未來計(jì)算機(jī)可以依靠熱能運(yùn)行嗎
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現(xiàn)在廣泛使用的計(jì)算機(jī)是使用能控制電流的微電子元件來處理和傳播信息的，在電子之后有人發(fā)現(xiàn)光子也可以傳播和處理信息，以光子作為信息載體的新興光子學(xué)工業(yè)和光子電腦也已開始成型。
但科學(xué)家們并不滿足：“光子之后呢？”他們大膽地提出，該是“聲子”粉墨登場的時(shí)候了。
近日，新加坡國立大學(xué)物理系的李保文教授和王雷教授發(fā)現(xiàn)并證明，在晶體中傳遞熱的振動(dòng)也可用來傳播和處理信息，這種振動(dòng)量子叫“聲子”，依據(jù)這個(gè)原理可以制造新一代“聲子”計(jì)算機(jī)。
原理：以“聲子”代替電子
李保文和王雷教授掌握了聲子或熱的傳遞，在理論上確立了熱二極管、熱晶體管和熱邏輯門。二極管、晶體管和邏輯門是計(jì)算機(jī)處理信息的基本單元。在電二極管、電晶體管和電邏輯門中，電子的流動(dòng)以“高電壓”和“低電壓”來表示，信息則以“0”和“1”來表示；而在熱二極管、熱晶體管和熱邏輯門中，信息仍然是以“0”和“1”來表示。不同的是，“0”表示低溫，“1”表示高溫，信息的處理因此可以通過改變溫度來控制。教授們稱，這時(shí)電腦里流通的不再是電子，而是聲子（其實(shí)質(zhì)就是熱）。用熱來處理信息的電腦可以從環(huán)境中擷取熱，而不需要大量電流，甚至根本不需要電流。
李保文指出，這項(xiàng)發(fā)明或許有一天可以用來處理，甚至應(yīng)用多余的熱能。換句話說，它最終或許能對(duì)解決全球暖化作出貢獻(xiàn)；另外，如果能按照熱二極管原理設(shè)計(jì)一種新的隔熱材料，就可以讓汽車或大廈不會(huì)吸收外在環(huán)境的熱，從而降低車內(nèi)或室內(nèi)的空調(diào)能耗。
基礎(chǔ)：構(gòu)建“熱邏輯門”
李保文和他的同事證明，把熱晶體管按照不同的方式組合，可以得到電腦處理信息所需的各種熱邏輯門。熱邏輯門是“聲子計(jì)算機(jī)”的基本構(gòu)成元素，它本身的關(guān)鍵元素則是“熱晶體管”?！盁峋w管”是李保文和他的研究團(tuán)隊(duì)的開創(chuàng)性發(fā)明，它由兩個(gè)弱耦合的終端和一個(gè)控制終端組成，能夠擔(dān)負(fù)和場效應(yīng)晶體管（也就是我們目前普遍使用的晶體管）控制和電流相類似的功能。這個(gè)發(fā)明為“聲子計(jì)算機(jī)”的實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。
來自美國Physorg科技網(wǎng)站的資料顯示，按照李保文和他的同事提出的模型，熱是由點(diǎn)陣振動(dòng)制造的。當(dāng)兩個(gè)終端的振動(dòng)范圍重合時(shí)，他們的交迭就會(huì)產(chǎn)生熱流。例如，當(dāng)兩個(gè)振動(dòng)范圍交迭時(shí)，熱可以很容易地在兩個(gè)終端間流動(dòng)，代表著“開”；當(dāng)振動(dòng)范圍并不交迭時(shí)，僅有極少量的熱或沒有熱通過，代表著“關(guān)”。當(dāng)終端界面粒子的振動(dòng)范圍調(diào)和失諧時(shí)產(chǎn)生“負(fù)微分熱阻”，制造出穩(wěn)定的“開”和“關(guān)”狀態(tài)，使熱邏輯運(yùn)行成為可能。
雖然目前的模型只是可以簡單地展示熱邏輯門的可行性，但看起來付諸操作實(shí)踐的困難還很大。不過李保文和他的合作者還是樂觀地預(yù)言，利用納米技術(shù)制造一個(gè)實(shí)驗(yàn)型設(shè)施將不會(huì)太遙遠(yuǎn)，因?yàn)榱硗庖粋€(gè)對(duì)此有幫助的熱設(shè)備———固態(tài)熱整流器早在2006年就已經(jīng)發(fā)明了。
前景：可觀但不容樂觀
對(duì)于這項(xiàng)新研究，美國《物理評(píng)論快報(bào)》評(píng)論說：李保文和他同事的理論一方面為使用“聲子”傳遞和處理信息奠定了理論基礎(chǔ)，另一方面也為控制熱流翻開了新的篇章。新的聲子學(xué)學(xué)科和工業(yè)或許將在不久后出現(xiàn)。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院“百人計(jì)劃”特聘研究員郭雪峰博士則對(duì)“聲子計(jì)算機(jī)”的前景表示出謹(jǐn)慎的樂觀。郭雪峰在中科院化學(xué)所獲得博士學(xué)位，在哥倫比亞大學(xué)納米中心、物理系和化學(xué)系獲得博士后學(xué)位，曾獲全國百篇優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)。
郭雪峰說：“聲子計(jì)算機(jī)是一項(xiàng)前瞻性的創(chuàng)新研究。正如分子計(jì)算機(jī)一樣，就現(xiàn)在的研究進(jìn)度和成果而言，它還停留在概念階段，甚至離成功更遠(yuǎn)。應(yīng)該說實(shí)現(xiàn)起來會(huì)很難，但值得學(xué)者去努力?！?
郭雪峰首先介紹了它面臨的各方面困難：“聲子計(jì)算機(jī)的工作原理與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)截然不同，因此需要的外界條件也不同。譬如，如何把外界信號(hào)轉(zhuǎn)換為晶體中原子或分子的振動(dòng)，即如何進(jìn)行信號(hào)輸入；如何把原子或分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為可接收的外界信號(hào)，即如何進(jìn)行信號(hào)輸出。這些都需要研發(fā)相應(yīng)的理論和技術(shù)?！?
“另外，在處理速度、抗衰老性、抗干擾能力、集成可能性、兼容性等方面，聲子計(jì)算機(jī)還有待加強(qiáng)。”郭博士進(jìn)一步介紹說，“這些都將成為這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的重要制約因素?！?
有對(duì)此感興趣的愛好者曾對(duì)聲子計(jì)算機(jī)的處理速度進(jìn)行過估算：假設(shè)它能夠?qū)崿F(xiàn)50攝氏度的溫差，最小判斷單位是0.01攝氏度的話，那么它能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)時(shí)間刻度0.5bit的數(shù)據(jù)量。假設(shè)它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了極高速的熱導(dǎo)判斷，能夠達(dá)到0.001秒為一個(gè)時(shí)間刻度，那么它每秒種也只能傳播500bit的數(shù)據(jù)。這無疑是極其緩慢的。
“但是，它一旦研究成功，成果將相當(dāng)可觀。尤其是在能源利用方面?！惫┓逭f，“雖然面臨的困難很多，但是，我認(rèn)為這些研究會(huì)持續(xù)發(fā)展，并越來越受人關(guān)注。很多我們現(xiàn)今習(xí)以為常的發(fā)明，在當(dāng)初都經(jīng)歷過坎坷的研究道路?！?/span>
評(píng)論