世界是怎樣改變的(2)

這次更新較慢，主要是眼睛問(wèn)題。

隨著(zhù)老花的進(jìn)展，眼睛對手機、筆記本和外接屏幕三個(gè)距離完全無(wú)法兼容，不同距離不光度數不同，瞳距瞳高等都不一樣，而漸進(jìn)鏡片又有嚴重的視野寬度問(wèn)題。沒(méi)有理想的方案。

聽(tīng)聞周?chē)簧偎奈迨畾q的人早早做了人工晶體，至少正常生活和運動(dòng)可以不戴眼鏡了，遂約了醫生。醫生說(shuō)我現在做有點(diǎn)早，并提到一種叫Neurolens的新眼鏡。這東東的大致原理是認為多數成年人看屏幕時(shí)左右眼是有一定錯位的，所以在鏡片中加入了一點(diǎn)棱鏡。這樣我的眼鏡就會(huì )有凹面鏡(近視)+柱面鏡(散光)+棱鏡(錯位)。

人的左右眼錯位是必然的，因為兩眼位置不同，所以有主視眼和輔視眼之分。我們的視覺(jué)是靠大腦計算合成的結果。在室外環(huán)境大腦合成計算量低所以眼睛不容易疲勞，但在看屏幕時(shí)大量銳利的字符都需要大腦實(shí)時(shí)對齊合成，長(cháng)時(shí)間會(huì )導致碳基GPU發(fā)熱過(guò)載導致頭痛等問(wèn)題。

Neurolens據說(shuō)目前還頗具爭議，因為人眼和大腦是經(jīng)過(guò)長(cháng)期進(jìn)化配合的，“粗暴”改變雙眼的視覺(jué)會(huì )有什么結果沒(méi)人知道。但是，人類(lèi)會(huì )怎樣進(jìn)化來(lái)適應每天一半時(shí)間看電子屏幕呢？

正好話(huà)題是關(guān)于世界的改變，我們再從半導體延伸談到目前人類(lèi)科技的局限。

六、MOS模型的建立與經(jīng)驗的局限

上文提到，MOSFET是我們信息時(shí)代的基石。要準確模擬和設計這些器件的行為，需要穩健的計算模型。伯克利SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）和BSIM（Berkeley Short-channel IGFET Model）正是在這樣的背景下誕生的。

據我所知，這些模型的建立主要是基于經(jīng)典的半導體物理學(xué)理論，例如載流子傳輸理論、漂移-擴散模型等。BSIM模型中包含大量的經(jīng)驗公式，這些公式大多是通過(guò)擬合實(shí)驗數據得到的。這些公式能夠描述MOSFET在不同工作區域（如亞閾值區、線(xiàn)性區、飽和區）下的電氣行為。

隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和器件尺寸的縮小，BSIM模型經(jīng)歷了多次更新和改進(jìn)。隨著(zhù)時(shí)間的推移，BSIM模型逐漸納入了一些量子力學(xué)效應的考量，特別是在后來(lái)的版本中，如BSIM4和BSIM-CMG（用于FinFET等新型器件）。隨著(zhù)短溝道效應的顯現，模型被擴展以更好地描述這些效應。

這些聽(tīng)起來(lái)挺有意思，但在實(shí)踐中大量的科研人員被投入枯燥的工作。有的物理學(xué)博士自嘲說(shuō)固態(tài)物理就是測電阻，組合各種材料施加各種電磁場(chǎng)來(lái)反復測電阻。由于理論物理尤其高能物理走到死胡同很難拿到經(jīng)費，很多數理優(yōu)秀的博士迫于生計加入凝聚態(tài)成為現代窯工。

這個(gè)社會(huì )有個(gè)明顯的倒掛，就是科技的使用越接近基礎理論端則收入越低：軟件>硬件>材料>純理論。咱們不談這是否公平，也許從產(chǎn)業(yè)收入投入比來(lái)說(shuō)，似乎這種現象也不無(wú)道理。????????????

純理論真的這么尷尬嗎？Gap在哪里呢？

那么問(wèn)題來(lái)了，既然量子力學(xué)在微觀(guān)范疇已經(jīng)是完備的，為什么我們非要用經(jīng)驗模型而不能直接基于量子力學(xué)來(lái)構建一個(gè)純數學(xué)的完美模型呢？

七、為何完美模型如此難以實(shí)現？

答案在于計算的復雜性和多尺度問(wèn)題。

量子力學(xué)提供了一個(gè)精確描述電子行為的框架，但在處理實(shí)際的半導體器件時(shí)，我們面臨的是一個(gè)多尺度、多體相互作用的復雜系統。對于一個(gè)復雜的半導體器件來(lái)說(shuō)，求解全量子力學(xué)的薛定諤方程，尤其是在考慮電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用時(shí)，變得異常復雜；半導體器件中的電子行為涉及多體相互作用。處理多體問(wèn)題的精確解法（如量子蒙特卡羅方法）計算量非常巨大，即使在今天最強大的計算機上，直接求解這些方程也變得不可行。

半導體器件涉及從原子級（納米尺度）到電路級（宏觀(guān)尺度）的多尺度問(wèn)題。結合這些不同尺度的方法通常是通過(guò)將不同物理學(xué)模型耦合在一起，這存在量子-經(jīng)典耦合和時(shí)間尺度的問(wèn)題。從飛秒級的電子躍遷到微秒級的熱效應，計算量是大到嚇人的。

八、實(shí)用為王

盡管近年來(lái)AI和高性能計算能力已經(jīng)大幅提高，但一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何使得模型不僅理論上完美，而且在實(shí)際應用中實(shí)用。對于工程應用來(lái)說(shuō)，模型不僅需要精確，還需要在合理的時(shí)間內提供結果，這涉及到：

在工程應用中，設計人員通常更關(guān)心的是模型的實(shí)用性，即能否在短時(shí)間內提供足夠精確的結果，以用于大規模的電路設計與仿真。因此，雖然一個(gè)更完美的模型在理論上是可能的，但在工程實(shí)際中，它可能并不一定是最優(yōu)的選擇：工程師們已經(jīng)習慣了使用當前的模型，并且工具鏈和設計流程也都圍繞這些模型建立起來(lái)。引入全新的、更復雜的模型可能需要重新設計這些流程，并進(jìn)行大量的驗證和培訓工作。

科學(xué)的發(fā)展往往超前于實(shí)際應用需求。例如，雖然我們在理論上可以構建更完美的模型，但當前的設計和制造工藝或許并不需要如此高精度的模型，這種情況下，追求“完美”反而會(huì )增加不必要的成本和復雜度。

一個(gè)類(lèi)似的例子是蒸汽機的發(fā)明和改進(jìn)。在工業(yè)革命初期，瓦特改良了紐科門(mén)的蒸汽機，這一改進(jìn)奠定了蒸汽動(dòng)力機械廣泛應用的基礎。然而，瓦特的工作同樣不是從熱力學(xué)第一原理出發(fā)，而是基于大量的實(shí)驗和工程經(jīng)驗。直到19世紀中葉，熱力學(xué)第一和第二定律才逐漸成形，完善了我們對蒸汽機工作原理的理解。同樣，盡管量子力學(xué)為我們提供了理論基礎，但實(shí)際應用中的復雜性使得我們不得不依賴(lài)于經(jīng)驗公式和簡(jiǎn)化模型。

更何況，半導體器件中的現象涉及從納米尺度的量子效應到宏觀(guān)尺度的經(jīng)典物理，而將這些不同尺度的物理現象統一在一個(gè)模型中，本身就是一個(gè)巨大的挑戰。

八、未來(lái)可能的轉變：從實(shí)驗到計算的飛躍

盡管如此，隨著(zhù)計算技術(shù)的飛速發(fā)展，問(wèn)題是不是就不一樣了呢？固態(tài)物理學(xué)會(huì )不會(huì )迎來(lái)一個(gè)重要的轉變：即從實(shí)驗驅動(dòng)向計算驅動(dòng)的科學(xué)發(fā)現。

在過(guò)去的幾十年里，第一性原理計算（如密度泛函理論、DFT）和機器學(xué)習的結合，已經(jīng)開(kāi)始在材料科學(xué)中展現出潛力?？茖W(xué)家們不再完全依賴(lài)于實(shí)驗室中的反復試驗，而是通過(guò)計算機模擬材料的電子結構和物理性質(zhì)，預測新材料的行為。這種計算驅動(dòng)的研究方法不僅加速了材料的發(fā)現過(guò)程，還能幫助我們更好地理解實(shí)驗結果，從而逐步構建更接近“完美”的模型。

計算驅動(dòng)的科學(xué)研究可能在21世紀帶來(lái)類(lèi)似的革命，使得我們在不依賴(lài)于龐大實(shí)驗設備的情況下，也能對材料和器件進(jìn)行精確的預測和設計。

這種轉變不僅僅是研究范式的變化，更可能為人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)廣泛的影響。

舉個(gè)例子，硅的純形式是許多現代技術(shù)的關(guān)鍵，從芯片到太陽(yáng)能電池。然而，它作為半導體的特性遠非理想。硅的導熱性和電子移動(dòng)效率都不算好，一個(gè)潛在的解決方案是將高載流子流動(dòng)性的新材料引入通道區域，如砷化鎵、砷化銦和銻化鎵等。電子在其中可以以10倍以上的速度移動(dòng)，這樣這些影響我們世界的小開(kāi)關(guān)們可以更快地切換。同樣重要的是，由于電子移動(dòng)得更快，芯片可以在較低的電壓下工作，從而提高能效和更少的發(fā)熱量。

通過(guò)計算驅動(dòng)，新材料的發(fā)現將變得更加高效。例如，高性能電池材料、催化劑、超導材料、拓撲材料等，都可以通過(guò)高通量計算篩選和優(yōu)化，加速這些技術(shù)在能源、環(huán)保等領(lǐng)域的應用。和人類(lèi)基因組研究帶來(lái)的考古學(xué)、生物化學(xué)和醫藥革命類(lèi)似，材料基因組也許也是一個(gè)有趣的方向。

隨著(zhù)超級計算技術(shù)的普及，從實(shí)驗物理學(xué)到計算物理學(xué)的轉變可能會(huì )催生一波新的科技革命。這不僅會(huì )改變科研人員的工作方式，還將影響從芯片設計到材料科學(xué)、從能源開(kāi)發(fā)到環(huán)境保護的各個(gè)領(lǐng)域。未來(lái)的科學(xué)家將更多依賴(lài)于計算機模擬和算法優(yōu)化，而不是傳統的實(shí)驗室試驗，這種變革將深刻改變科學(xué)發(fā)現的速度和模式。

九、但是??

我們回看火藥的發(fā)明，從最初作為單純的火器，到后來(lái)的大規模應用，逐漸改變了戰爭、政治和地緣的面貌。然而，火器的應用初期也并非基于對爆炸化學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的深刻理解，而更多依賴(lài)于經(jīng)驗的積累。同樣，半導體MOS模型在某種程度上也反映了這種經(jīng)驗主導的科技演進(jìn)路徑。

隨著(zhù)計算技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)也許會(huì )有個(gè)一個(gè)新紀元，在這個(gè)紀元中，計算驅動(dòng)的科學(xué)發(fā)現將逐步取代實(shí)驗驅動(dòng)的研究范式。然而，人類(lèi)目前的算力和科學(xué)能力，還遠遠沒(méi)到可以從量子層面計算稍大一點(diǎn)尺度多體的水平，比如模擬一顆種子或甚至一個(gè)細菌。

這個(gè)問(wèn)題目前能看的解決的路徑嗎？很抱歉，由于微觀(guān)量子狀態(tài)和宏觀(guān)可測量物理量之間的完整關(guān)系無(wú)法建立，也就是量子力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)之間仍有不可逾越的鴻溝，答案只能是絕望的。???????

只能說(shuō)，你們人類(lèi)的科學(xué)還是太落后了。