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走近“颠覆性技术”:液态金属能给计算带来什

发布时间:2017-12-04 阅读:

  接近“颠覆性技术”:液态金属的计算是什么 - News - Science Net

  在普通人看来,液态金属可能是温度计中流动的水银,在热水锅炉中沸腾的铁水。在科学家眼中,它是一种移动软件生活,是连接人类神经的桥梁,是未来的机器人技术变革的核心不久前,中国的一个研究小组率先将液态金属与量子器件和计算技术联系起来,更快更智能的计算一直是人类追求的目标。一个新的计算革命?

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  液态金属是一种在常温常压下处于液态的合金,具有良好的导电性,含有丰富的物理图像

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  从字面上看,液态金属是含有液体的金属。如镓铟合金,常温常压下是一类合金。液态金属具有良好的导电性,含有丰富的物理图像。

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  那么液态金属与计算变化之间的关系是什么?这必须从电脑的原则开始。

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  以晶体管为代表的半导体器件是现代计算机的基本逻辑单元。其原理是通过控制晶体管的电压电平,判断数据是1还是0,经典的逻辑运算模式是二进制的。在此基础上,人们建立计算单位,如加,减,乘,除,开发可编程芯片,让电脑走进你和我。

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  目前,芯片生产进入集成电路时代。一般来说,芯片上集成的晶体管越多,计算性能就越好。科学界和工业界不断缩小晶体管的尺寸,以增加每单位面积的集成度。 40多年来,半导体芯片一直遵循摩尔定律,每18个月将其集成度提高一倍,性能翻倍,产品价格降低一半,从而确保我们享受更便宜,更快速的计算体验。

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  然而,计算机专家认为,随着晶体管接近物理极限,摩尔定律不可避免地失败,计算机演化将遇到瓶颈。

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  目前,14纳米芯片已经批量生产,相当于发丝的千分之一,这在生产过程中已经经过了很多测试。未来的改善空间正在逐渐缩小。

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  此外,现代计算机还遵循冯·诺依曼的基本系统,硬件系统由计算机设备,存储器,控制器,输入设备和输出设备五部分组成,该系统在过去的几十年中促进了计算机的快速发展但是要求将数据存储在内存中,并依靠内存进行计算,这就使得计算机的发展受到了芯片的限制。

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  另一方面,传统计算机可以预见的发展瓶颈是物联网,大数据和人工智能带来的计算和升级的需求。量子计算机代表后者,以提高信息处理能力,开发多核芯片,探索与冯·诺依曼系统截然不同的体系结构,或者在经典物理世界之外开发新一代计算机。

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  液态金属可实现高度灵活,智能和可控的灵活计算系统

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  液态金属以其独特的性质进入了科学家的视野。

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  与普通导电介质不同,液态金属在不同的环境中也具有不同的导电性。这个看似微不足道的变化对科学家来说具有很大的价值。

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  中国科学院和清华大学双聘教授刘静是中国液态金属研究领域的领军人物。他和他的团队惊讶地发现,由于不同的温度,不同的氧化程度和不同的磁场强度差异,液态金属的导电性会非常高。因此,正如可以建立计算晶体管电压的基础来操纵电压一样,科学家可以通过改变外部环境来控制液态金属的状态,并利用其在不同状态下的导电差异作为可控逻辑单元。

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  例如,用温度控制装置,改变其中的环境温度的液体金属,使两者之间的固液状态切换。由于固态和液态的电阻值不同,我们可以把它解释为0和1的状态,比如固态为1,液态为0.刘晶说,作为一个基础,有可能建立基于液态金属的存储器和逻辑单元,甚至是计算系统。

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  由于这种特性,液态金属可以成为计算的核心逻辑单元,给传统计算机带来革命性的可能性。刘晶说,不像传统的电脑,从宏观到纳米级的金属液滴,通过各种物理场效应,在液体环境中组装逻辑器件和编程。

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  常规计算机按顺序运行,由于其高度的并行性,液态金属计算机可以同时以多种方式执行多个指令,同时计算速度可能更快。液态金属也具有更好的散热,更少的热量。另外,液态金属结合了液体的灵活性和随机变形的能力,可以制造柔性液体电子器件甚至是半导体电池。

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  正如物理学家和计算机专家预测的那样,量子计算可能是新一代计算机的重要形式。液态金属如何给量子计算机发展和增加火灾?

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  与传统计算机不同,量子计算机使用量子迭加和量子纠缠来实现逻辑运算。量子计算模式的运行,决定了上限和潜在的量子算法远高于经典算法。不过,刘静认为,设备的核心和物理实现,目前的量子计算机和传统的计算机,都是由坚固的器件组成的。例如,量子计算机核心逻辑单元超导隧穿器件结构一般由中间层和两侧组成,中间层是绝缘薄层,两侧是导电介质电极。

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  理论上,由于这些结构是坚固的,形状不能变形或分割,一旦准备好,相应的功能只能根据具体的结构来实现,并且应用可能是有限的。刘静说。

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  如果设备全部是液体,该怎么办?刘静小组提出了一种全液体量子器件及其制备方法,发现由于液体的柔韧性和变形性,表面很容易达到原子光滑度的完美水平。同时,整个液体量子器件的液层厚度可以通过力场,电场,磁场等多种物理场来控制,液膜间隙可达到甚至消失,满足量子计算机操作的要求。这样就可以实现整个系统的高度灵活性,智能化和可控性。刘静认为,基于液态金属的计算机体系结构可能预示着下一代计算机的雏形。

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  在液态金属研究方面,我国处于领先地位

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  液态金属被称为人类使用金属的第二次革命。目前大部分基于液态金属的变革性应用仍然是有趣的,但它拓宽了人类认知世界的界限。

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  液态金属与计算机和智能之间的神奇联系并不是一蹴而就的,而是基于多年来科学家的持续研究。随着对液态金属机理认识的不断深入,研究人员开展了大量的应用研究。

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  2013年,刘静团队将液态金属制成油墨,首次在纸张上直接生成电子线路。一年后,世界上第一台室温打印机的液态金属温度被开发出来,为定制电路制造提供解决方案。

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  2014年6月,针对骨折神经修复问题,刘静团队利用液态金属成功桥接了通路,为人类神经功能的修复和重建提供了可能,建立了信号通路。生物医学领域。

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  观看电影“终结者”的观众,电影必须能够改变机器人的快速恢复的外观令人印象深刻。 2015年3月,刘静领导研究小组,首先研制出自动变形液态金属机械。

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  2016年,液态金属机器人前进,动作更加复杂。刘静队员发现,液态金属不仅可以吃,而且还可以跑,会跳,甚至发扬光大。目前全球机器人研发先进竞争激烈,液态金属开启了机器人的想象空间,有望成为机器人转型的重要引擎。

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  当然,液态金属远非真正的终结者。从自然界生物进化的角度来看,现在相当于将细胞培育成一个完整的仿生体机器人,还需要培养肌肉,神经,骨骼等组织。刘静说。

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  在液态金属研究方面,我国是一个领先者,是中国向世界出口原始科研成果的代表,近年来,液态金属研究逐渐成为国际上重要的科技热点。

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  中国有着深厚的液态金属研究积累。许多国际组织正在朝着我们已经开放的方向进行研究,但重大突破可能会改变现有的模式。一些发达国家的实验室,由于其在学术话语中的强势地位,也可能影响科学界的判断。我们需要不断说出重要的结果。刘静说。

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  一类材料,一个时代。刘静认为,液态金属作为一种特殊的功能材料,已经显示出其引领和开拓重大科技进步的特点,并有望带来电子信息,先进制造,柔性机器人等领域的颠覆性变革。生物医学健康产生了一系列战略性新兴产业。希望国内外更优秀的团队共同应对液态金属研究面临的重大挑战。

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