戎评：第四次工业革命：中国年轻人搞了一个“大新闻”

lameihua

　　2019年11月10日，《中国青年报》消息称：

　　中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部，日前首次制备出以肖特基结作为发射结的垂直结构晶体管“硅-石墨烯-锗晶体管”，成功将石墨烯基区晶体管的延迟时间缩短了1000倍以上，并将其截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹领域。

　　据悉，此次科研的相关成果与于近日发表于国际学术期刊《自然。通讯》，对此，该成果论文的通讯作者，中科院金属所研究员孙东明介绍称：

　　此次中国在该领域所取得的突破性成果，不仅极大地提升了石墨烯基区晶体管的性能，有望在太赫兹领域的高速器件中得到应用，从而为最终实现超高速晶体管的实用化奠定发展基础！

　　毫不讳言，当第一次看到这篇科技喜报的时候，戎评是彻底“懵”的。

　　什么是硅-石墨烯-锗晶体管？

　　什么是兆赫兹、吉赫兹、太赫兹？

　　晶体管的延迟时间缩短1000倍又意味着什么？

　　然而，纵有所不懂，但是从《中国青年报》乃至相关科研人员热情洋溢的描述中戎评却隐约能够感知到，这是一个重大的科技突破！

　　很幸运，我们又一次见证了历史。

　　百年轮转，科技之光重新闪现

　　在1883年一个闷热的傍晚，面对着玻璃壳中再一次被化为乌有的“碳丝”，大发明家爱迪生陷入了彻底的狂躁！

　　他一脚踢翻了身旁的工作台，工具柜里的铜丝散落一地。

　　但是就在这时，一个大胆的想法诞生了：

　　碳丝如此脆弱，如果在灯泡内另行封入一根铜线，也许可以阻止碳丝蒸发，延长灯泡寿命

　　然而，最终的结果依旧令人失望

　　——在通电后的很短时间内，碳丝仍然被蒸发的一干二净，爱迪生的电灯寿命实验，再次失败。

　　不过，此次的“灵光一闪”并非毫无收获，在实验中，爱迪生发现了一个奇怪的现象：

　　碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通过。铜线与碳丝并不联接，哪里来的电流？难道电流会在空中飞渡不成？

　　显然，依照当时的科技认知，这样一种“无线导电”的现象是不可思议的，因此，出于一个科技商人的敏感，虽然当年的爱迪生并不能对此作出合理的解释，但是他依旧为此申请了专利，并将之命名为“爱迪生效应”！

　　所以，什么是“爱迪生效应”？

　　把一根电极密封在碳丝灯泡内，靠近灯丝，当电流通过灯丝使之发热时，金属板极上就有电流流过。

　　而在今天我们知道，所谓的爱迪生效应，其实就是热能激发金属中的电子进行定向运动，从而形成微弱电流的一种现象！

　　然而，面对这样一种“匪夷所思”的现象，当年正忙于现代城市建设构划的爱迪生也仅仅只是在商人的直觉下草草申请了专利，便将之束之高阁。

　　不过，正所谓“墙内开花墙外香”。

　　1884年，英国物理学家弗莱明出访美国时拜会了爱迪生，在两人讨论有关“电发光”的问题时，爱迪生当场重复展示了自己发现的那个有趣的现象…

　　毫无疑问，这样一种“隔空穿电”的现象，深深的震撼了当时年仅20岁的弗莱明，于是在返回英国后，弗莱明对“爱迪生效应”进行了更加深入的研究

　　——在多年的研究后弗莱明得出结论：在爱迪生效应中，灯丝与板极之间的空间，是电的单行路。

　　然而，这又有什么用呢？弗莱明不知道，爱迪生更不知道。

　　时光飞转，20年寒暑…

　　1896年，马克尼无线电报公司成立，弗莱明被聘为顾问。在研究改进无线电报接收机中的检波器时，弗莱明突发奇想的在真空玻璃管内封存了两个彼此隔离的金属片，在给阳极板加上高频交变电后，爱迪生效应出现了！

　　交流电通过这个装置变成了直流电——人类历史上第一个“真空二极管”正式诞生！

　　当然，高潮远没有结束。

　　1906年，在弗莱明二极管的基础上，贫困潦倒，年仅30岁的美国发明家德福雷斯特突发奇想的在灯丝和板极之间，加上了一个栅板。

　　由此，曾经单向流淌的溪水被人为的建立起了一道水坝，在真空三极管中，电子信号在“栅板”的作用下获得了任意放大缩小的作用，无线电台的春天，正式到来！

　　对此，发明了“真空三极管”的德福雷斯特不无得意的表示：

　　我发现了一个看不见的空中帝国！

　　然而，一切都结束了吗？

　　1945年的某一天，在“笨重”、“脆弱”、“不耐高温”的抱怨下，终于对电子管糟糕的物理性能忍无可忍的35岁年轻物理学家肖克利，在愤怒中发誓要“改变一切”！

　　可是，如何改变？

　　封闭在玻璃灯罩中的“电子管”是绝不允许采用的，于是在更小、更轻、更简单的想法下，肖克利将目光锁定了一种小巧的新型复合材料——半导体。

　　什么是半导体？

　　简单的讲，所谓的半导体指的就是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的人工复合材料，如今咱们熟知的CPU、电路板，就是以半导体为器材所制造的产品！

　　不过，似乎就是老天爷的戏弄

　　——肖克利选用了半导体、甚至选用了“硅”作为材料，但是就是在这样完全准确预测了今天的情况下，肖克利在将近两年的挣扎研究后却一无所成，他心灰意冷，将硅晶体管的项目打发给了自己的助手，年轻的巴丁和布拉顿…

　　然而，奇迹出现了：仅仅就在几个月后的1947年，世界上第一支晶体管诞生！

　　他们是怎么做到的？

　　原来，在接到项目时，巴丁和布拉顿便全盘的推翻了肖克利的具体研究成果，在抛弃“纯度不够”的硅之后，他们选用了物理导电性能更为优异的锗！

　　肖克利团队成功了。

　　美国“德州仪器公司”的工业化量产，不仅为肖克利团队带来了滚滚的科研红利，在锗晶体管的的辅助下，当年的计算机处理能力更是比电子管时代，提升了好几个数量级！

　　然而，为应用科技带来跃升的锗晶体管并非完美无缺：

　　首先是价格：锗在地壳的含量只有百万分之一，实在太过昂贵。

　　其次是物理极限：锗在75℃以上就不能工作，400℃以上还容易发生解析反应。

　　于是，仅仅就在9年后的1954年，随着更为廉价且物理性能稳定的“硅”，在提纯技术获得突破后，锗晶体管便被立刻抛弃…

　　廉价、物理性质稳定，一个“完美晶体管”的时代，似乎已经到来。

　　不过，有人不满足：

　　1958年，美国德州仪器公司迎来了一位新员工

　　——年仅35岁的美国威斯康星大学电子工程硕士杰克·基尔比。

　　与其他早已见惯一切的“老员工”不一样，年轻的杰克对于工厂车间中一边看着显微镜、一边发着牢骚，一边将极小的硅元件焊接到一起的低收入女工产生了极大地同情。

　　于是，在炎热的夏季的一个傍晚，天才的想法诞生了：

　　花费如此的精力来焊接晶体管实在是太愚蠢了，为什么不能把所有的部件都刻在一张半导体上呢？

　　他成功了，对于自己的得意之作，杰克这样描述道：

　　在一个半导体材料的体内，所有的组成电路看似各自独立，却都是高度集成的。

　　1958年，世界上第一块“集成电路”诞生！

　　不过，似乎就是“巧合”：与世界第一支晶体管的诞生看中了“锗”的高纯度一样，世界上第一块集成电路的诞生，同样选中了“锗”。

　　虽然，仅仅就在半年之后，美国仙童公司的诺伊斯就发明了基于“硅”的集成电路，但是我们不可否认的是，在两次电子信息产业变革中，“硅”虽然得到了最终的应用，但是最高的荣誉，应当归于“锗”！

　　虽然，对于“锗”落败于“硅”的事实，学界的大多数人将之归咎于“锗”价格昂贵且不耐热的先天不足，但是在戎评看来：

　　纵观“锗”的命运跌宕，我们与其去苛责“锗”的先天不足，还不如去自我反省一下人类应用技术的局限！

　　道理很简单：

　　曾几何时，在冶炼锻造技术尚且落后的时代里，今天早已被普遍应用不可或缺的“铁”，还被称为“恶金”，而相对而言，综合性能稳定但表现平庸的青铜，却主宰了人类历史长达4000年…

　　然而，“平庸”就是“平庸”，随着冶炼技术的提高，“铁”可以变作“钢”，而“青铜”却永远只是“青铜”！

　　“锗”的命运何尝不是如此？

　　不过，历史终将给予每一个参与者公正的评价，就在“硅”垄断世界电子信息产业60年的今天，就在全世界都快要遗忘“锗”的今天，曾经的落寞人在中国科学家的手中，再度上演王者归来！

　　他叫硅-石墨烯-锗晶体管。

　　在半导体薄膜和石墨烯转移工艺下，他集合了硅、石墨烯、锗的三者的优异物理性能！

　　在多重材料复合下，他克服了早期锗晶体管容易“热失控”的致命缺陷、他突破了硅晶体管突破截止频率的瓶颈、他达到了目前晶体管的最大开态电流，在相较于以往同类晶体管总延迟时间缩短1000倍以上的优异性能下，他完成了由兆赫兹提升至吉赫兹，太赫兹领域触手可及…

　　这些意味着什么？

　　计算机的速度取决于时钟周期，时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位，在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。

　　显然，“时钟周期”的存在为CPU的性能提升提供了理论依据：

　　CPU性能高低取决于CPU基本动作的完成速度，而CPU基本动作，是协同时钟周期的。

　　换一句话讲，更小的时钟周期就意味着更高的工作频率。

　　或许看到这里有人要问了：硅-石墨烯-锗晶体管与CPU的时钟周期有什么关系？

　　这里，涉及到的就是戎评之前提出的第二个问题了

　　——什么是兆赫兹、吉赫兹、太赫兹？

　　什么是“赫兹”？

　　简单的讲，所谓赫兹就是频率单位“Hz”的中文音译，而以此类推，《中国青年报》此次在有关中国硅-石墨烯-锗晶体管的科研报道中提到的兆赫兹、吉赫兹、太赫兹，分别为“MHz”、“GHz”、“THz”。

　　三者之间的进率，大致为1太赫兹=1000吉赫兹=100万兆赫兹=10的12次方赫兹！

　　换一句话讲，1太赫兹=每秒钟周期震动100万兆次！

　　显然，从已有的知识我们可以知道，此次中国沈阳材料科学国家研究中心的硅-石墨烯-锗晶体管的突破，即：“截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹领域。未来更有望在太赫兹领域的高速器件中得到应用”，其实说白了就是在频率上的突破！

　　突破了多少？

　　“硅-石墨烯-锗晶体管”，成功将石墨烯基区晶体管的延迟时间，缩短了1000倍以上！

　　这对于实际应用来说意味着什么？

　　鲜为人知，CPU的时钟周期，其实还有另一个名字——“震荡周期”，而这个震荡周期的单位，我们也很熟悉，就是“Hz”。

　　换一句话讲，此次中国在硅-石墨烯-锗晶体管上的技术突破，落实到具体的电子产品效果上，意味着与之前世界的同类产品相比，中国的速度提升了1000倍！

　　1000倍提速、以及触手可及，每秒100万兆次运行的太赫兹领域，又将为这个世界科技带来怎样的革命？

　　1、太赫兹成像技术

　　太赫兹波能以很小的衰减穿透如纸张、布料、塑料等物质，太赫兹波甚至还可以穿透墙壁，其探测图像无论是分辨率还是景深，当今世界无有与之匹敌者！

　　此外，太赫兹光子的能量与X射线相比，不会因为电离而破坏被检测物质，因此太赫兹波适合对生物组织进行活体检查至DNA级别！

　　如此特性，使得太赫兹成像装置未来在材料研究、安检、医学成像、和军事成像等领域具有广泛且不可估量的应用前景。

　　2、太赫兹通信技术

　　理论来讲，在通信领域里，频率越高通信容量就越大。太赫兹波的频率比目前使用的微波要高1~4个数量级，它能提供10Gbit/s以上的无线传输速率，这是微波无法达到的高度。

　　因此，作为无线通信发展的重要频段，单个脉冲频带可覆盖从GHz至几十THz范围的太赫兹频段，已经被当今世界视为下一代6G通信发展的必然趋势！

　　所以，靠近太赫兹技术意味着什么？在戎评看来，太赫兹就是世界下一代6G技术的入场券，谁先掌控了太赫兹技术及相关配套器件，谁就将掌握下一代6G技术的主导权。

　　很显然，在1000倍的超越下，这个“主导权”目前属于中国！

　　3、太赫兹军事技术

　　根据当前太赫兹技术所表露出来的“特性”，学界普遍认为，未来的宽频太赫兹雷达不仅能够对目标物体进行高分辨率的三维成像，而且它还能从光谱数据中提取出目标物成分的详细信息

　　什么意思？

　　在现有的军用雷达技术探测下，美国F-22猛禽战机的最小雷达反射面基仅为0.005-0.01平方米，换一句话说，当F-22带着炸弹呼啸而来时，在雷达的探测显示屏上，显示的不是一架战机，而只会是一个仅相当于乒乓球大小的微弱小光点…

　　这到底是飞鸟？还是乱码屏闪？稍有不慎，等待被攻击方的只有死亡！

　　然而，随着太赫兹技术的军用化，隐形战机的耀武扬威将被彻底终结，道理很简单：宽屏太赫兹雷达的三维成像技术下，即使目标再小都可以明确他到底是飞鸟还是战机，而能够从光谱数据中提取目标成分的能力，更是使得一切观测目标在他的眼中，无异于解剖拆解！

　　文章最后，戎评有话说

　　毫不讳言，每当看到中国在某项科技领域中打残那只无时不在卡着我们脖子的“黑手”时，戎评的眼角都会抑制不住的开始湿润…

　　中国人太难了，自新民主主义革命以来的中国人、自新中国建立以来的中国人、甚至就是我们的80后、90后，都实在太难、太难！

　　或许骇人听闻，但是事实就是如此：即使在今天，我们还在偿还那一笔几百年前就开始欠起的“烂账”。

　　因为错失了大航海时代的原始资本积累，我们的父辈只得忍饥挨饿的从牙齿缝里抠出为数不多的粮食，才堪堪的在三十年间办成了几件大事！

　　因为错失了两次工业革命的技术发展升级经验，我们甚至直到今天，在最基本的材料学、冶金学、机械加工上，依旧被一群早已沦落为变卖祖产的西方破落户给掐住了脖子！

　　今天，每每回忆起新中国的成长史，我们最常说的“两步并成一步走”、“用70年的时间走过了西方300年的工业发展历程”…

　　值得骄傲吗？

　　一代人的伟大成就就这样摆在那里，我们应该骄傲，他们也当得起我们这些后辈的赞誉，但是伟大的背后又是什么？

　　伟大的背后是“牺牲”、是“奉献”、是“一代人吃了几代哭的辛酸”！

　　然而现在，当世界第二的桂冠终于戴到中国头上时，我们的年轻人是否已经到了“安享盛世太平”的时候了？

　　在戎评看来，我们的年轻人或许可以“歇一口气”，但是今天，在国际局势风云诡谲、在帝国主义亡我之心不死、在中国的生产力发展距离共产主义的伟大理想依旧还十分遥远的今天，我们的年轻人，唯一要做的只是接过父辈手中的旗帜，我们的年轻人必须要做的就是勇敢的挺立胸膛，以顶天立地之姿，扛起民族复兴重责，使中华民族以雄伟姿态屹立于世界民族之林！

　　所幸，在世界各主要强国年轻一代“逃避主义”、“个人主义”、“享乐主义”泛滥的今天，中国的青年，没有令人失望。

　　刚刚过去的70周年国庆阅兵中响彻世界，堪称新世纪军乐神曲的《钢铁洪流进行曲》，谱曲人李旭昊年不过30岁，是一名正儿八经的90后！

　　而在今天，率领中科院金属所专项课题小组，完成了硅-石墨烯-锗晶体管技术革命性突破的总负责人孙东明，年仅41岁！

　　这一幕幕的年轻，不由得让戎评想到了今年8月中国航天首次海上发射成功之后，全员平均年龄不过33岁的团队合影纪念照。

　　他们是如此年轻！

　　中国是如此的年轻！