《終結(jié)者》里的液態(tài)金屬，會是我們造不出芯片的解決方案嗎？

原標(biāo)題：《終結(jié)者》里的液態(tài)金屬，會是我們造不出芯片的解決方案嗎？

提起液態(tài)金屬，大家會想到什么？可能果粉會想到經(jīng)常傳說在下一代iPhone中使用的黑科技，硬件愛好者可能會想到散熱器。但更多人估計會第一時間聯(lián)想到《終結(jié)者2》里的反派T-1000。電影里這哥們的身體就是液態(tài)金屬做的，可以隨便改變形狀，受傷了能自我修復(fù)——當(dāng)然最后還是被老州長干掉了。

那么提起芯片，我們會想到什么呢？估計最近大家對它的聯(lián)想都是這樣的：這東西我們好像造不出來……

這沒什么可大驚小怪的，要知道一枚并不大的芯片，是建立在整個半導(dǎo)體革命，和背后工程學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)科技、精密工業(yè)等技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)鏈之上的。歐美國家用幾十年完成了這場變革，并且不斷加強信息和技術(shù)封鎖。這種情況下中國想要短時間內(nèi)掌握這門核心技術(shù)顯然不可能。即使奮起直追，也需要漫長的時間給予配合。

但是有沒有這樣一種可能：芯片本身的材料和工藝發(fā)生了翻天覆地的革命，新的材料和工藝讓大家重新回到同一個起跑線上？上面提到的T-1000身上那種可控制、可塑形，能夠自由在固態(tài)液態(tài)間轉(zhuǎn)化的金屬，說不定就是這種可能性的開關(guān)。

當(dāng)然了，今天看來這還有點遠(yuǎn)，但并不妨礙我們?nèi)チ私庖幌驴茖W(xué)界普遍看好的這場“芯片革命”。

已經(jīng)顯示出威力的可編程液態(tài)金屬

液態(tài)金屬其實并不算特別前沿的技術(shù)，但真正令人期待的是將液態(tài)金屬與計算機(jī)相結(jié)合，達(dá)到人類可以控制液態(tài)金屬的效果。這被稱為可編程液態(tài)金屬。

去年10月，英國薩塞克斯大學(xué)和斯旺西大學(xué)聯(lián)合公布了一項研究成果。研究人員對外展示了他們通過改變電場強度，讓液態(tài)金屬變身為各種二維形狀的技術(shù)。比如說讓液態(tài)金屬給你比個心，變成各種字母什么的。

由于這項技術(shù)中，控制液體成型的電場由計算機(jī)產(chǎn)生，這就意味著人類已經(jīng)可以通過編程的方式來遠(yuǎn)程控制液態(tài)金屬，并可以操縱它移動。

之所以必須是液態(tài)金屬來接受編程控制，是因為相比于其他液體，液態(tài)金屬本身導(dǎo)電性非常好，適合通過電場激活其狀態(tài)；而相比于普通固態(tài)金屬，液態(tài)金屬又具備非常強的流性，從而具備了編程可控性。

換句話說，假如人類想要一種可以極其精細(xì)、復(fù)雜改變形狀與移動軌跡的位置，那么液態(tài)金屬近乎是唯一的選擇。

當(dāng)然了，英國科學(xué)家們研究的可編程液態(tài)金屬目前只能在平面上移動。想要像終結(jié)者那樣做出隨意變形的液體金屬機(jī)器人還不靠譜。但即使這樣，也已經(jīng)給很多產(chǎn)業(yè)帶來了新的想象空間。

比如軟體機(jī)器人的連接器、高強度的柔性顯示屏、像水滴一樣進(jìn)入體內(nèi)的體驗機(jī)器人等等。但比起這些，可編程液態(tài)金屬真正引人遐思的地方，在于它可能是取代晶體管的最佳選擇。

造終結(jié)者不大可能，升級計算機(jī)有點靠譜

根據(jù)著名的循馮·諾依曼體系，今天通行的計算機(jī)硬件系統(tǒng)由運算、存儲、控制、輸入、輸出五個部分構(gòu)成。而構(gòu)成這些信息運算部分的最基本原件，就是我們非常熟悉的晶體管。

無論是芯片還是其他運算設(shè)備，基本原理都是調(diào)整通過晶體管電壓的高低，來讓晶體管現(xiàn)實出1或者0，從而達(dá)成二進(jìn)制的經(jīng)典計算。極大數(shù)量的晶體管在集成電路上協(xié)同工作，就構(gòu)成了最近咱們非常熟悉的那個詞：芯片。

由于以上工作機(jī)制，新上集成的晶體管數(shù)量越多，計算性能就會越好。所以這幾十年人類沒忙別的，就是在努力縮小晶體管的尺寸，提升單位面積中的晶體管數(shù)量。由于晶體管在不斷縮小、集成工藝越來越好，就出現(xiàn)了我們熟悉的“摩爾定律”。

于是問題來了，那就是無論晶體管的大小，還是芯片制造工藝，都肯定是有盡頭的，甚至很多科學(xué)家認(rèn)為這個盡頭已經(jīng)迫在眉睫。但毫無疑問，人類對算力的呼喚是深不見底的。這個矛盾怎么解決呢？

一種思路是干脆咱們不要0和1經(jīng)典計算了，用量子糾纏的方式重新構(gòu)建計算邏輯，這就是大名鼎鼎的量子計算。但還有一種思路，是直接在計算原件上下手，從材料上突破算力的限制。這個思路上的方案有不少，但今天最接近應(yīng)用也最具有長期投資可能性的，就是編程液態(tài)金屬。

由于液態(tài)金屬具有很好的流動性、表面張力和導(dǎo)電性、散熱性，可以說是快速傳輸信號的理想材料。如果能夠通過電、溫度、磁場等條件來刺激液體金屬完成計算，那么很可能突破摩爾定律的限制，讓人類的算力得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

這種可能性并不是僅僅停留在想象上，事實上，已經(jīng)有非常多實驗室和企業(yè)開始以液態(tài)金屬為基礎(chǔ)，重新設(shè)計和開發(fā)新型計算機(jī)。比如IBM著名的類腦計算項目REPCOOL超級計算機(jī)。就是通過模仿人類大腦的信息傳輸和存儲機(jī)制，以液態(tài)金屬作為信息和能量的傳輸載體完成快速計算。

這個項目的預(yù)期，是到2030將一臺性能達(dá)到1 peaflop每秒的計算機(jī)，從今天一間教室那么大縮小到普通的臺式機(jī)的大小。而編程液態(tài)金屬，是這一切的先決條件。

淘汰晶體管的大革命

既然液態(tài)金屬是一種被廣泛看好的計算設(shè)備原件，那么一旦成熟起來，直接淘汰今天的晶體管和芯片并非沒有可能。

比如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的非常知名的軟機(jī)械實驗室，就在開發(fā)開發(fā)一種由銦和鎵為主要物質(zhì)的合成技術(shù)。其目的就是將計算單元轉(zhuǎn)化為液體，從而淘汰傳統(tǒng)晶體管。

等一下…怎么好像這么多事還都是外國人在干?。磕蔷退愠闪宋覀儾皇怯致浜笠淮蠼?？到時候搞個禁止出口液態(tài)金屬給我們不是更被動？

萬幸的是，在液態(tài)金屬編程這個今天還處在探索期的方向上，中國人并沒有落后世界。國內(nèi)最著名的業(yè)態(tài)金屬研究部門，是中科院的劉靜教授團(tuán)隊。很多液態(tài)金屬領(lǐng)域的突破，尤其是液態(tài)金屬編程和將液態(tài)金屬轉(zhuǎn)化為計算單元方面，今天都在由中國團(tuán)隊主導(dǎo)完成。

比如劉靜團(tuán)隊曾率先證實了可以借助溫度變化，讓液態(tài)金屬在固態(tài)液態(tài)間轉(zhuǎn)化，從而以電阻值的不同來達(dá)成經(jīng)典計算。

相比今天的芯片系統(tǒng)，液體金屬計算機(jī)至少有這樣幾個想象力：可以受到多種環(huán)境指令，同時完成復(fù)雜的并行計算，比傳統(tǒng)芯片又速度優(yōu)勢；液態(tài)有更好的散熱性，可以極大程度避免計算發(fā)熱問題；能夠隨意改變形狀，做出來軟軟的芯片。

雖然這項技術(shù)尚有距離，但已經(jīng)為很多計算機(jī)科學(xué)的問題指明了未來方向。其實芯片為軸心的計算機(jī)與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)看似神秘，但其本身絕不是永恒的真理。各種各樣的科學(xué)突破都等在路上，說不定哪天就給你來個“農(nóng)民起義”。

而最重要的是，下一次計算迭代，中國極大概率會是重要的參與者，甚至推動者。

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