液态金属能否掀起一场“芯片革命”？

shuszhao · 发表于 2018-5-3 08:51:30

有没有这样一种可能：芯片本身的材料和工艺发生了翻天覆地的革命，新的材料和工艺让大家重新回到同一个起跑线上？上面提到的T-1000身上那种可控制、可塑形，能够自由在固态液态间转化的金属，说不定就是这种可能性的开关。
提起液态金属，大家会想到什么？可能果粉会想到经常传说在下一代iPhone中使用的黑科技，硬件爱好者可能会想到散热器。但更多人估计会第一时间联想到《终结者2》里的反派T-1000。
电影里这哥们的身体就是液态金属做的，可以随便改变形状，受伤了能自我修复——当然最后还是被老州长干掉了。

那么提起芯片，我们会想到什么呢？估计最近大家对它的联想都是这样的：这东西我们好像造不出来……
这没什么可大惊小怪的，要知道一枚并不大的芯片，是建立在整个半导体革命，和背后工程学、材料学、计算机科技、精密工业等技术体系和产业链之上的。
欧美国家用几十年完成了这场变革，并且不断加强信息和技术封锁。这种情况下中国想要短时间内掌握这门核心技术显然不可能。即使奋起直追，也需要漫长的时间给予配合。
但是有没有这样一种可能：芯片本身的材料和工艺发生了翻天覆地的革命，新的材料和工艺让大家重新回到同一个起跑线上？上面提到的T-1000身上那种可控制、可塑形，能够自由在固态液态间转化的金属，说不定就是这种可能性的开关。
当然了，今天看来这还有点远，但并不妨碍我们去了解一下科学界普遍看好的这场“芯片革命”。

已经显示出威力的可编程液态金属

液态金属其实并不算特别前沿的技术，但真正令人期待的是将液态金属与计算机相结合，达到人类可以控制液态金属的效果。这被称为可编程液态金属。
去年10月，英国萨塞克斯大学和斯旺西大学联合公布了一项研究成果。研究人员对外展示了他们通过改变电场强度，让液态金属变身为各种二维形状的技术。比如说让液态金属给你比个心，变成各种字母什么的。

由于这项技术中，控制液体成型的电场由计算机产生，这就意味着人类已经可以通过编程的方式来远程控制液态金属，并可以操纵它移动。
之所以必须是液态金属来接受编程控制，是因为相比于其他液体，液态金属本身导电性非常好，适合通过电场激活其状态；而相比于普通固态金属，液态金属又具备非常强的流性，从而具备了编程可控性。
换句话说，假如人类想要一种可以极其精细、复杂改变形状与移动轨迹的位置，那么液态金属近乎是唯一的选择。
当然了，英国科学家们研究的可编程液态金属目前只能在平面上移动。想要像终结者那样做出随意变形的液体金属机器人还不靠谱。
但即使这样，也已经给很多产业带来了新的想象空间。
比如软体机器人的连接器、高强度的柔性显示屏、像水滴一样进入体内的体验机器人等等。但比起这些，可编程液态金属真正引人遐思的地方，在于它可能是取代晶体管的最佳选择。

造终结者不大可能，升级计算机有点靠谱

根据著名的循冯·诺依曼体系，今天通行的计算机硬件系统由运算、存储、控制、输入、输出五个部分构成。而构成这些信息运算部分的最基本原件，就是我们非常熟悉的晶体管。
无论是芯片还是其他运算设备，基本原理都是调整通过晶体管电压的高低，来让晶体管现实出1或者0，从而达成二进制的经典计算。极大数量的晶体管在集成电路上协同工作，就构成了最近咱们非常熟悉的那个词：芯片。
由于以上工作机制，新上集成的晶体管数量越多，计算性能就会越好。
所以这几十年人类没忙别的，就是在努力缩小晶体管的尺寸，提升单位面积中的晶体管数量。由于晶体管在不断缩小、集成工艺越来越好，就出现了我们熟悉的“摩尔定律”。
于是问题来了，那就是无论晶体管的大小，还是芯片制造工艺，都肯定是有尽头的，甚至很多科学家认为这个尽头已经迫在眉睫。
但毫无疑问，人类对算力的呼唤是深不见底的。这个矛盾怎么解决呢？
一种思路是干脆咱们不要0和1经典计算了，用量子纠缠的方式重新构建计算逻辑，这就是大名鼎鼎的量子计算。
但还有一种思路，是直接在计算原件上下手，从材料上突破算力的限制。这个思路上的方案有不少，但今天最接近应用也最具有长期投资可能性的，就是编程液态金属。
由于液态金属具有很好的流动性、表面张力和导电性、散热性，可以说是快速传输信号的理想材料。如果能够通过电、温度、磁场等条件来刺激液体金属完成计算，那么很可能突破摩尔定律的限制，让人类的算力得到突飞猛进的发展。
这种可能性并不是仅仅停留在想象上，事实上，已经有非常多实验室和企业开始以液态金属为基础，重新设计和开发新型计算机。比如IBM著名的类脑计算项目REPCOOL超级计算机。就是通过模仿人类大脑的信息传输和存储机制，以液态金属作为信息和能量的传输载体完成快速计算。
这个项目的预期，是到2030将一台性能达到1 peaflop每秒的计算机，从今天一间教室那么大缩小到普通的台式机的大小。而编程液态金属，是这一切的先决条件。

淘汰晶体管的大革命

既然液态金属是一种被广泛看好的计算设备原件，那么一旦成熟起来，直接淘汰今天的晶体管和芯片并非没有可能。
比如卡内基梅隆大学的非常知名的软机械实验室，就在开发开发一种由铟和镓为主要物质的合成技术。其目的就是将计算单元转化为液体，从而淘汰传统晶体管。
等一下，怎么好像这么多事还都是外国人在干啊？
那就算成了我们不是又落后一大截？到时候搞个禁止出口液态金属给我们不是更被动？
万幸的是，在液态金属编程这个今天还处在探索期的方向上，中国人并没有落后世界。
国内最著名的业态金属研究部门，是中科院的刘静教授团队。很多液态金属领域的突破，尤其是液态金属编程和将液态金属转化为计算单元方面，今天都在由中国团队主导完成。

比如刘静团队曾率先证实了可以借助温度变化，让液态金属在固态液态间转化，从而以电阻值的不同来达成经典计算。
相比今天的芯片系统，液体金属计算机至少有这样几个想象力：可以受到多种环境指令，同时完成复杂的并行计算，比传统芯片又速度优势；液态有更好的散热性，可以极大程度避免计算发热问题；能够随意改变形状，做出来软软的芯片。
虽然这项技术尚有距离，但已经为很多计算机科学的问题指明了未来方向。其实芯片为轴心的计算机与半导体产业看似神秘，但其本身绝不是永恒的真理。各种各样的科学突破都等在路上，说不定哪天就给你来个“农民起义”。
而最重要的是，下一次计算迭代，中国极大概率会是重要的参与者，甚至推动者。