液態(tài)金屬能給計(jì)算帶來(lái)什么

液態(tài)金屬，在普通人看來(lái)，它可能是體溫計(jì)中流動(dòng)的水銀，是高溫鍋爐中沸騰的鐵水。可在科學(xué)家眼中，它是流動(dòng)的軟體生命，是連接人體神經(jīng)的橋梁，是未來(lái)機(jī)器人變革的核心材料……不久前，我國(guó)一個(gè)科研小組在國(guó)際上率先將液態(tài)金屬與量子器件及計(jì)算技術(shù)聯(lián)系起來(lái)。更快更智能的計(jì)算，一直是人類追求的目標(biāo)。液態(tài)金屬是否預(yù)示著一場(chǎng)新的計(jì)算革命的到來(lái)？

1液態(tài)金屬蘊(yùn)含豐富的物理圖景

液態(tài)金屬，從字面上理解，就是保持液體狀態(tài)的金屬。如鎵銦合金，是常溫常壓下保持液態(tài)的一類合金。液態(tài)金屬具有良好的導(dǎo)電性，蘊(yùn)含著豐富的物理圖景。

那么，液態(tài)金屬與計(jì)算變革又有啥關(guān)系？這得從計(jì)算機(jī)的原理談起。

以晶體管為代表的半導(dǎo)體元件是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本邏輯單元。其原理是，通過控制晶體管電壓的高低，決定一個(gè)數(shù)據(jù)是“1”還是“0”，這一經(jīng)典邏輯運(yùn)算模式就是二進(jìn)制。在此基礎(chǔ)上，人們構(gòu)建“加減乘除”等運(yùn)算單元，發(fā)展出可編程的芯片，計(jì)算機(jī)得以走進(jìn)你我生活。

目前，芯片生產(chǎn)進(jìn)入集成電路時(shí)代。通常，單位芯片上集成的晶體管數(shù)目越多，計(jì)算性能越好。科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界不斷縮小晶體管的尺寸，提升單位面積的集成量。過去40多年，半導(dǎo)體芯片一直遵守著“摩爾定律”，即每隔18個(gè)月集成度翻一倍，性能提升一倍，產(chǎn)品價(jià)格降低一半。這保證了我們享受更低價(jià)更快速的計(jì)算體驗(yàn)。

不過，計(jì)算機(jī)專家預(yù)計(jì)，隨著晶體管逐漸走向物理極限，“摩爾定律”必定失效，計(jì)算機(jī)“進(jìn)化”將遇到瓶頸。

當(dāng)前，14納米的芯片已經(jīng)量產(chǎn)，這一尺度相當(dāng)于頭發(fā)絲的七千分之一，這已經(jīng)十分考驗(yàn)制作工藝了。未來(lái)的改進(jìn)空間正逐漸縮小。

此外，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)遵循馮·諾依曼基本體系，該體系的硬件系統(tǒng)即由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成。這一體系助推了過去幾十年計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，但它要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存、并依賴內(nèi)存進(jìn)行運(yùn)算的思想，使得計(jì)算機(jī)的發(fā)展受到芯片的制約。

一方面是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可以預(yù)見的發(fā)展瓶頸，另一方面是物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能帶來(lái)的對(duì)計(jì)算升級(jí)的需求。為了提升信息處理能力，研究人員或者發(fā)展多核芯片，或者探索有別于馮·諾依曼體系的架構(gòu)，或超越經(jīng)典物理世界開發(fā)新一代計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)就是后者的代表。

2液態(tài)金屬讓柔性計(jì)算系統(tǒng)成為可能

液態(tài)金屬以其獨(dú)特性能進(jìn)入科學(xué)家的視野中。

不同于一般的導(dǎo)電介質(zhì)，液態(tài)金屬在不同的環(huán)境下導(dǎo)電性也有差異。這一看上去微不足道的變化，在科學(xué)家眼中則有重大價(jià)值。

中科院理化所、清華大學(xué)雙聘教授劉靜是我國(guó)液態(tài)金屬研究的領(lǐng)軍人物，他和團(tuán)隊(duì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，溫度不同、氧化程度不同以及磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境不同，液態(tài)金屬的導(dǎo)電性會(huì)呈現(xiàn)出極大的差異。因此，就像通過對(duì)晶體管電壓的控制來(lái)構(gòu)建運(yùn)算基礎(chǔ)一樣，科學(xué)家可以通過改變外界的環(huán)境，借助對(duì)液態(tài)金屬狀態(tài)的控制，并以它在不同狀態(tài)下的導(dǎo)電差異作為可控的邏輯計(jì)算單元。

“比如，借助溫度調(diào)控裝置，改變液態(tài)金屬所處的環(huán)境溫度，使其在固液兩種狀態(tài)之間切換。因?yàn)楣虘B(tài)和液態(tài)形態(tài)下電阻值不同，我們就可以把它理解為‘0’和‘1’的狀態(tài)，比如把固態(tài)狀態(tài)定為‘1’，液態(tài)狀態(tài)則為‘0’”。劉靜說(shuō)，以此為基礎(chǔ)就能構(gòu)建基于液態(tài)金屬的記憶與邏輯單元，甚至計(jì)算系統(tǒng)。

正因?yàn)檫@種特性，使液態(tài)金屬可以成為計(jì)算的核心邏輯單元，從而帶來(lái)革新傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的可能性。劉靜說(shuō)，不同于傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，從宏觀到納米尺度的金屬液滴，可以通過多種物理場(chǎng)效應(yīng)，在液體環(huán)境下組裝出邏輯器件并對(duì)其進(jìn)行編程。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)以順序執(zhí)行指令的方式運(yùn)行，液態(tài)金屬構(gòu)建的計(jì)算機(jī)，由于能通過多種方式同時(shí)進(jìn)行編程，一次可同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令，具有高度并行性的特點(diǎn)，因此運(yùn)算速度上可能更快。液態(tài)金屬也具有更好的散熱性能，發(fā)熱量更小。此外，液態(tài)金屬還兼具流體的柔性、可任意變形的特征，能夠制作柔性的液體電子乃至半導(dǎo)體單元。

正如物理學(xué)家與計(jì)算機(jī)專家的預(yù)測(cè)，量子計(jì)算可能是新一代計(jì)算機(jī)的重要形式。液態(tài)金屬如何給量子計(jì)算機(jī)發(fā)展添薪加火？

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)利用量子疊加和量子糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算模式，決定了量子算法的上限和潛力遠(yuǎn)高于經(jīng)典算法。不過，劉靜認(rèn)為，在核心的器件和物理實(shí)現(xiàn)方法上，當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一樣，都由固體的器件組成。比如，量子計(jì)算機(jī)的一種核心邏輯單元——超導(dǎo)隧道效應(yīng)器件的結(jié)構(gòu)一般由中間層和兩側(cè)構(gòu)成，中間層是一塊絕緣的薄層，兩側(cè)為導(dǎo)電介質(zhì)電極。

“理論上說(shuō)，由于這些結(jié)構(gòu)是固體的，形狀無(wú)法變形、分割，一旦制備出來(lái)，一般只能按其特定結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，應(yīng)用可能受到限制。”劉靜說(shuō)。

如果器件全部是液態(tài)將會(huì)怎樣？劉靜團(tuán)隊(duì)為此提出了一種全液態(tài)量子器件和制備方法，發(fā)現(xiàn)由于液體的柔性和可變形性，表面易于達(dá)到原子級(jí)別的完美光滑度。同時(shí)全液態(tài)量子器件的中間液層的厚度可以通過力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等多種物理場(chǎng)來(lái)調(diào)控，液膜間隙可達(dá)到極小尺度甚至完全消失，滿足實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行對(duì)尺度的要求。如此，整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高度的靈活性、智能性和可控性就成為可能。劉靜認(rèn)為，基于液態(tài)金屬的計(jì)算機(jī)架構(gòu)，可能預(yù)示著下一代計(jì)算機(jī)的雛形。

3在液態(tài)金屬研究上，我國(guó)處于領(lǐng)跑者地位

液態(tài)金屬被稱為人類利用金屬的第二次革命。當(dāng)前基于液態(tài)金屬的重大變革性應(yīng)用不少仍是暢想，但它拓寬了人類認(rèn)知世界的邊界。

液態(tài)金屬與計(jì)算和智能的神奇聯(lián)系并非靈光閃現(xiàn)，而是基于科學(xué)家多年的持續(xù)研究。隨著對(duì)液態(tài)金屬機(jī)理認(rèn)識(shí)走向深入，科研人員探索出了諸多應(yīng)用方向。

2013年，劉靜團(tuán)隊(duì)把液態(tài)金屬做成打印“墨水”，首次在紙上直接生成電子電路。一年后，研發(fā)出世界首臺(tái)室溫液態(tài)金屬打印機(jī)，為個(gè)性化定制化電路生產(chǎn)提供了解決方案。

2014年6月，針對(duì)斷裂神經(jīng)修復(fù)難題，劉靜團(tuán)隊(duì)利用液態(tài)金屬成功“搭橋”，建立信號(hào)通路，為人體神經(jīng)功能修復(fù)重建提供了可能，打開了它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的前景。

看過電影《終結(jié)者》的觀眾，一定對(duì)影片中可以任意改變外形、迅速恢復(fù)的機(jī)器人印象深刻。2015年3月，劉靜帶領(lǐng)研究小組，首次研發(fā)出自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器。

2016年，液態(tài)金屬機(jī)器人向前進(jìn)化，能做出更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。劉靜團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，液態(tài)金屬不僅能“吃”，還能跑、會(huì)跳，甚至載物前行。“當(dāng)前全球先進(jìn)機(jī)器人研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)激烈，液態(tài)金屬打開了機(jī)器人的想象空間，有望成為機(jī)器人變革的重要引擎。”

當(dāng)然，液態(tài)金屬離成為真正的“終結(jié)者”還很遙遠(yuǎn)。“以自然界生物進(jìn)化的觀點(diǎn)看，現(xiàn)在相當(dāng)于培育出了細(xì)胞，要使之成為完整的仿生物體柔性機(jī)器人，還需要生長(zhǎng)出肌肉、神經(jīng)、骨骼等組織。”劉靜表示。

在液態(tài)金屬研究上，我國(guó)處于領(lǐng)跑者地位，是中國(guó)向世界輸出原創(chuàng)科研成果的代表。近些年，液態(tài)金屬研究從冷門逐漸成為國(guó)際上備受矚目的重大科技熱點(diǎn)。

“我國(guó)對(duì)液態(tài)金屬研究積累較深，國(guó)際上不少機(jī)構(gòu)是在我們所開辟的方向上做研究，但一項(xiàng)重大的突破就可能改變既有的格局。一些發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室憑借在學(xué)術(shù)話語(yǔ)上的強(qiáng)勢(shì)地位，也可能影響科學(xué)界的判斷，我們需要不斷用有分量的成果說(shuō)話。”劉靜說(shuō)。

“一類材料，一個(gè)時(shí)代。”劉靜認(rèn)為，液態(tài)金屬作為一類特殊功能材料，已展示出引領(lǐng)和開拓重大科技前沿的特質(zhì)，有望在電子信息、先進(jìn)制造、柔性機(jī)器人、生物醫(yī)療健康等領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性變革，并催生出一系列戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。“我希望國(guó)內(nèi)外更多的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)參與進(jìn)來(lái)，共同應(yīng)對(duì)液態(tài)金屬研究面臨的重大挑戰(zhàn)。”