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深圳风采轩房源: 戎評:第四次工業革命:中國年輕人搞了一個“大新聞”

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發表于 2019-11-19 22:14:47 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
  2019年11月10日,《中國青年報》消息稱:

  中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部,日前首次制備出以肖特基結作為發射結的垂直結構晶體管“硅-石墨烯-鍺晶體管”,成功將石墨烯基區晶體管的延遲時間縮短了1000倍以上,并將其截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲領域。

  據悉,此次科研的相關成果與于近日發表于國際學術期刊《自然。通訊》,對此,該成果論文的通訊作者,中科院金屬所研究員孫東明介紹稱:

  此次中國在該領域所取得的突破性成果,不僅極大地提升了石墨烯基區晶體管的性能,有望在太赫茲領域的高速器件中得到應用,從而為最終實現超高速晶體管的實用化奠定發展基??!

  毫不諱言,當第一次看到這篇科技喜報的時候,戎評是徹底“懵”的。

  什么是硅-石墨烯-鍺晶體管?

  什么是兆赫茲、吉赫茲、太赫茲?

  晶體管的延遲時間縮短1000倍又意味著什么?

  然而,縱有所不懂,但是從《中國青年報》乃至相關科研人員熱情洋溢的描述中戎評卻隱約能夠感知到,這是一個重大的科技突破!

  很幸運,我們又一次見證了歷史。

  百年輪轉,科技之光重新閃現

  在1883年一個悶熱的傍晚,面對著玻璃殼中再一次被化為烏有的“碳絲”,大發明家愛迪生陷入了徹底的狂躁!

  他一腳踢翻了身旁的工作臺,工具柜里的銅絲散落一地。

  但是就在這時,一個大膽的想法誕生了:

  碳絲如此脆弱,如果在燈泡內另行封入一根銅線,也許可以阻止碳絲蒸發,延長燈泡壽命

  然而,最終的結果依舊令人失望

  ——在通電后的很短時間內,碳絲仍然被蒸發的一干二凈,愛迪生的電燈壽命實驗,再次失敗。

  不過,此次的“靈光一閃”并非毫無收獲,在實驗中,愛迪生發現了一個奇怪的現象:

  碳絲加熱后,銅線上竟有微弱的電流通過。銅線與碳絲并不聯接,哪里來的電流?難道電流會在空中飛渡不成?

  顯然,依照當時的科技認知,這樣一種“無線導電”的現象是不可思議的,因此,出于一個科技商人的敏感,雖然當年的愛迪生并不能對此作出合理的解釋,但是他依舊為此申請了專利,并將之命名為“愛迪生效應”!

  所以,什么是“愛迪生效應”?

  把一根電極密封在碳絲燈泡內,靠近燈絲,當電流通過燈絲使之發熱時,金屬板極上就有電流流過。

  而在今天我們知道,所謂的愛迪生效應,其實就是熱能激發金屬中的電子進行定向運動,從而形成微弱電流的一種現象!

  然而,面對這樣一種“匪夷所思”的現象,當年正忙于現代城市建設構劃的愛迪生也僅僅只是在商人的直覺下草草申請了專利,便將之束之高閣。

  不過,正所謂“墻內開花墻外香”。

  1884年,英國物理學家弗萊明出訪美國時拜會了愛迪生,在兩人討論有關“電發光”的問題時,愛迪生當場重復展示了自己發現的那個有趣的現象…

  毫無疑問,這樣一種“隔空穿電”的現象,深深的震撼了當時年僅20歲的弗萊明,于是在返回英國后,弗萊明對“愛迪生效應”進行了更加深入的研究

  ——在多年的研究后弗萊明得出結論:在愛迪生效應中,燈絲與板極之間的空間,是電的單行路。

  然而,這又有什么用呢?弗萊明不知道,愛迪生更不知道。

  時光飛轉,20年寒暑…

  1896年,馬克尼無線電報公司成立,弗萊明被聘為顧問。在研究改進無線電報接收機中的檢波器時,弗萊明突發奇想的在真空玻璃管內封存了兩個彼此隔離的金屬片,在給陽極板加上高頻交變電后,愛迪生效應出現了!

  交流電通過這個裝置變成了直流電——人類歷史上第一個“真空二極管”正式誕生!

  當然,高潮遠沒有結束。

  1906年,在弗萊明二極管的基礎上,貧困潦倒,年僅30歲的美國發明家德福雷斯特突發奇想的在燈絲和板極之間,加上了一個柵板。

  由此,曾經單向流淌的溪水被人為的建立起了一道水壩,在真空三極管中,電子信號在“柵板”的作用下獲得了任意放大縮小的作用,無線電臺的春天,正式到來!

  對此,發明了“真空三極管”的德福雷斯特不無得意的表示:

  我發現了一個看不見的空中帝國!

  然而,一切都結束了嗎?

  1945年的某一天,在“笨重”、“脆弱”、“不耐高溫”的抱怨下,終于對電子管糟糕的物理性能忍無可忍的35歲年輕物理學家肖克利,在憤怒中發誓要“改變一切”!

  可是,如何改變?

  封閉在玻璃燈罩中的“電子管”是絕不允許采用的,于是在更小、更輕、更簡單的想法下,肖克利將目光鎖定了一種小巧的新型復合材料——半導體。

  什么是半導體?

  簡單的講,所謂的半導體指的就是一種導電性能介于導體與絕緣體之間的人工復合材料,如今咱們熟知的CPU、電路板,就是以半導體為器材所制造的產品!

  不過,似乎就是老天爺的戲弄

  ——肖克利選用了半導體、甚至選用了“硅”作為材料,但是就是在這樣完全準確預測了今天的情況下,肖克利在將近兩年的掙扎研究后卻一無所成,他心灰意冷,將硅晶體管的項目打發給了自己的助手,年輕的巴丁和布拉頓…

  然而,奇跡出現了:僅僅就在幾個月后的1947年,世界上第一支晶體管誕生!

  他們是怎么做到的?

  原來,在接到項目時,巴丁和布拉頓便全盤的推翻了肖克利的具體研究成果,在拋棄“純度不夠”的硅之后,他們選用了物理導電性能更為優異的鍺!

  肖克利團隊成功了。

  美國“德州儀器公司”的工業化量產,不僅為肖克利團隊帶來了滾滾的科研紅利,在鍺晶體管的的輔助下,當年的計算機處理能力更是比電子管時代,提升了好幾個數量級!

  然而,為應用科技帶來躍升的鍺晶體管并非完美無缺:

  首先是價格:鍺在地殼的含量只有百萬分之一,實在太過昂貴。

  其次是物理極限:鍺在75℃以上就不能工作,400℃以上還容易發生解析反應。

  于是,僅僅就在9年后的1954年,隨著更為廉價且物理性能穩定的“硅”,在提純技術獲得突破后,鍺晶體管便被立刻拋棄…

  廉價、物理性質穩定,一個“完美晶體管”的時代,似乎已經到來。

  不過,有人不滿足:

  1958年,美國德州儀器公司迎來了一位新員工

  ——年僅35歲的美國威斯康星大學電子工程碩士杰克·基爾比。

  與其他早已見慣一切的“老員工”不一樣,年輕的杰克對于工廠車間中一邊看著顯微鏡、一邊發著牢騷,一邊將極小的硅元件焊接到一起的低收入女工產生了極大地同情。

  于是,在炎熱的夏季的一個傍晚,天才的想法誕生了:

  花費如此的精力來焊接晶體管實在是太愚蠢了,為什么不能把所有的部件都刻在一張半導體上呢?

  他成功了,對于自己的得意之作,杰克這樣描述道:

  在一個半導體材料的體內,所有的組成電路看似各自獨立,卻都是高度集成的。

  1958年,世界上第一塊“集成電路”誕生!

  不過,似乎就是“巧合”:與世界第一支晶體管的誕生看中了“鍺”的高純度一樣,世界上第一塊集成電路的誕生,同樣選中了“鍺”。

  雖然,僅僅就在半年之后,美國仙童公司的諾伊斯就發明了基于“硅”的集成電路,但是我們不可否認的是,在兩次電子信息產業變革中,“硅”雖然得到了最終的應用,但是最高的榮譽,應當歸于“鍺”!

  雖然,對于“鍺”落敗于“硅”的事實,學界的大多數人將之歸咎于“鍺”價格昂貴且不耐熱的先天不足,但是在戎評看來:

  縱觀“鍺”的命運跌宕,我們與其去苛責“鍺”的先天不足,還不如去自我反省一下人類應用技術的局限!

  道理很簡單:

  曾幾何時,在冶煉鍛造技術尚且落后的時代里,今天早已被普遍應用不可或缺的“鐵”,還被稱為“惡金”,而相對而言,綜合性能穩定但表現平庸的青銅,卻主宰了人類歷史長達4000年…

  然而,“平庸”就是“平庸”,隨著冶煉技術的提高,“鐵”可以變作“鋼”,而“青銅”卻永遠只是“青銅”!

  “鍺”的命運何嘗不是如此?

  不過,歷史終將給予每一個參與者公正的評價,就在“硅”壟斷世界電子信息產業60年的今天,就在全世界都快要遺忘“鍺”的今天,曾經的落寞人在中國科學家的手中,再度上演王者歸來!

  他叫硅-石墨烯-鍺晶體管。

  在半導體薄膜和石墨烯轉移工藝下,他集合了硅、石墨烯、鍺的三者的優異物理性能!

  在多重材料復合下,他克服了早期鍺晶體管容易“熱失控”的致命缺陷、他突破了硅晶體管突破截止頻率的瓶頸、他達到了目前晶體管的最大開態電流,在相較于以往同類晶體管總延遲時間縮短1000倍以上的優異性能下,他完成了由兆赫茲提升至吉赫茲,太赫茲領域觸手可及…

  這些意味著什么?

  計算機的速度取決于時鐘周期,時鐘周期是計算機中最基本的、最小的時間單位,在一個時鐘周期內,CPU僅完成一個最基本的動作。

  顯然,“時鐘周期”的存在為CPU的性能提升提供了理論依據:

  CPU性能高低取決于CPU基本動作的完成速度,而CPU基本動作,是協同時鐘周期的。

  換一句話講,更小的時鐘周期就意味著更高的工作頻率。

  或許看到這里有人要問了:硅-石墨烯-鍺晶體管與CPU的時鐘周期有什么關系?

  這里,涉及到的就是戎評之前提出的第二個問題了

  ——什么是兆赫茲、吉赫茲、太赫茲?

  什么是“赫茲”?

  簡單的講,所謂赫茲就是頻率單位“Hz”的中文音譯,而以此類推,《中國青年報》此次在有關中國硅-石墨烯-鍺晶體管的科研報道中提到的兆赫茲、吉赫茲、太赫茲,分別為“MHz”、“GHz”、“THz”。

  三者之間的進率,大致為1太赫茲=1000吉赫茲=100萬兆赫茲=10的12次方赫茲!

  換一句話講,1太赫茲=每秒鐘周期震動100萬兆次!

  顯然,從已有的知識我們可以知道,此次中國沈陽材料科學國家研究中心的硅-石墨烯-鍺晶體管的突破,即:“截止頻率由兆赫茲提升至吉赫茲領域。未來更有望在太赫茲領域的高速器件中得到應用”,其實說白了就是在頻率上的突破!

  突破了多少?

  “硅-石墨烯-鍺晶體管”,成功將石墨烯基區晶體管的延遲時間,縮短了1000倍以上!

  這對于實際應用來說意味著什么?

  鮮為人知,CPU的時鐘周期,其實還有另一個名字——“震蕩周期”,而這個震蕩周期的單位,我們也很熟悉,就是“Hz”。

  換一句話講,此次中國在硅-石墨烯-鍺晶體管上的技術突破,落實到具體的電子產品效果上,意味著與之前世界的同類產品相比,中國的速度提升了1000倍!

  1000倍提速、以及觸手可及,每秒100萬兆次運行的太赫茲領域,又將為這個世界科技帶來怎樣的革命?

  1、太赫茲成像技術

  太赫茲波能以很小的衰減穿透如紙張、布料、塑料等物質,太赫茲波甚至還可以穿透墻壁,其探測圖像無論是分辨率還是景深,當今世界無有與之匹敵者!

  此外,太赫茲光子的能量與X射線相比,不會因為電離而破壞被檢測物質,因此太赫茲波適合對生物組織進行活體檢查至DNA級別!

  如此特性,使得太赫茲成像裝置未來在材料研究、安檢、醫學成像、和軍事成像等領域具有廣泛且不可估量的應用前景。

  2、太赫茲通信技術

  理論來講,在通信領域里,頻率越高通信容量就越大。太赫茲波的頻率比目前使用的微波要高1~4個數量級,它能提供10Gbit/s以上的無線傳輸速率,這是微波無法達到的高度。

  因此,作為無線通信發展的重要頻段,單個脈沖頻帶可覆蓋從GHz至幾十THz范圍的太赫茲頻段,已經被當今世界視為下一代6G通信發展的必然趨勢!

  所以,靠近太赫茲技術意味著什么?在戎評看來,太赫茲就是世界下一代6G技術的入場券,誰先掌控了太赫茲技術及相關配套器件,誰就將掌握下一代6G技術的主導權。

  很顯然,在1000倍的超越下,這個“主導權”目前屬于中國!

  3、太赫茲軍事技術

  根據當前太赫茲技術所表露出來的“特性”,學界普遍認為,未來的寬頻太赫茲雷達不僅能夠對目標物體進行高分辨率的三維成像,而且它還能從光譜數據中提取出目標物成分的詳細信息

  什么意思?

  在現有的軍用雷達技術探測下,美國F-22猛禽戰機的最小雷達反射面基僅為0.005-0.01平方米,換一句話說,當F-22帶著炸彈呼嘯而來時,在雷達的探測顯示屏上,顯示的不是一架戰機,而只會是一個僅相當于乒乓球大小的微弱小光點…

  這到底是飛鳥?還是亂碼屏閃?稍有不慎,等待被攻擊方的只有死亡!

  然而,隨著太赫茲技術的軍用化,隱形戰機的耀武揚威將被徹底終結,道理很簡單:寬屏太赫茲雷達的三維成像技術下,即使目標再小都可以明確他到底是飛鳥還是戰機,而能夠從光譜數據中提取目標成分的能力,更是使得一切觀測目標在他的眼中,無異于解剖拆解!

  文章最后,戎評有話說

  毫不諱言,每當看到中國在某項科技領域中打殘那只無時不在卡著我們脖子的“黑手”時,戎評的眼角都會抑制不住的開始濕潤…

  中國人太難了,自新民主主義革命以來的中國人、自新中國建立以來的中國人、甚至就是我們的80后、90后,都實在太難、太難!

  或許駭人聽聞,但是事實就是如此:即使在今天,我們還在償還那一筆幾百年前就開始欠起的“爛賬”。

  因為錯失了大航海時代的原始資本積累,我們的父輩只得忍饑挨餓的從牙齒縫里摳出為數不多的糧食,才堪堪的在三十年間辦成了幾件大事!

  因為錯失了兩次工業革命的技術發展升級經驗,我們甚至直到今天,在最基本的材料學、冶金學、機械加工上,依舊被一群早已淪落為變賣祖產的西方破落戶給掐住了脖子!

  今天,每每回憶起新中國的成長史,我們最常說的“兩步并成一步走”、“用70年的時間走過了西方300年的工業發展歷程”…

  值得驕傲嗎?

  一代人的偉大成就就這樣擺在那里,我們應該驕傲,他們也當得起我們這些后輩的贊譽,但是偉大的背后又是什么?

  偉大的背后是“犧牲”、是“奉獻”、是“一代人吃了幾代哭的辛酸”!

  然而現在,當世界第二的桂冠終于戴到中國頭上時,我們的年輕人是否已經到了“安享盛世太平”的時候了?

  在戎評看來,我們的年輕人或許可以“歇一口氣”,但是今天,在國際局勢風云詭譎、在帝國主義亡我之心不死、在中國的生產力發展距離共產主義的偉大理想依舊還十分遙遠的今天,我們的年輕人,唯一要做的只是接過父輩手中的旗幟,我們的年輕人必須要做的就是勇敢的挺立胸膛,以頂天立地之姿,扛起民族復興重責,使中華民族以雄偉姿態屹立于世界民族之林!

  所幸,在世界各主要強國年輕一代“逃避主義”、“個人主義”、“享樂主義”泛濫的今天,中國的青年,沒有令人失望。

  剛剛過去的70周年國慶閱兵中響徹世界,堪稱新世紀軍樂神曲的《鋼鐵洪流進行曲》,譜曲人李旭昊年不過30歲,是一名正兒八經的90后!

  而在今天,率領中科院金屬所專項課題小組,完成了硅-石墨烯-鍺晶體管技術革命性突破的總負責人孫東明,年僅41歲!

  這一幕幕的年輕,不由得讓戎評想到了今年8月中國航天首次海上發射成功之后,全員平均年齡不過33歲的團隊合影紀念照。

  他們是如此年輕!

  中國是如此的年輕!

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