新硬件时代 闵应骅

新硬件时代



最近网上和报上流传交大海外登出的上海交大海外教育学院副院长谷来丰随全球CEO三期游学美国回来写的一段话：“我们的企业乃至整个社会应该在“互联网+”的狂热中冷静一下。放眼2—3年后的未来，那里有一个“新硬件时代”正悄悄来临。”这话有道理。我国早几年热门“物联网”，几年过去了，好像也没在世界上太热起来，虽然钱花得不少。现在“互联网+”很热，那实际是Everything+互联网，现在看来应该是还有许多产业发展余地的。但是，从稍远一点的观点看，新硬件时代一定会到来。联想到最近几期IEEE Spectrum连续发表关于硬件的文章，需要提起国人关注此事。说美国悄悄地进入了“新硬件时代”，我不知道新硬件时代到底指什么？我想如果大家都知道，也就不新了。不管怎样，新硬件的基础是元器件，不是原有东西的花样翻新。注意到美国一直在探索：摩尔定律死了以后怎么办？而不是像我们有些人，羞羞答答地想法让它再活几年。这是两种不同的文化。本文介绍所谓“浸水计算”。

“浸水计算（SOGGY COMPUTING）”，没有拿过自然科学一等奖，但它是适应“新硬件时代”的一项创新，在本月的IEEE Spectrum上做了介绍。IBM原资深研究员，现为德国普朗克微结构物理研究所所长斯图尔特. 帕金对计算的未来有一个看法：丢掉主板、单个存储芯片和数以亿计的高速晶体管，新奇的东西是激发头脑的盒子，充满液体驱动的膨胀和收缩的电路，其时钟把40年前的微处理器也看作是特别地快。“一直高唱的“做小、做快”是错误的。”他说。“花费许多能量是为了追求高速。”降低速度到类似人脑的速度，大约几十赫兹的数量级，用完全不同的体系结构，也许可以用很少能量就能做到。

近年来，工程师们尝试了各种方法制造类似大脑的电路。帕金集中注意二氧化钒，金属氧化物材料的一种，能够从绝缘状态转换到导电状态。这种材料可以做成功耗极低的开关，无需电源就可以保持原来的状态。由于二氧化钒在常温下可以以相当低的能量由绝缘转为导通，它已经很长时间被认为是做电气开关的好办法。但实现起来不那么简单。为了改变电压能使之转换状态，帕金和其他研究人员重新设计了晶体管。该设计包括一个二氧化钒薄膜，上面做一个门，由一滴离子液体和带离子的盐，二者模糊分界，形成液体，而不是固体。当电压施加到液态门上，正负电荷向液滴的对边移动。它们在二氧化钒薄膜附近累积将提高薄膜附近的电场，所以它可以用于开关薄膜状态从绝缘到金属。

早期的工作说明液体门的电气状态可以像今天的硅晶体管一样建造一种改变。但最近的研究表明不同的机制也可以引起改变。2013年帕金和他的团队报告说，液体门可以从二氧化钒中拉出氧原子进入液体，这是电迁移的形式。薄膜晶体结构的效应物理上相当有戏剧性，引起材料膨胀3%。而当二氧化钒加热以后，它变成金属，缩小约0.3%。帕金和他的团队在今年一月的美国科学院院刊上报道说。这个改变表明液体门诱发材料的结构改变。他们在研究这类电路怎么用多离子液体二氧化钒装置用3-D打印来建造。

哈佛大学 姆·拉马纳坦用另一个思路考虑薄膜金属氧化物。他们说许多离子晶体被称为氧通气器，像固态海绵一样可以吸收好多氧，并释放它。去年他们用固体，不用液体门，加一个电压到釤、 镍和氧的化合物。他们用这个门从材料中抽进抽出氢原子，可以引起电阻100万倍的改变。他们也在研究怎样用这个材料用液体门制造类似人脑的电路。不像二氧化钒，基于镍酸盐材料的开关从绝缘到金属要摄氏100度以上，应用受限。

看来，这方面的探索，我们国家需要加强。看得稍微远一点，不一定马上就要能做成设备、上市场。等到人家原创的东西出来，我们又晚了一步。我国的半导体、材料方面的同志们真得加把劲了！
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