计软件公司欧特克公司位于旧金山的总部，我们亲自操作了一个可调式扳钳的打印过程，当然是整体打印，不需要组装。

这个扳钳是由塑料打印而成的演示产品—但3D打印机也可以使用金属进行打印。欧特克公司的首席执行官卡尔·巴斯（CarlBass）是增材制造这个迅速发展领域的爱好者和实践者。我们在他的公司展厅进行参观时，看到了陈列柜里展示的各种各样的产品和项目，他还向我们展示了一只由他在计算机上设计并用3D打印机打印出来的漂亮的金属碗。这只碗的边上还有精心绘制的格子图案。巴斯说，他问过参与过金属加工生产的一些朋友有雕刻师、钢铁厂工人和焊接工等，这只碗是如何制作出来的。他们之中没有人能够说出这种格子是如何做出来的。答案是，通过激光技术熔化金属粉末，然后喷洒在每一层上就成形了。

今天的3D打印技术并不仅仅用于制造像巴斯的金属碗这样的东西。现在，3D打印已经被无数公司用于打印原型产品和模型部件。它还被用于很多终端零部件—从塑料排气孔到美国航空航天局下一代月球车，再到83岁妇女的人造金属下颌骨。在不远的将来，3D打印机甚至可以现场实时为有缺陷的发动机打印可替换的零部件而不是让零部件堆放在仓库里。甚至一些实验性项目也表明，未来的3D打印技术将会被用于打印混凝土房屋。

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我们在这一章里所描述的大部分技术创新都发生在最近这几年的时间里。这些创新都发生在长期以来一直缓慢发展和提升的领域，在这些领域，最出色的研究思想总是认为，技术的发展不可能突飞猛进。但数字技术却在长时期缓慢发展之后突然出现了进发，而且这种迸发出现在多个领域，从人工智能到自动驾驶汽车，再到机器人的崛起。

这一切是如何发生的？这是一次侥幸的成功吗？难道是诸多幸运的机遇汇合在一起，然后在同一个时间内瞬时爆发？很显然，情况并不是这样的。我们最近所看到的数字技术的进步确实令人印象深刻，但它仅仅是接下来将要发生的技术变革的一小部分。这是第二次机器革命时代的黎明。要想了解现在的这一切是如何发生的，我们需要了解在数字硬件、软件和网络领域技术进步的性质。尤其是，我们需要了解数字技术进步的三个主要特征：指数化、数字化和组合化。在接下来的三个章节里，我们将依次分别探讨这些内容。

第2章新机器时代的技能：技术超越一切

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THE

SECOND

。→第3章→。摩尔定律和棋盘的另一半

MACHINE

AGE

“人类最大的缺点是无法理解指数函数。”

——阿尔伯特·A·巴特利特（Albert A.Bartlett）美国科罗拉多大学物理学荣誉教授

虽然戈登·摩尔(GordonMoore)是英特尔公司的共同创始人、最慷慨的慈善家以及总统自由勋章获得者，但他最为人熟知的是他在1965年所做的一个几乎是题外话的预测。摩尔当时是仙童半导体公司的工程师，他应《电子学》杂志的邀请，写了一篇名为“让集成电路填满更多元件”(CrammingMoreComponentsontoIntegratedCircuits）的文章。在那时，这种形式的集成电路在一个主要由硅元素构成的单块芯片上集合了各种各样的电子元件，出现还不到10年时间，但摩尔却看到了这种发展的潜力。他写道：“集成电路将会创造像家用计算机—或者是与中央计算机相连的终端设备，以及自动驾驶汽车的自动控制系统、个人便携式通信设备这样的奇迹。”

这篇文章最出名的预测，也就是让摩尔这个名字变得家喻户晓的，是关于“填满元件”的阐述：

在保持元件成本价格最低的情况下，其结构复杂程度每年大约增加两倍…可以确信，短期内虽然这一增长率不一定会加快，但肯定还会继续保持。而从长期来看，这一增长率会略有波动，但我们有充分的理由相信，这一增长率至少还能持续10年。

这就是摩尔定律原始的阐述，它的深刻含义值得你认真琢磨。“在保持元件成本价格最低的情况下，其结构复杂程度每年大约增加两倍”，这句话的基本含义是，你仅仅用一美元就可以买到集成电路的计算能力。摩尔研究观察到，这种计算能力的大小每年都要翻倍地增加：你在1963年用一美元买到的计算能力将会是1962年的两倍，1964年的则是1963年的两倍，而1965年的又是1964年的两倍。

摩尔预测，这种发展速度将会一直持续下去，虽然随着时间的推移一些改变会发生，但至少还会持续10年。这一大胆的预测也就预示着，1975年集成电路的计算能力将是1965年的500多倍。①

然而，正像事情所发展的那样，摩尔的最大错误是太保守了。他的定律竟然持续了40多年，而不仅仅是10年，而且除了集成电路，数字化领域也在突飞猛进。值得注意的是，计算能力成倍增加所需要的时间也一直存在争议。在1975年，摩尔把他成倍增长的预测从一年修正为约两年，即今天人们普遍采用每18个月综合计算能力提高一倍的说法。可以毫无争议地说，摩尔定律将会一直持续大约半个世纪。

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① 即29=512。

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摩尔定律：不仅仅是定律，而是更多好的思想

摩尔定律和热力学定律或者牛顿机械定律等物理学定律截然不同。那些定律所描述的是宇宙是如何运转的；不论我们做什么，它们都是真实存在的。相比较来说，摩尔定律所描述的是计算机行业工程师和科学家所做的工作；它评估的是，工程师和科学家们所付出的努力带来了多么持久和成功的进步。我们在其他行业是看不到这种持续进步的。

拿汽车行业来说，我们是看不到在低油耗的情况下，汽车的速度每隔一两年就能提升一两倍的，而且还是一直持续50年。当然，飞机和火车也没有能力在短时间内把它们的速度提高一倍。奥运会赛跑选手和游泳选手即使在一代人的时间里也无法把他们的比赛时间缩短一半，更别说是在几年时间里。

那么，计算机行业是如何保持这种惊人的发展速度的？

这里有两个原因。第一，虽然晶体管和其他计算要素被物质世界的定律所限制，正像汽车、飞机和游泳者一样，但在数字世界里，这些限制就变得异常松散了。这些限制只是与每秒钟有多少电子在集成电路里移动有关，或者与光束在光缆中穿梭的速度有多快有关。而有时候在某个转折点上，数字技术的进步会突然冲破限制虽然摩尔定律发生的速度一定会降下来，但这还需要一定的时间。半导体制造商博通公司的首席技术官亨利·萨缪里（HenrySamueli)在2013年预测：“摩尔定律将会走向终结在接下来的10年时间里会渐渐终结，因此我们还有15年左右的时间。”

不过，尽管一些智慧人士一直在预测摩尔定律即将走向终点，但后来的事实证明，他们总是在反反复复地预测一个错误的结论。这并不是因为他们没有理解物质世界对数字世界的制约，而是因为他们低估了在计算机行业里那些努力开拓的人们。第二个原因是，摩尔定律长期以来一直“运转良好”，我们甚至可以称它是“最出色的修补工”它在数字工程领域找到了避开物质世界障碍的捷径。比如，当填充集成电路变得困难时，芯片制造商就采取多层叠加的方式去解决这又开发出了一块新天地。当通信流量超出了光缆可以承受的限度时，工程师们开发了波分多路复用技术，这项技术能够同时在同一根玻璃纤维光纤中传输不同波长的光束。可以说，我们“最出色的修补工”一次又一次地找到了各种解决方案，避开了物质世界的限制。正像英特尔公司的研究主管迈克·梅伯里（MikeMayberry）所阐述的：“如果你仅仅使用同一种技术，那么原则上你很快就会走到尽头。实际上，40年来，每隔5\~7年的时间，我们一直在提升和修补我们的技术，而且这样的做法没有尽头。”这种持续不断的修补使得摩尔定律成为我们这个计算机时代核心的思想和奇迹。而且在整个经济大背景下，它也是一个出色的亮点。

第3章摩尔定律和棋盘的另一半

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指数增长的魅力

一旦这种双倍增长的趋势持续一段时间，后面的数字就会推翻前面的，前面的数字也就变得毫无相关了。为了想清楚这一点，让我们看一个假设的例子。想象一下，埃里克给了安迪一只毛球—也就是在《星际迷航》中那个长着绒毛且有着很高繁殖能力的毛球Tribble。每天，每只毛球会繁殖一只毛球，因此安迪的小动物园的规模每天都会增长一倍。这时候一般人都会说，毛球家族呈现的是指数增长。那是因为，在经过x天之后，如果用数学公式来表达的话，毛球的数量将是 $2 ^ { x - 1 }$ ，这里的x-1就是一个指数。像这样的指数增长是一种非常快的增长模式，在两周之后，安迪就会拥有1.6万只毛球了。下面这张图（图3-1）

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所描绘的就是毛球家族随着时间而增长的趋势。

这张图是非常准确的，但会给人一种误导。它看起来就好像是，所有的增长都发生在最后那些天里，而在第一周时间没有任何事情发生。但同样的奇迹每天成倍增长的毛球，一直在所有时间里发生，并没有加速或突然爆发。这种稳定的指数增长是埃里克给安迪的“礼物”中真正有趣的事情。为了阐述得更明白点，我们必须要修改这张图表中的数量间隔。

前面我们绘制的这张图（图3-1）所使用的是标准的线性间隔，也就是说竖轴的每段分割指示的都是2000多只毛球。正如我们看到的，这样绘制的图非常清晰明了，但它却不利于充分说明指数增长。为了更好地强调这一点，我们将把线性间隔修改为对数间隔，也就是说竖轴的每一段分隔都代表的是毛球数量10倍的增长：第一次增长从1\~10，然后从10\~100，再之后从100\~1000，依次类推。也就是说，我们在竖轴上用10倍的间隔标示数量级的增长(图3-2)。

第3章 摩尔定律和棋盘的另一半

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