液态金属能给计算带来什么
时间: 2018-01-30 来源:千人智库网
提要:与传统计算机不同,量子计算机利用量子叠加和量子纠缠来实现逻辑运算。

液态金属能给计算带来什么

 

液态金属,在普通人看来,它可能是体温计中流动的水银,是高温锅炉中沸腾的铁水。可在科学家眼中,它是流动的软体生命,是连接人体神经的桥梁,是未来机器人变革的核心材料……不久前,我国一个科研小组在国际上率先将液态金属与量子器件及计算技术联系起来。更快更智能的计算,一直是人类追求的目标。液态金属是否预示着一场新的计算革命的到来?

液态金属是常温常压下保持液态的一类合金,具有良好的导电性,蕴含着丰富的物理图景

液态金属,从字面上理解,就是保持液体状态的金属。如镓铟合金,是常温常压下保持液态的一类合金。液态金属具有良好的导电性,蕴含着丰富的物理图景。

那么,液态金属与计算变革又有啥关系?这得从计算机的原理谈起。

以晶体管为代表的半导体元件是现代计算机的基本逻辑单元。其原理是,通过控制晶体管电压的高低,决定一个数据是“1”还是“0”,这一经典逻辑运算模式就是二进制。在此基础上,人们构建“加减乘除”等运算单元,发展出可编程的芯片,计算机得以走进你我生活。

目前,芯片生产进入集成电路时代。通常,单位芯片上集成的晶体管数目越多,计算性能越好。科学界和产业界不断缩小晶体管的尺寸,提升单位面积的集成量。过去40多年,半导体芯片一直遵守着“摩尔定律”,即每隔18个月集成度翻一倍,性能提升一倍,产品价格降低一半。这保证了我们享受更低价更快速的计算体验。

不过,计算机专家预计,随着晶体管逐渐走向物理极限,“摩尔定律”必定失效,计算机“进化”将遇到瓶颈。

当前,14纳米的芯片已经量产,这一尺度相当于头发丝的七千分之一,这已经十分考验制作工艺了。未来的改进空间正逐渐缩小。

此外,现代计算机遵循冯·诺依曼基本体系,该体系的硬件系统即由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成。这一体系助推了过去几十年计算机的高速发展,但它要求数据存储在内存、并依赖内存进行运算的思想,使得计算机的发展受到芯片的制约。

一方面是传统计算机可以预见的发展瓶颈,另一方面是物联网、大数据、人工智能带来的对计算升级的需求。为了提升信息处理能力,研究人员或者发展多核芯片,或者探索有别于冯·诺依曼体系的架构,或超越经典物理世界开发新一代计算机,量子计算机就是后者的代表。

液态金属让高度灵活性、智能性和可控性的柔性计算系统成为可能

液态金属以其独特性能进入科学家的视野中。

不同于一般的导电介质,液态金属在不同的环境下导电性也有差异。这一看上去微不足道的变化,在科学家眼中则有重大价值。

中科院理化所、清华大学双聘教授刘静是我国液态金属研究的领军人物,他和团队惊奇地发现,温度不同、氧化程度不同以及磁场强度环境不同,液态金属的导电性会呈现出极大的差异。因此,就像通过对晶体管电压的控制来构建运算基础一样,科学家可以通过改变外界的环境,借助对液态金属状态的控制,并以它在不同状态下的导电差异作为可控的逻辑计算单元。

“比如,借助温度调控装置,改变液态金属所处的环境温度,使其在固液两种状态之间切换。因为固态和液态形态下电阻值不同,我们就可以把它理解为‘0’和‘1’的状态,比如把固态状态定为‘1’,液态状态则为‘0’”。刘静说,以此为基础就能构建基于液态金属的记忆与逻辑单元,甚至计算系统。

正因为这种特性,使液态金属可以成为计算的核心逻辑单元,从而带来革新传统计算机的可能性。刘静说,不同于传统的电子计算机,从宏观到纳米尺度的金属液滴,可以通过多种物理场效应,在液体环境下组装出逻辑器件并对其进行编程。

传统计算机以顺序执行指令的方式运行,液态金属构建的计算机,由于能通过多种方式同时进行编程,一次可同时执行多个指令,具有高度并行性的特点,因此运算速度上可能更快。液态金属也具有更好的散热性能,发热量更小。此外,液态金属还兼具流体的柔性、可任意变形的特征,能够制作柔性的液体电子乃至半导体单元。

正如物理学家与计算机专家的预测,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添薪加火?

与传统计算机不同,量子计算机利用量子叠加和量子纠缠来实现逻辑运算。量子计算机的运算模式,决定了量子算法的上限和潜力远高于经典算法。不过,刘静认为,在核心的器件和物理实现方法上,当前量子计算机和传统计算机一样,都由固体的器件组成。比如,量子计算机的一种核心逻辑单元——超导隧道效应器件的结构一般由中间层和两侧构成,中间层是一块绝缘的薄层,两侧为导电介质电极。

“理论上说,由于这些结构是固体的,形状无法变形、分割,一旦制备出来,一般只能按其特定结构实现对应功能,应用可能受到限制。”刘静说。

如果器件全部是液态将会怎样?刘静团队为此提出了一种全液态量子器件和制备方法,发现由于液体的柔性和可变形性,表面易于达到原子级别的完美光滑度。同时全液态量子器件的中间液层的厚度可以通过力场、电场、磁场等多种物理场来调控,液膜间隙可达到极小尺度甚至完全消失,满足实现量子计算机运行对尺度的要求。如此,整个系统要实现高度的灵活性、智能性和可控性就成为可能。刘静认为,基于液态金属的计算机架构,可能预示着下一代计算机的雏形。(由人民日报、中国科普网综合整理)


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