現在可能是[山寨手機]最好的時光

黃祖奔

7月里悶熱的一天，深圳市華強區，這片區域橫跨了好幾條街道，像是一個巨大的菜市場，只不過，這里販賣的并不是海鮮或者肉食，而是電路板和手機。 《連線》雜志的記者和深圳本地人羅杰·王（Rogcr Wang）—起來到這里，小王毛毛躁躁的，但是很熱情，他的工作是為自己的公司——從事電子產品研發與制造的全匯通科技（AQS）進行電子產品采購。我們今天要尋找的是紅米1S型手機，由手機產品初創公司中的佼佼者、中國最著名的電子產品制造商小米公司出品。 小米公司通過在線閃購的方式限制可出售產品的數量，從而改變了供需平衡。這種銷售模式以嚴格管控及精益生產為基礎，廠家每次僅放出很少貨量，很快就會被一搶而空，只有極少數非常幸運的搶購者才能夠有機會以近乎出廠價的低價格買到產品。不過很多手機都落到了倒賣者手中，而我們今天的任務就是以最實惠的價格買到一兩部原裝正品的紅米1S。 小王帶領我在擁擠的人群中穿梭，來到了遠望數碼商城，這里的手機產品交易大廳占據了整整一層樓面空間，好幾百個攤位緊湊地排列著。這里只接受現金交易，因此，有誠意的買家通常都會帶著幾厘米厚的大捆鈔票來到這里，每一個攤位都配有嵌在墻壁中的保險箱。如果你沒有帶著裝鈔票的皮包，你就一定是個游客；如果你是游客，你就會上當受騙。所以我們背了一個包，雖然我們攜帶的那沓現金只有一厘米厚。 小王帶我們來到商城最里面的一個已經有些陳舊的攤位，攤主拿出兩個塑封完整的牛皮紙盒子，要價800元人民幣每臺，比網上閃購的價格高出100多塊錢。我們擔心會買到假貨，便刮開包裝盒上的防偽碼，到小米官網上進行驗證。這些手機是真貨——至少包裝盒是真的。我們給手機充上電，查看內核與基帶配置的版本號。就在我們驗貨的同時，不時有其他買家過來買手機。成捆的現金轉手，驗鈔機在不停工作，攤主忙著開具收款證明。驗明真貨之后，我們滿意地把錢放在柜臺上，然后消失在嘈雜的商城里。 盡管價格低廉，紅米1S仍然是一部電池壽命超長并且性能可靠的手機。它使用高通驍龍400四核1.6GHz處理器——相對于三星S3機型使用的獵戶座4412四核1.4GHz處理器來說，是一個不錯的替代選擇，并且，前者的價格只是后者的一小部分。來勢洶洶的消費者們似乎也認同這一評價一僅在2014年，就有超過6000萬部小米手機售出。成立于2010年的小米公司是如何在短短5年時間內迅速崛起，并且對蘋果與三星構成相當威脅的呢？ 一部分答案就在金屬硅材料本身。我們知道，一個處理器的內部包含有億萬個晶體管。而每個晶體管的質量則取決于一個單一的指標，叫作“柵長（gatclcngth）”。簡單來說，晶體管的柵長越小，它的質量就越高，在過去50年中，晶體管的柵長以每年16%的速度在持續縮短。英特爾公司聯合創始人高登·摩爾在1965年發表了一篇題為《在集成電路中整合更多元件》的著名文章，對這一趨勢做出了預測，隨后便形成了今天的“摩爾定律”。 如果物理學真能如此簡單就好了，我們就能夠把任何事物的發展規律簡化為一條在無限空間中永恒延伸的拋物線。2011年秋天，英特爾架構事業部執行副總裁兼董事總經理保羅·歐特里尼宣稱，奔騰4型（Pcntium4）處理器的架構能夠在其應用壽命內將運算性能提高到10GHz。現在已經是2015年了，你使用的計算機的處理器性能可能還是遠遠低于5GHz。實際上，英特爾在2004年突然改變了產品策略，當時該公司對酷睿（Corc）產品線重新做了調整，不再追求提高處理器的速度，而是將精力集中在研發多核中央處理器上。奔騰4型處理器內部結構的假設存在太多問題，所以被推倒重來；如今的“酷睿”產品線的架構實際上是由奔騰3型衍生而來的。 那么問題出在哪里？實際上，早在十年前，通過將晶體管柵長減半而提升處理器速度的方法已經到達了極限，因為隨著柵長不斷縮減，產生了一些瑣碎的物理問題，致使能量消耗驟增。奔騰4型處理器理論上是可以達到10GHz的運算速度的，但是其雙級運算器（ALU，是中央處理器的重要組成部分）的架構產生的熱量會像個火爐一樣，沒有人愿意把這么燙的東西放在自己的膝蓋上。一貫清晰明確的摩爾定律開始變得含混起來，因為現實世界的各種局限性開始一一呈現。

限制性能的首要因素是我們需要電池有多長的壽命，或者，如果以筆記本電腦為例，我們能夠為中央處理器提供多少冷卻機能。而從另一個角度來審視這一局面，各平臺的處理速度趨于統一化，這意味著即使是非常年輕的初創企業，比如在競爭非常激烈的手機廠商中脫穎而出的小米公司，也能夠研發出具有相當實用性的產品，并且其擁有的技術和產品性能很容易就可以與業界縱橫多年的老牌公司媲美。 與處理器速度之爭所不同的是，摩爾定律指出的規則（每過兩年，單位面積內晶體管的數量就會增加兩倍，從而讓集成電路的性能提升一倍）在很多方面仍然奏效。比如固態硬盤（SSD，一種數據存儲裝置）現在已經有能力存儲超過一兆兆字節的數據量；高端筆記本電腦已經能夠配備12核中央處理器；而圖形處理器（GPU）則已經達到千核量級。這種在相同成本之下獲得雙倍性能的能力被稱為成本比例（cost scaling）。 摩爾定律——以及與之密切相關的成本比例——一直以來都相當可靠，因為它的基礎原則非常簡單。任何一個曾經通過縮小字號的方式把一篇論文打印在一張單頁紙上的學生都已經發現了摩爾定律的規則。打開一個僅有文字的文檔，將字號縮小50%。你處理的信息量沒有變化，但是打印頁數已經減少了一半。祝賀你，你已經省下了一半文檔打印的費用。由于打印機是按頁收費，你打印的每一張紙都輸出了雙倍的信息量。你已經實現了成本減半，性能加倍，這就是摩爾定律的規則。

晶體管柵長縮減比例的工作原理與打印機幾乎完全相同：業界每年都在縮小打印在硅片上的電路的“字號”。可是問題在于，我們現在已經達到了極限，一個晶體管的寬度僅僅相當于幾個原子的尺寸。行業現在面臨的難題與你在屏幕上一直縮小字號時所面臨的問題相同：當文字只有幾個像素大小的時候，再繼續縮小字號會讓文字無法辨識。現有的替代方案，比如三維堆棧和由其他材料構建的系統等或許能夠一次性滿足摩爾定律的規則，但是目前還沒有任N-種方案能夠優雅并精確地實現柵長比例縮減；也沒有任何一種方案能夠像以前一樣實現幾個層級的成本縮減與性能提升。下一個發展方向將會是原子計算機。 可惜的是，在可預見的未來，原子計算機仍屬于非常專業的設備，并且可能需要低溫裝置進行冷卻。換句話說，未來10年內都不要指望你的口袋里能夠裝下一臺這種電腦。 成本比例也讓摩爾定律成為了電腦行業的倫敦銀行同業優惠利率。縮小柵長可以讓單位面積硅片上的晶體管每年增加30%（因為這些晶體管是依照二維陣列排列，所以柵長縮減能夠在兩個維度上增加排列密度）。這就如同整個電腦產業都由一個每年增值30%的政府基金資助。而復利的影響力非常強大：利率出現幾個百分點的浮動就有可能使整個經濟陷入或者擺脫大蕭條。同樣，摩爾定律揭示出的比例如果出現幾個百分點的減少，都會讓電腦產業發生翻天覆地的變化。 雖然電腦廠商已經為下一代產品投入了數以百億計的資金，我們今天仍然可以看到價格比例已達極限的證據。圖形處理器是價格比例的最佳示例。它們基于幾千個處理單元制造，所以其性能、成本和單位面積硅片上能夠容納的晶體管數量之間都有著直接關聯。 還是在2011年，當桌面電腦使用者們還在爭先恐后地升級他們電腦的圖形處理器，使其能夠顯示熱門游戲《天際帝國（Skyrim）》中效果驚人的圖像時，在夏威夷舉辦的國際貿易伙伴會議上卻爆發了一次危機。在一場主題演講中，顯卡廠商英偉達（NVIDIA）公司的技術副總裁約翰·陳（JohnChen）嚴厲譴責了他們長期的硅片制造伙伴臺積電（TSMC）。英偉達分析了臺積電公司生產的下一代20納米及14納米處理器之后的結論是：它們毫無價值。芯片生產成本的增加已經超出晶體管柵長繼續縮減帶來的效益。因此，那些有幸在2012年買到-428納米顯卡的游戲玩家們會發現，過了三年以后，他們最好的選擇仍然是28納米的顯卡。摩爾定律預測的公車已經晚點一年了，可是英偉達和超微（AMD）公司還在雨中等待它的到來。雖然某些高價值產品比如蘋果公司的iPhone6和三星蓋世S6在最新發售的機型中已經開始分別采用20納米和14納米柵長的芯片，但是更多產品若想享受到摩爾定律帶來的成本比例縮減，仍然需要等待比以往更長的時間。

華強電子市場，我們繼續著了解電子行業脈搏的行程，我們來到了一個最受歡迎的地方——龍勝通訊市場。這座三層高的大樓霸占了整個街區，里面全是買賣手機和配件，并提供維修服務的攤位。走訪這個市場的感覺就像是為了探知電子工業不為人知的秘密而到它的垃圾堆里翻找。哪款手機最好賣，哪款返修率高，哪款已經過時，哪款容易被黑客入侵，哪款容易被仿冒——一切都發生在這里。 效率極高并且與全球供應鏈緊密相連的“山寨”廠商不會在配置過時、吹噓過頭或者尚未量產的產品上浪費一丁點兒時間。讓我們格外感興趣的是出售行業工具的攤位；他們通常是挖到廠商內部資料的金礦。終于，我們找到了這樣一個工具攤位，很不起眼，它的左邊是一個賣電池的攤位，攤主正在厚顏無恥地往假冒電池上貼正版全息防偽標志，右邊的攤位上，一個膝蓋上抱著小嬰兒的婦女在出售琳瑯滿目的手機配飾。 這個工具攤位的主人是一位姓鄒的女士。她身材瘦小，有點兒害羞，柔聲細氣地回答我們的詢問。她的普通話帶有濃重的廣東口音。我們仔細翻看她的貨品，最終目光集中在焊料模板下面那堆毫不起眼的書本上。找到了！那是一些解釋手機的工作原理以及修理方法的手冊，包括iPhone6、iPhone5和一些最新型號三星手機的電路圖。我們花25塊錢買了一本iPhone6的電路圖。

回到相對私密的酒店房間里，我們翻開了這本電路圖手冊，開始目不轉睛地查看iPhone 6的小秘密。我們好像上了一堂電路設計的大師班課程——記下了背光驅動的型號，還查找了針對某些實際問題比如靜電和非預期無線電發射等的應對措施。這讓筆者回憶起了自己在麻省理工學院求學時，從教科書上學習電子工程學的日子：理論很充足，但是實踐經驗很少。因為在正規教育中不可能傳授這些極具商業價值并且非常重要的電路設計細節，一部分原因是教授不能把iPhone6的電路圖手冊列入學生必讀書單里面。然而，只需花上25塊錢，中國的工程師們就能夠通過鉆研這些設計而超過那些最優秀最聰明的大學畢業生。一個自學成才的工程師即使需要花上幾年時間，經過數次反復才能完成一件復制品，這款產品也并不會很過時：在過去4年中，iPhone的處理速度提升是相對平緩的，從iPhone4的1GHz，到今天iPhone6的1.4GHz。這種相對停滯現在很常見，這就讓工程師們有很大的時間窗口去學習和仿造出最好的設計。 這一現象引發的直接后果可能是對知識產權更為嚴格的立法保護。然而，無數法庭都已經將逆向工程判為合法。因此，一個人可以盯著電路板畫出電路圖。與源代碼及其最終編譯出的程序所不同的是，電路圖與最終產出的集成電路是一一對應的。 將硬件加密或者故意使其模糊不清也是不可行的；價格敏感度比較高的消費電子產品必須易于進行檢驗和測試，這也讓反向工程變得相對容易。因而由此產生了一種成熟且合法存在的產業，那就是繪制電路圖。隨著摩爾定律的準確性逐漸消失，通過反向工程進行學習研究成為一種更有效的方式，因為在下一代新產品出現之前，跟風產品能夠有更大的空間來利用反向工程占領市場。 這個市場空間能大出多少？依照摩爾定律來看，最保守的預測也能產生戲劇性的影響：如果柵長縮減的速度縮小5%——從每年16%下降到11%——那么研發并推出同一代產品的時間窗口就會增加50%，從兩年增加到三年。 這些額外的研發時間對于深受時間與資源制約的小機構來說是一種極大的恩惠，從深圳的初創公司到大學的研究實驗室。開源硬件更是尤為突出，它可以代表摩爾定律逐漸放緩的最大受益者。這些項目可能會需要好幾年時間才能出成果，摩爾定律對它們很不利，一個歷經數年才推出的產品可能剛剛面世就已經過時了。就拿我和我的商業伙伴肖恩.“肖布斯”.克勞斯為例。我倆在一個家庭辦公室里制造筆記本電腦。我們并非你們印象中的那種硅谷初創公司：我們把紙板箱和舊的瑜伽墊鋪在地上；3D打印機同時作為毛巾架使用。然而，三年里我們成功地設計、制造并銷售了一款開源硬件電腦“諾威娜”。 用三年的時間研發并制造出一部電腦，是注定會失敗的。如果摩爾定律仍然奏效的話，我們今天應該可以看到樹莓派2代（Raspberry Pi2）處理器達到2GHz的運算速度，這是根據3年前樹莓派處理器剛剛問世時700MHz的速度推測的。那么，我們這款12GHz的四核“諾威娜”筆記本電腦絕對過時了。但是讓我們高興的是，事實并非如此。雖然樹莓派2代采用了四核系統，它的處理能力也只能到900MHz。這個數字并沒有發生很大變化，是有其原因的：派處理器、派2型處理器以及“諾威娜”的中央處理器都采用了40納米的晶體管技術。像英偉達一般，3年來我們的芯片供應商選擇放棄摩爾定律的公車，轉而依靠電路設計以及架構改良，來獲取更有成效的突破。 這有可能是一個大趨勢的開端。與其在衰退的恐懼中奔逃，開源硬件研發者現在有時間基于平臺建立起研發社區；我們可以在完成最終的設計之前相互學習，分享藍圖以及樣機。時間上的寬裕也讓硬件產品的研發更加精益化——你不再需要燒錢趕工來緊扣產品日程。一個兩人團隊可以在三年里利用業余時間，從藍圖開始生產出一部筆記本電腦，當作一項愛好。這是一個研發硬件產品，特別是開源產品的偉大時代。 這個趨勢也從系統層面一直延伸到硅片層面。劍橋大學計算機實驗室主持開展的lowRISC項目致力于使用RISC V型指令集制造一款開源的中央處理器。“我們感覺像是正在推動一扇即將開啟的大門，”劍橋大學高級講師羅伯特.馬林斯（RobertMullins）說。“我們需要創新的芯片設計，從而讓很多嶄新并讓人興奮的應用有付諸實現的可能……只有開源這種方法才能提供你所需要的自由度和延展性。”和馬林斯一起工作的研究助理阿歷克斯·布拉德伯里（AlexBradbury）說，一年后這個項目就能以40納來或者28納米的規格進行加工制造一這是“諾威娜”、樹莓派和當今主流圖像處理器都在使用的規格。布拉德伯里說，“有人認為，28納米或許是保值時間最長的規格節點，因為過了這個節點之后，晶體管的生產成本就會飆升。”如果他是對的，就意味著lowRISC雖然只是個大學研究項目，但卻有絕好的機會具備強勁的商業競爭力。 雖然硅片廠商仍在努力往單個芯片上置入更多晶體管，他們所需要的時長以及成本比以往任何時候都高。摩爾定律逐漸式微之后，全世界發明者聚集的小型社區都有了更大余地去聚合他們的力量，制造出能夠與主流供應廠商媲美的產品。今天的山寨現象和開源硬件或許只是針對傳統企業壟斷打響的第一槍。