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未來(lái)計算機可以依靠熱能運行嗎
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作者：
時(shí)間：2008-01-15
來(lái)源：科技日報
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一杯水太熱，我們會(huì )等它放涼了再喝。但在不久的將來(lái)，這很可能被視為是浪費的表現，因為多余的熱量將可能成為計算機的能源。
現在廣泛使用的計算機是使用能控制電流的微電子元件來(lái)處理和傳播信息的，在電子之后有人發(fā)現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(kāi)始成型。
但科學(xué)家們并不滿(mǎn)足：“光子之后呢？”他們大膽地提出，該是“聲子”粉墨登場(chǎng)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)現并證明，在晶體中傳遞熱的振動(dòng)也可用來(lái)傳播和處理信息，這種振動(dòng)量子叫“聲子”，依據這個(gè)原理可以制造新一代“聲子”計算機。
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(mén)。二極管、晶體管和邏輯門(mén)是計算機處理信息的基本單元。在電二極管、電晶體管和電邏輯門(mén)中，電子的流動(dòng)以“高電壓”和“低電壓”來(lái)表示，信息則以“0”和“1”來(lái)表示；而在熱二極管、熱晶體管和熱邏輯門(mén)中，信息仍然是以“0”和“1”來(lái)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(guò)改變溫度來(lái)控制。教授們稱(chēng)，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(lái)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，這項發(fā)明或許有一天可以用來(lái)處理，甚至應用多余的熱能。換句話(huà)說(shuō)，它最終或許能對解決全球暖化作出貢獻；另外，如果能按照熱二極管原理設計一種新的隔熱材料，就可以讓汽車(chē)或大廈不會(huì )吸收外在環(huán)境的熱，從而降低車(chē)內或室內的空調能耗。
基礎：構建“熱邏輯門(mén)”
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(mén)。熱邏輯門(mén)是“聲子計算機”的基本構成元素，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隊的開(kāi)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，能夠擔負和場(chǎng)效應晶體管（也就是我們目前普遍使用的晶體管）控制和電流相類(lèi)似的功能。這個(gè)發(fā)明為“聲子計算機”的實(shí)現提供了理論基礎。
來(lái)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(zhù)“開(kāi)”；當振動(dòng)范圍并不交迭時(shí)，僅有極少量的熱或沒(méi)有熱通過(guò)，代表著(zhù)“關(guān)”。當終端界面粒子的振動(dòng)范圍調和失諧時(shí)產(chǎn)生“負微分熱阻”，制造出穩定的“開(kāi)”和“關(guān)”狀態(tài)，使熱邏輯運行成為可能。
雖然目前的模型只是可以簡(jiǎn)單地展示熱邏輯門(mén)的可行性，但看起來(lái)付諸操作實(shí)踐的困難還很大。不過(guò)李保文和他的合作者還是樂(lè )觀(guān)地預言，利用納米技術(shù)制造一個(gè)實(shí)驗型設施將不會(huì )太遙遠，因為另外一個(gè)對此有幫助的熱設備———固態(tài)熱整流器早在2006年就已經(jīng)發(fā)明了。
前景：可觀(guān)但不容樂(lè )觀(guān)
對于這項新研究，美國《物理評論快報》評論說(shuō)：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，另一方面也為控制熱流翻開(kāi)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。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院“百人計劃”特聘研究員郭雪峰博士則對“聲子計算機”的前景表示出謹慎的樂(lè )觀(guān)。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。
郭雪峰說(shuō)：“聲子計算機是一項前瞻性的創(chuàng )新研究。正如分子計算機一樣，就現在的研究進(jìn)度和成果而言，它還停留在概念階段，甚至離成功更遠。應該說(shuō)實(shí)現起來(lái)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：“聲子計算機的工作原理與傳統的計算機截然不同，因此需要的外界條件也不同。譬如，如何把外界信號轉換為晶體中原子或分子的振動(dòng)，即如何進(jìn)行信號輸入；如何把原子或分子的振動(dòng)轉換為可接收的外界信號，即如何進(jìn)行信號輸出。這些都需要研發(fā)相應的理論和技術(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，聲子計算機還有待加強?！惫┦窟M(jìn)一步介紹說(shuō)，“這些都將成為這項技術(shù)發(fā)展的重要制約因素?！?
有對此感興趣的愛(ài)好者曾對聲子計算機的處理速度進(jìn)行過(guò)估算：假設它能夠實(shí)現50攝氏度的溫差，最小判斷單位是0.01攝氏度的話(huà)，那么它能夠實(shí)現每個(gè)時(shí)間刻度0.5bit的數據量。假設它已經(jīng)實(shí)現了極高速的熱導判斷，能夠達到0.001秒為一個(gè)時(shí)間刻度，那么它每秒種也只能傳播500bit的數據。這無(wú)疑是極其緩慢的。
“但是，它一旦研究成功，成果將相當可觀(guān)。尤其是在能源利用方面?！惫┓逭f(shuō)，“雖然面臨的困難很多，但是，我認為這些研究會(huì )持續發(fā)展，并越來(lái)越受人關(guān)注。很多我們現今習以為常的發(fā)明，在當初都經(jīng)歷過(guò)坎坷的研究道路?！?/span>
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