什么是摩尔定律-IT之外-还适用于基因测序领域

2022-06-11

百度创始人李彦宏说,基因测序是 IT 领域之外另一个高度契合摩尔定律的领域。“每隔 18 个月,计算机的计算能力提升一倍、成本下降了一半,经过几十年这样的速度发展,很多原来觉得不可能的事情变可能了”。

要明白为什么这么说,首先要明白什么是摩尔定律。

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什么是摩尔定律

1965年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告,题目是:“让集成电路填满更多的元件”。在摩尔开始绘制数据时,发现了一个惊人的趋势:每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量,每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内 。 如果这个趋势继续的话,计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。摩尔的观察资料,就是后来的摩尔定律,且仍不同寻常地准确。

戈登·摩尔(Gordon Moore,1929-):英特尔公司(Intel)的创始人之一。

归纳起来,“摩尔定律”主要有以下3种“版本”:

  1. 集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一番;

  2. 微处理器的性能每隔18个月提高一倍,而价格下降一半;

  3. 用一美元所能买到的计算机性能,每隔18个月翻两番。

以上几种说法中,以第一种说法最为普遍,第二、三两种说法涉及价格因素,其实质是一样的。三种说法虽然各有千秋,但在一点上是共同的,即“翻番”的周期都是18个月

从上介绍可以看出,摩尔定律是内行人摩尔的经验之谈,汉语翻译成为了“定律”,但其并非自然科学定律,它是一个根据过往历时数据和观察资料,归纳出的一个现象特点,它一定程度揭示了信息技术进步的速度。这种速度是一个指数增长的速度,翻番的周期是18个月。

从技术的角度看,随着硅片上线路密度的增加,其复杂性和差错率也将呈指数增长,一旦芯片上线条的宽度达到纳米(10^-9米)数量级时,相当于只有几个分子的大小,这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化,致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作,摩尔定律也就要走到尽头

经验验证:IT领域的历史发展数据

据Intel公司公布的统计结果,单个芯片上的晶体管数目,从1971年4004处理器上的2300个,增长到1997年PentiumII处理器上的7.5百万个,26年内增加了3200倍(7500000 / 2300 = 3260.87倍)。如果按“每两年翻一番”的预测,26年中应包括13个翻番周期,即芯片上集成的元件数应提高2的13次方倍,因此26年后元件数应该是最开始的8192倍。而实际的增长倍数是3200倍,3200倍相当于增长了2的11.7次方倍(3326倍)。11.7 和13,是接近的。

这一回顾性的历史数据,一定程度上说明1965年,摩尔提出的经验规律是有参考价值和预测价值的。

基因测序领域的发展数据

1977年,弗雷德·桑格( Fred Sanger)率先对一个包含五千个碱基对的完整病毒基因组进行了测序;而二十五年后,人们对包含有三十亿个碱基对的人类基因组进行了测序。碱基对的输出数量进行计算,是30亿 / 5000 = 60 万倍(对应于2的19.2次方倍),对应于25年的时间计算,碱基对的输出数量应该是符合了每1.3年翻一番的指数增长规律 (25年 / 19.2 = 1.3)翻了2的12.5次方倍 = 5792倍。这说明碱基对的输出数量遵循了摩尔定律,只是指数增长的底数不同。

所以,我个人的理解是,摩尔定律,一般是描述指数增长的现象,翻番的周期不一定是18个月,可以是一年或者其他时间。重要的是,指数增长几乎就是快速增长的代名词。用于描述一个行业符合摩尔定律的话,那说明这个行业的发展是日新月异的。比如在摩尔定律应用的50多年里,计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具,信息技术由实验室进入无数个普通家庭,因特网将全世界联系起来,多媒体视听设备丰富着每个人的生活。我希望生物技术领域的发展也可以符合摩尔定律。

参考