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7月里闷热的一天，深圳市华强区，这片区域横跨了好几条街道，像是一个巨大的菜市场，只不过，这里贩卖的并不是海鲜或者肉食，而是电路板和手机。
《连线》杂志的记者和深圳本地人罗杰·王（Roger Wang）一起来到这里，小王毛毛躁躁的，但是很热情，他的工作是为自己的公司——从事电子产品研发与制造的全汇通科技（AQS）进行电子产品采购。我们今天要寻找的是红米1S型手机，由手机产品初创公司中的佼佼者、中国最著名的电子产品制造商小米公司出品。
小米公司通过在线闪购的方式限制可出售产品的数量，从而改变了供需平衡。这种销售模式以严格管控及精益生产为基础，厂家每次仅放出很少货量，很快就会被一抢而空，只有极少数非常幸运的抢购者才能够有机会以近乎出厂价的低价格买到产品。不过很多手机都落到了倒卖者手中，而我们今天的任务就是以最实惠的价格买到一两部原装正品的红米1S。
小王带领我在拥挤的人群中穿梭，来到了远望数码商城，这里的手机产品交易大厅占据了整整一层楼面空间，好几百个摊位紧凑地排列着。这里只接受现金交易，因此，有诚意的买家通常都会带着几厘米厚的大捆钞票来到这里，每一个摊位都配有嵌在墙壁中的保险箱。如果你没有带着装钞票的皮包，你就一定是个游客；如果你是游客，你就会上当受骗。所以我们背了一个包，虽然我们携带的那沓现金只有一厘米厚。
小王带我们来到商城最里面的一个已经有些陈旧的摊位，摊主拿出两个塑封完整的牛皮纸盒子，要价800元人民币每台，比网上闪购的价格高出100多块钱。我们担心会买到假货，便刮开包装盒上的防伪码，到小米官网上进行验证。这些手机是真货——至少包装盒是真的。我们给手机充上电，查看内核与基带配置的版本号。就在我们验货的同时，不时有其他买家过来买手机。成捆的现金转手，验钞机在不停工作，摊主忙着开具收款证明。验明真货之后，我们满意地把钱放在柜台上，然后消失在嘈杂的商城里。
尽管价格低廉，红米1S仍然是一部电池寿命超长并且性能可靠的手机。它使用高通骁龙400四核1.6GHz处理器——相对于三星S3机型使用的猎户座4412四核1.4GHz处理器来说，是一个不错的替代选择，并且，前者的价格只是后者的一小部分。来势汹汹的消费者们似乎也认同这一评价——仅在2014年，就有超过6000万部小米手机售出。成立于2010年的小米公司是如何在短短5年时间内迅速崛起，并且对苹果与三星构成相当威胁的呢？
一部分答案就在金属硅材料本身。我们知道，一个处理器的内部包含有亿万个晶体管。而每个晶体管的质量则取决于一个单一的指标，叫作“栅长（gate length）”。简单来说，晶体管的栅长越小，它的质量就越高，在过去50年中，晶体管的栅长以每年16%的速度在持续缩短。英特尔公司联合创始人高登· 摩尔（Gordon Moore ）在1965年发表了一篇题为《在集成电路中整合更多元件》的著名文章，对这一趋势做出了预测，随后便形成了今天的“摩尔定律（Moore's law）”。
如果物理学真能如此简单就好了，我们就能够把任何事物的发展规律简化为一条在无限空间中永恒延伸的抛物线。2001年秋天，英特尔架构事业部执行副总裁兼董事总经理保罗·欧特里尼（Paul Otellini）宣称，奔腾4型（Pentium 4）处理器的架构能够在其应用寿命内将运算性能提高到10GHz。现在已经是2015年了，你使用的计算机的处理器性能可能还是远远低于5GHz。实际上，英特尔在2004年突然改变了产品策略，当时该公司对酷睿（Core ）产品线重新做了调整，不再追求提高处理器的速度，而是将精力集中在研发多核中央处理器上。奔腾4型处理器内部结构的假设存在太多问题，所以被推倒重来；如今的“酷睿”产品线的架构实际上是由奔腾3型衍生而来的。
那么问题出在哪里？实际上，早在十年前，通过将晶体管栅长减半而提升处理器速度的方法已经到达了极限，因为随着栅长不断缩减，产生了一些琐碎的物理问题，致使能量消耗骤增。奔腾4型处理器理论上是可以达到10GHz的运算速度的，但是其双级运算器（ALU，是中央处理器的重要组成部分）的架构产生的热量会像个火炉一样，没有人愿意把这么烫的东西放在自己的膝盖上。一贯清晰明确的摩尔定律开始变得含混起来，因为现实世界的各种局限性开始一一呈现。
限制性能的首要因素是我们需要电池有多长的寿命，或者，如果以笔记本电脑为例，我们能够为中央处理器提供多少冷却机能。而从另一个角度来审视这一局面，各平台的处理速度趋于统一化，这意味着即使是非常年轻的初创企业，比如在竞争非常激烈的手机厂商中脱颖而出的小米公司，也能够研发出具有相当实用性的产品，并且其拥有的技术和产品性能很容易就可以与业界纵横多年的老牌公司媲美。
与处理器速度之争所不同的是，摩尔定律指出的规则（每过两年，单位面积内晶体管的数量就会增加两倍，从而让集成电路的性能提升一倍）在很多方面仍然奏效。比如固态硬盘（SSD，一种数据存储装置）现在已经有能力存储超过一兆兆字节的数据量；高端笔记本电脑已经能够配备12核中央处理器；而图形处理器（GPU ）则已经达到千核量级。这种在相同成本之下获得双倍性能的能力被称为成本比例（cost scaling）。
摩尔定律——以及与之密切相关的成本比例——一直以来都相当可靠，因为它的基础原则非常简单。任何一个曾经通过缩小字号的方式把一篇论文打印在一张单页纸上的学生都已经发现了摩尔定律的规则。打开一个仅有文字的文档，将字号缩小50%。你处理的信息量没有变化，但是打印页数已经减少了一半。祝贺你，你已经省下了一半文档打印的费用。由于打印机是按页收费，你打印的每一张纸都输出了双倍的信息量。你已经实现了成本减半，性能加倍，这就是摩尔定律的规则。
晶体管栅长缩减比例的工作原理与打印机几乎完全相同：业界每年都在缩小打印在硅片上的电路的“字号”。可是问题在于，我们现在已经达到了极限，一个晶体管的宽度仅仅相当于几个原子的尺寸。行业现在面临的难题与你在屏幕上一直缩小字号时所面临的问题相同：当文字只有几个像素大小的时候，再继续缩小字号会让文字无法辨识。现有的替代方案，比如三维堆栈和由其他材料构建的系统等或许能够一次性满足摩尔定律的规则，但是目前还没有任何一种方案能够优雅并精确地实现栅长比例缩减；也没有任何一种方案能够像以前一样实现几个层级的成本缩减与性能提升。下一个发展方向将会是原子计算机。
可惜的是，在可预见的未来，原子计算机仍属于非常专业的设备，并且可能需要低温装置进行冷却。换句话说，未来10年内都不要指望你的口袋里能够装下一台这种电脑。成本比例也让摩尔定律成为了电脑行业的伦敦银行同业优惠利率。缩小栅长可以让单位面积硅片上的晶体管每年增加30%（因为这些晶体管是依照二维阵列排列，所以栅长缩减能够在两个维度上增加排列密度）。这就如同整个电脑产业都由一个每年增值30%的政府基金资助。而复利的影响力非常强大：利率出现几个百分点的浮动就有可能使整个经济陷入或者摆脱大萧条。同样，摩尔定律揭示出的比例如果出现几个百分点的减少，都会让电脑产业发生翻天覆地的变化。
虽然电脑厂商已经为下一代产品投入了数以百亿计的资金，我们今天仍然可以看到价格比例已达极限的证据。图形处理器是价格比例的最佳示例。它们基于几千个处理单元制造，所以其性能、成本和单位面积硅片上能够容纳的晶体管数量之间都有着直接关联。
还是在2011年，当桌面电脑使用者们还在争先恐后地升级他们电脑的图形处理器，使其能够显示热门游戏《天际帝国（Skyrim ）》中效果惊人的图像时，在夏威夷举办的国际贸易伙伴会议（International Trade Partner Conference ）上却爆发了一次危机。在一场主题演讲中，显卡厂商英伟达（NVIDIA ）公司的技术副总裁约翰·陈（John Chen）严厉谴责了他们长期的硅片制造伙伴台积电（TSMC）。英伟达分析了台积电公司生产的下一代20纳米及14纳米处理器之后的结论是：它们毫无价值。芯片生产成本的增加已经超出晶体管栅长继续缩减带来的效益。因此，那些有幸在2012年买到一个28纳米显卡的游戏玩家们会发现，过了三年以后，他们最好的选择仍然是28纳米的显卡。摩尔定律预测的公车已经晚点一年了，可是英伟达和超微（AMD）公司还在雨中等待它的到来。虽然某些高价值产品比如苹果公司的iPhone 6和三星盖世S6在最新发售的机型中已经开始分别采用20纳米和14纳米栅长的芯片，但是更多产品若想享受到摩尔定律带来的成本比例缩减，仍然需要等待比以往更长的时间。
华强电子市场，我们继续着了解电子行业脉搏的行程，我们来到了一个最受欢迎的地方——龙胜通讯市场。这座三层高的大楼霸占了整个街区，里面全是买卖手机和配件，并提供维修服务的摊位。走访这个市场的感觉就像是为了探知电子工业不为人知的秘密而到它的垃圾堆里翻找。哪款手机最好卖，哪款返修率高，哪款已经过时，哪款容易被黑客入侵，哪款容易被仿冒——一切都发生在这里。
效率极高并且与全球供应链紧密相连的“山寨”厂商不会在配置过时、吹嘘过头或者尚未量产的产品上浪费一丁点儿时间。让我们格外感兴趣的是出售行业工具的摊位；他们通常是挖到厂商内部资料的金矿。终于，我们找到了这样一个工具摊位，很不起眼，它的左边是一个卖电池的摊位，摊主正在厚颜无耻地往假冒电池上贴正版全息防伪标志，右边的摊位上，一个膝盖上抱着小婴儿的妇女在出售琳琅满目的手机配饰。
这个工具摊位的主人是一位姓邹的女士。她身材瘦小，有点儿害羞，柔声细气地回答我们的询问。她的普通话带有浓重的广东口音。我们仔细翻看她的货品，最终目光集中在焊料模板下面那堆毫不起眼的书本上。找到了！那是一些解释手机的工作原理以及修理方法的手册，包括 iPhone 6、iPhone 5和一些最新型号三星手机的电路图。我们花25块钱买了一本 iPhone 6的电路图。
《连线》杂志花2.7英镑从华强电子市场买到的维修手册的封面。
iPhone 6内部能源分配网络的图表。它标示出向主板周边各种分支系统输送的电压分配。
一份iPhone 6电脑主板的故障诊断与排除指南。所有元件和接插件的功能都被标注了出来，它们发生故障后的症状也都写得很清楚。
回到相对私密的酒店房间里，我们翻开了这本电路图手册，开始目不转睛地查看 iPhone 6的小秘密。我们好像上了一堂电路设计的大师班课程——记下了背光驱动的型号，还查找了针对某些实际问题比如静电和非预期无线电发射等的应对措施。这让笔者回忆起了自己在麻省理工学院求学时，从教科书上学习电子工程学的日子：理论很充足，但是实践经验很少。因为在正规教育中不可能传授这些极具商业价值并且非常重要的电路设计细节，一部分原因是教授不能把iPhone 6的电路图手册列入学生必读书单里面。然而，只需花上25块钱，中国的工程师们就能够通过钻研这些设计而超过那些最优秀最聪明的大学毕业生。一个自学成才的工程师即使需要花上几年时间，经过数次反复才能完成一件复制品，这款产品也并不会很过时：在过去4年中，iPhone 的处理速度提升是相对平缓的，从 iPhone 4的1GHz，到今天 iPhone 6的1.4GHz。这种相对停滞现在很常见，这就让工程师们有很大的时间窗口去学习和仿造出最好的设计。
这一现象引发的直接后果可能是对知识产权更为严格的立法保护。然而，无数法庭都已经将逆向工程判为合法。因此，一个人可以盯着电路板画出电路图。与源代码及其最终编译出的程序所不同的是，电路图与最终产出的集成电路是一一对应的。
将硬件加密或者故意使其模糊不清也是不可行的；价格敏感度比较高的消费电子产品必须易于进行检验和测试，这也让反向工程变得相对容易。因而由此产生了一种成熟且合法存在的产业，那就是绘制电路图。随着摩尔定律的准确性逐渐消失，通过反向工程进行学习研究成为一种更有效的方式，因为在下一代新产品出现之前，跟风产品能够有更大的空间来利用反向工程占领市场。
这个市场空间能大出多少？
依照摩尔定律来看，最保守的预测也能产生戏剧性的影响：如果栅长缩减的速度缩小5%——从每年16%下降到11%——那么研发并推出同一代产品的时间窗口就会增加50%，从两年增加到三年。
这些额外的研发时间对于深受时间与资源制约的小机构来说是一种极大的恩惠，从深圳的初创公司到大学的研究实验室。开源硬件更是尤为突出，它可以代表摩尔定律逐渐放缓的最大受益者。这些项目可能会需要好几年时间才能出成果，摩尔定律对它们很不利，一个历经数年才推出的产品可能刚刚面世就已经过时了。
时代已经变了。就拿我和我的商业伙伴肖恩·“肖布斯”·克劳斯（Sean "xobs" Cross）为例。我俩在一个家庭办公室里制造笔记本电脑。我们并非你们印象中的那种硅谷初创公司：我们把纸板箱和旧的瑜伽垫铺在地上；3D打印机同时作为毛巾架使用。然而，三年里我们成功地设计、制造并销售了一款开源硬件电脑“诺威娜（Novena）”。
用三年的时间研发并制造出一部电脑，是注定会失败的。如果摩尔定律仍然奏效的话，我们今天应该可以看到树莓派2代（Raspberry Pi 2）处理器达到2GHz的运算速度，这是根据3年前树莓派处理器刚刚问世时700MHz的速度推测的。那么，我们这款1.2GHz的四核“诺威娜”笔记本电脑绝对过时了。但是让我们高兴的是，事实并非如此。虽然树莓派2代采用了四核系统，它的处理能力也只能到900MHz。这个数字并没有发生很大变化，是有其原因的：派处理器、派2型处理器以及“诺威娜”的中央处理器都采用了40纳米的晶体管技术。像英伟达一般，3年来我们的芯片供应商选择放弃摩尔定律的公车，转而依靠电路设计以及架构改良，来获取更有成效的突破。
这有可能是一个大趋势的开端。与其在衰退的恐惧中奔逃，开源硬件研发者现在有时间基于平台建立起研发社区；我们可以在完成最终的设计之前相互学习，分享蓝图以及样机。时间上的宽裕也让硬件产品的研发更加精益化——你不再需要烧钱赶工来紧扣产品日程。一个两人团队可以在三年里利用业余时间，从蓝图开始生产出一部笔记本电脑，当作一项爱好。这是一个研发硬件产品，特别是开源产品的伟大时代。
这个趋势也从系统层面一直延伸到硅片层面。剑桥大学计算机实验室主持开展的lowRISC项目致力于使用RISC V型指令集制造一款开源的中央处理器。“我们感觉像是正在推动一扇即将开启的大门，”剑桥大学高级讲师罗伯特· 马林斯（Robert Mullins ）说。“我们需要创新的芯片设计，从而让很多崭新并让人兴奋的应用有付诸实现的可能......只有开源这种方法才能提供你所需要的自由度和延展性。”和马林斯一起工作的研究助理阿历克斯·布拉德伯里（Alex Bradbury）说，一年后这个项目就能以40纳米或者28纳米的规格进行加工制造——这是“诺威娜”、树莓派和当今主流图像处理器都在使用的规格。布拉德伯里说，“有人认为，28纳米或许是保值时间最长的规格节点，因为过了这个节点之后，晶体管的生产成本就会飙升。”如果他是对的，就意味着lowRISC虽然只是个大学研究项目，但却有绝好的机会具备强劲的商业竞争力。
虽然硅片厂商仍在努力往单个芯片上置入更多晶体管，他们所需要的时长以及成本比以往任何时候都高。摩尔定律逐渐式微之后，全世界发明者聚集的小型社区都有了更大余地去聚合他们的力量，制造出能够与主流供应厂商媲美的产品。今天的山寨现象和开源硬件或许只是针对传统企业垄断打响的第一枪。
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