未來計算機可以依靠熱能運行嗎
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現(xiàn)在廣泛使用的計算機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工業(yè)和光子電腦也已開始成型。
但科學家們并不滿足：“光子之后呢？”他們大膽地提出，該是“聲子”粉墨登場的時候了。
近日，新加坡國立大學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也可用來傳播和處理信息，這種振動量子叫“聲子”，依據(jù)這個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。二極管、晶體管和邏輯門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中，電子的流動以“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，這時電腦里流通的不再是電子，而是聲子（其實質(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，它最終或許能對解決全球暖化作出貢獻；另外，如果能按照熱二極管原理設(shè)計一種新的隔熱材料，就可以讓汽車或大廈不會吸收外在環(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“聲子計算機”的基本構(gòu)成元素，它本身的關(guān)鍵元素則是“熱晶體管”。“熱晶體管”是李保文和他的研究團隊的開創(chuàng)性發(fā)明，它由兩個弱耦合的終端和一個控制終端組成，能夠擔負和場效應(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。這個發(fā)明為“聲子計算機”的實現(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，熱是由點陣振動制造的。當兩個終端的振動范圍重合時，他們的交迭就會產(chǎn)生熱流。例如，當兩個振動范圍交迭時，熱可以很容易地在兩個終端間流動，代表著“開”；當振動范圍并不交迭時，僅有極少量的熱或沒有熱通過，代表著“關(guān)”。當終端界面粒子的振動范圍調(diào)和失諧時產(chǎn)生“負微分熱阻”，制造出穩(wěn)定的“開”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單地展示熱邏輯門的可行性，但看起來付諸操作實踐的困難還很大。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)制造一個實驗型設(shè)施將不會太遙遠，因為另外一個對此有幫助的熱設(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
對于這項新研究，美國《物理評論快報》評論說：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。新的聲子學學科和工業(yè)或許將在不久后出現(xiàn)。
北京大學化學與分子工程學院“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觀。郭雪峰在中科院化學所獲得博士學位，在哥倫比亞大學納米中心、物理系和化學系獲得博士后學位，曾獲全國百篇優(yōu)秀博士論文獎。
郭雪峰說：“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(xiàn)在的研究進度和成果而言，它還停留在概念階段，甚至離成功更遠。應(yīng)該說實現(xiàn)起來會很難，但值得學者去努力?！?
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(tǒng)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(zhuǎn)換為晶體中原子或分子的振動，即如何進行信號輸入；如何把原子或分子的振動轉(zhuǎn)換為可接收的外界信號，即如何進行信號輸出。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，聲子計算機還有待加強?！惫┦窟M一步介紹說，“這些都將成為這項技術(shù)發(fā)展的重要制約因素。”
有對此感興趣的愛好者曾對聲子計算機的處理速度進行過估算：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)每個時間刻度0.5bit的數(shù)據(jù)量。假設(shè)它已經(jīng)實現(xiàn)了極高速的熱導判斷，能夠達到0.001秒為一個時間刻度，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，成果將相當可觀。尤其是在能源利用方面。”郭雪峰說，“雖然面臨的困難很多，但是，我認為這些研究會持續(xù)發(fā)展，并越來越受人關(guān)注。很多我們現(xiàn)今習以為常的發(fā)明，在當初都經(jīng)歷過坎坷的研究道路。”
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