現(xiàn)如今人類的科技水平，很大程度上取決于工程師們對微觀世界的理解和掌控能力。不論是國家發(fā)展離不開的芯片，還是關(guān)系到人們健康的藥物研究，大量新的技術(shù)都需要在納米尺度上挖掘未來的可能性。在過去的一個月里，我為你關(guān)注到了兩項來自微觀世界的技術(shù)進展。
1.IBM推出全球首款2nm制程芯片
我想推薦的第一項進展來自芯片制造領(lǐng)域。提起芯片制造，我們經(jīng)常會想到臺積電、三星、英特爾這種老牌芯片大廠。但是在上周，一位科技圈的“掃地僧”讓我們眼前一亮。
5月6號，美國IBM公司正式宣布他們成功開發(fā)出了世界上第一個達到2nm水平的芯片制造工藝。我在文稿區(qū)放了一張這次IBM公布顯微鏡下的芯片照片，里面一個個排列整齊的鋸齒狀凸起，就是芯片中負責運算的最基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元——晶體管的橫截面?？梢钥闯銎渲薪Y(jié)構(gòu)精巧的程度，可以說令人嘆為觀止。
?不過細心的同學可能會注意到，照片里面芯片最重要的微觀結(jié)構(gòu)，也就是晶體管中電子流動的通道寬度是12nm，跟說好的2nm不一樣！這是為什么呢？
其實，這就涉及芯片技術(shù)里一個大多數(shù)人都不太了解，但又很重要的知識點了。那就是芯片使用多少納米的工藝，雖然在很多年以前是代表芯片里晶體管特征尺寸的真實大小的，但是現(xiàn)如今7nm、5nm芯片中這個所謂的多少納米，其實早都已經(jīng)不代表晶體管的真實尺寸了，而只是一個技術(shù)代號（這就跟蘋果11、12代手機是一個意思）。
甚至，芯片大佬之間還因為每一代制造技術(shù)究竟應(yīng)該叫幾納米吵過架。比如在前幾年，英特爾公司就曾經(jīng)指責臺積電說：“臺積電的7nm芯片里晶體管的個頭，比英特爾制造的10nm芯片個頭還大，簡直是技術(shù)虛標！”但是沒辦法，臺積電在過去幾年中，還是無情地超過了英特爾成為全球市值第一的芯片企業(yè)。因此，盡管名稱上存在一定營銷策略的考慮，但是芯片技術(shù)從7nm到如今的5nm、3nm，可以說每一代都是很成功的。
聽到這里有些同學可能會問了，那既然這多少納米已經(jīng)不代表真實的晶體管大小了，這一次IBM的所謂2nm技術(shù)是不是也有虛標的成分呢？
目前看來還真不是。這次IBM宣布的2nm芯片技術(shù)，至少在兩個方面是有一些真本事的，很值得對芯片產(chǎn)業(yè)感興趣的同學留意。
首先，就是這次IBM在芯片的晶體管密度上確實有比較大的提升。我們剛剛提到，如今芯片工藝的名字已經(jīng)不跟晶體管的真實尺寸掛鉤了，但這可并不意味著芯片每一代技術(shù)的名字就可以亂叫。事實上，業(yè)界有一個默認的規(guī)矩，那就是只有當一種芯片的制作工藝，在單位面積上的晶體管數(shù)量（或者說晶體管的密度）比起上一代有將近一倍的提高的時候，才有資格叫新的名字。
而這一次IBM的2nm芯片，在每一平方毫米的面積上，可以制造3.3億枚晶體管，這個密度差不多是蘋果手機里5nm芯片的2倍，小米、三星等等手機里5nm芯片的3倍，確實有比較明顯的提高。
要知道，晶體管的密度跟芯片性能基本上是成正比的。引用IBM自己的話來說，這種高密度的晶體管技術(shù)，能把如今手機的續(xù)航提高到四天，對大型的數(shù)據(jù)中心、個人電腦，以及自動駕駛汽車，也有很大的性能提升潛力。
第二個值得關(guān)注的地方，就是這次IBM采用了一種新的晶體管立體結(jié)構(gòu)，有希望引領(lǐng)芯片技術(shù)再往前走很多年。
為什么這么說呢？
這里需要簡單補充一點芯片技術(shù)發(fā)展背景知識。在2010年之前，芯片里的晶體管使用的都是所謂的平面工藝，換句話說，那個時候的芯片即便用顯微鏡去觀察，也還真是一個扁平的“片”。但是，這種扁平的晶體管結(jié)構(gòu)，在28nm左右就遇到了瓶頸，很難再繼續(xù)縮小了。
于是英特爾公司，在2011年推出了一種被稱為魚鰭式晶體管的芯片技術(shù)。這個技術(shù)的具體細節(jié)你不用關(guān)心，你需要了解的是，這是一種樣子有點像魚鰭的立體結(jié)構(gòu)，成功地讓芯片工藝突破了28nm的難關(guān)。從2011年直到今天，所有的高端手機和電腦芯片，使用的全都是這種魚鰭式晶體管的技術(shù)。換句話說，如果把你正在收聽得到APP的手機里的芯片放到顯微鏡下的話，看到的就不再是扁平的圖案，更像是一個高樓林立的城市航拍照片?？梢哉f，正是這種芯片的立體結(jié)構(gòu)，引領(lǐng)了過去十年芯片行業(yè)基本的技術(shù)方向。
但是令人頭疼的是，如今的芯片又到了一個重要的技術(shù)節(jié)點，那就是工程師們發(fā)現(xiàn)對于小于5nm的工藝來說，即便是魚鰭式的晶體管，也不好用了，會出現(xiàn)漏電等等復雜的失效現(xiàn)象。于是，業(yè)界就熱切地盼望能有一種新的晶體管結(jié)構(gòu)，能像十年前的魚鰭式結(jié)構(gòu)一樣，繼續(xù)帶領(lǐng)芯片制造工藝向前進步。
說到這里，就要提到這次IBM成功實現(xiàn)的新工藝了。從IBM這次公布的2nm芯片照片可以看出，其中晶體管已經(jīng)不再使用如今的魚鰭式結(jié)構(gòu)，而是采用了一種更加立體，結(jié)構(gòu)也更復雜的全環(huán)繞式結(jié)構(gòu)（也就是所謂的GAA晶體管）。
打個比方來說，魚鰭式晶體管就好像是在硅片上造了好多平房，而這個全環(huán)繞式晶體管就如同把平房升級成了樓房。由于微觀結(jié)構(gòu)更加立體，也就使得晶體管的密度突破了5nm工藝，向著更小、更先進的芯片前進。
值得一提的是，這次IBM實現(xiàn)的全環(huán)繞式結(jié)構(gòu)，并不是它的獨創(chuàng)，事實上包括臺積電在內(nèi)的許多芯片廠商也都在嘗試這種新結(jié)構(gòu)。只不過這一次IBM搶先在2nm這個工藝節(jié)點上，公布了自己的成果。因此可以預見的是，伴隨著全環(huán)繞式結(jié)構(gòu)，芯片技術(shù)很有可能繼續(xù)迎來10年的蓬勃。
說到這里我有一個感慨，芯片技術(shù)其實是人類歷史上極為罕見的一類技術(shù)。因為我們?nèi)祟惔蟛糠值募夹g(shù)突破，都不具備時間上的可預測性。大概只有芯片技術(shù)，能夠在過去60多年的時間里，持續(xù)地兌現(xiàn)性能指數(shù)級增長的承諾。這里面蘊藏了無數(shù)科學家的辛勤工作和勇敢嘗試。
這次成功實現(xiàn)的全環(huán)繞式晶體管，大概是目前業(yè)界普遍認可的未來十年最有希望的技術(shù)方向，因此我在本月將它分享給你。很可能未來的幾年，我們就會用上采用這種新工藝的手機和電腦了。
2.中科大團隊將“相干光存儲”時間提升至近1小時，創(chuàng)世界紀錄
我為你推薦的第二項進展，來自我國科學家在光學領(lǐng)域創(chuàng)下的一項新紀錄。
在中文里，“光陰”和“時間”是一對同義詞。我想這可能是因為在古人的眼里，時間就像是光線一樣只能流逝而沒法保存。但是不知道你有沒有想過，光線真的不能被保存住嗎？
4月22號，《自然通訊》雜志報道了一項來自中國科學技術(shù)大學的新世界紀錄。研究人員成功地將“相干光存儲”技術(shù)的存儲時間，提升到將近一個小時的長度，比之前的世界紀錄提高了50多倍。
說到存儲我們都不陌生。比如我們存在U盤里的數(shù)據(jù)，存上一兩年肯定是沒什么問題的。為什么這種“相干光存儲”保存一個小時就很了不起了呢？為了理解這項紀錄的意義，我想還是得先介紹一下什么是“相干光存儲”技術(shù)。
我們知道，光的本質(zhì)是電磁場的周期性波動。如果把光寫成波動的數(shù)學形式，有三個對應(yīng)的數(shù)字是我們比較關(guān)心的，分別是與光線亮度相關(guān)的振幅信息、與光線顏色相關(guān)的頻率信息，以及與光傳播的時間相關(guān)的相位信息。
其中，前兩個與亮度和顏色相關(guān)的數(shù)字，我們比較熟悉。舉個不一定恰當?shù)睦?，我們?nèi)粘Ｉ钪械拿恳粡堈掌?，其實都可以理解成一個光存儲設(shè)備。它記錄的是一塊區(qū)域里面光的亮度和顏色信息。而我們?nèi)搜劭凑掌倪^程，就可以理解成一個讀取數(shù)據(jù)的過程。
我們今天一般意義上的光存儲技術(shù)，比如說光盤，只能利用光在一段時間內(nèi)平均亮度來存儲數(shù)據(jù)。而剛剛提到的第三個數(shù)字，也就是光與時間相關(guān)的相位信息，我們其實并沒有記錄。這就好比，圖片或者視頻里的每一個像素，記錄的只是光在快門時間內(nèi)的平均亮度。而真實世界中發(fā)生的情況是，光作為電磁波，它在快門時間內(nèi)其實振動了上百億次，每一次振動都對應(yīng)一個極其微小的時間周期，那這些與時間相關(guān)的信息，從圖片或者視頻里就是無從得知的。
但是，如果我們貪心一點，想把光的第三個信息——也就是與傳播時間相關(guān)的相位信息記錄下來，就會立刻變得非常困難。這是主要是因為，光的相位信息是一個非常小而且敏感的數(shù)字。比如我們?nèi)粘５目梢姽?，如果要記錄它的相位，大概等價于記錄千萬億分之一秒這個級別的時間信息，這本身就是非常困難的。而且即便能夠保存這部分信息，任何一點環(huán)境中的風吹草動，都很可能破壞這個數(shù)據(jù)。更不要說把它精確地讀取出來了。
而這一次中科大的科學家們研究的“相干光存儲”技術(shù)，簡單來說，就是想把這個敏感而脆弱的相位信息，保存下來的技術(shù)。
聽到這里，有的同學可能還會好奇，我們?yōu)槭裁捶堑帽４婀獾南辔恍畔ⅲ@么敏感和脆弱的數(shù)據(jù)對我們有什么用呢？
這就要提到“相干光存儲”一個重要的未來應(yīng)用了，那就是量子通信和量子計算。這里面的技術(shù)原理比較復雜，我只為你介紹一下其中的主要概念。簡單來說，今天量子技術(shù)的一個重要的流派，就是利用處于量子態(tài)的光來實現(xiàn)通信和計算的效果。
但是具備一定計算機知識的同學肯定會意識到，任何一個計算系統(tǒng)，如果只有通信和計算設(shè)備肯定是不行的，還得有對應(yīng)的存儲設(shè)備，才可能實現(xiàn)完整的計算功能。而具體到今天來說呢，不論是現(xiàn)如今的量子計算還是量子通信技術(shù)，都還沒有任何一種設(shè)備能夠把計算或者通信的中間結(jié)果，用光量子本身作為載體保存下來。
這樣的量子設(shè)備，就好比一個人腦子特別好用，算數(shù)特別快，能瞬間算出100萬之內(nèi)的加減乘除。但是他的記性特別不好使，算完之后馬上就忘了。如果你問他1秒鐘之前的計算結(jié)果，他大概率已經(jīng)忘了。
所以，我們非常希望有一種方式，能夠把完整的光量子的信息保存下來。這才能夠和今天非常熱門的量子計算，量子通信配合成為完整的量子信息系統(tǒng)。而光量子最重要，也是最難保存的信息就是剛剛提到的，與光傳播時間相關(guān)的相位信息。
聽到這里我想你就能明白了，盡管“相干光存儲”技術(shù)難度非常大，但是科學家們認為，它很有可能是邁向光量子存儲的必經(jīng)之路。所以哪怕現(xiàn)在的效果很一般，也要不斷地進行研究和嘗試。
那說到這里很多同學可能還會問，這一次中科大的科學家們是怎么做的呢？
其實，如果我們忽略掉其中的技術(shù)細節(jié)，我們會發(fā)現(xiàn)這一次中科大的科學家們最重要的技術(shù)突破，就是通過一種原子級別的材料挑選技術(shù)，找到了一個特殊的晶體材料，能夠有效地把敏感的相位信息保存起來。
具體來說，科學家們找到了一種特殊材料，也就是所謂摻有銪的硅酸釔晶體，這里面的釔和銪都是比較少見的化學元素，你不用關(guān)心具體的材料名稱。你需要了解的是，這種材料中的原子剛好能夠吸收特定波長的光，把光的信息存儲在環(huán)繞原子周圍的電子上面，而且穩(wěn)定地存儲相當長的一段時間。當我們需要讀取數(shù)據(jù)的時候，這些電子會通過光的形式釋放能量，相當于把我們剛剛存儲進去的光發(fā)射了出來。這也就完整地完成了光的存儲和讀取過程。
上面這個過程聽起來還是比較簡單的，但是操作其實非常的復雜。因為在原子尺度上挑選材料，跟我們在菜市場里挑菜的難度是完全不一樣的。為了準確的地對材料在原子尺度上對光的響應(yīng)特性進行測試，研究人員從2015年開始，開發(fā)了一種設(shè)備，叫做光學拉曼外差探測核磁共振譜儀。這種設(shè)備的名字聽起來就很復雜，簡單來說它是用來觀測原子周圍電子的能量特征的。因此才讓科學家有能力對材料進行原子級別的挑選。
利用這種挑選出來的新材料，中科大的科學家們成功地把相干光的存儲時間提高到了將近一個小時的長度，把之前的世界紀錄提高了50多倍。
不過，值得注意的是，這一次中國科學家們實現(xiàn)的是“相干光存儲”技術(shù)，距離我們剛剛提到的光量子存儲，還有一定的距離。其中的區(qū)別，簡單來說，相干光存儲技術(shù)保存的是一束光，而光量子存儲技術(shù)則需要再往前走一步，記錄每一個光量子的信息。
我們也期待中國的科學家能夠在量子信息學領(lǐng)域為我們持續(xù)帶來好消息。
轉(zhuǎn)載自：丁布里西
?
