《終結者》里的液態金屬，是否會掀起一場「晶元革命」？

圖片來源：視覺中國

提起液態金屬，大家會想到什麼？可能果粉會想到經常傳說在下一代iPhone中使用的黑科技，硬體愛好者可能會想到散熱器。但更多人估計會第一時間聯想到《終結者2》里的反派T-1000。

電影里這哥們的身體就是液態金屬做的，可以隨便改變形狀，受傷了能自我修復——當然最後還是被老州長幹掉了。

那麼提起晶元，我們會想到什麼呢？估計最近大家對它的聯想都是這樣的：這東西我們好像造不出來……

這沒什麼可大驚小怪的，要知道一枚並不大的晶元，是建立在整個半導體革命，和背後工程學、材料學、計算機科技、精密工業等技術體系和產業鏈之上的。

歐美國家用幾十年完成了這場變革，並且不斷加強信息和技術封鎖。這種情況下中國想要短時間內掌握這門核心技術顯然不可能。即使奮起直追，也需要漫長的時間給予配合。

但是有沒有這樣一種可能：晶元本身的材料和工藝發生了翻天覆地的革命，新的材料和工藝讓大家重新回到同一個起跑線上？上面提到的T-1000身上那種可控制、可塑形，能夠自由在固態液態間轉化的金屬，說不定就是這種可能性的開關。

當然了，今天看來這還有點遠，但並不妨礙我們去了解一下科學界普遍看好的這場「晶元革命」。

已經顯示出威力的可編程液態金屬

液態金屬其實並不算特別前沿的技術，但真正令人期待的是將液態金屬與計算機相結合，達到人類可以控制液態金屬的效果。這被稱為可編程液態金屬。

去年10月，英國薩塞克斯大學和斯旺西大學聯合公布了一項研究成果。研究人員對外展示了他們通過改變電場強度，讓液態金屬變身為各種二維形狀的技術。比如說讓液態金屬給你比個心，變成各種字母什麼的。

由於這項技術中，控制液體成型的電場由計算機產生，這就意味著人類已經可以通過編程的方式來遠程控制液態金屬，並可以操縱它移動。

之所以必須是液態金屬來接受編程式控制制，是因為相比於其他液體，液態金屬本身導電性非常好，適合通過電場激活其狀態；而相比於普通固態金屬，液態金屬又具備非常強的流性，從而具備了編程可控性。

換句話說，假如人類想要一種可以極其精細、複雜改變形狀與移動軌跡的位置，那麼液態金屬近乎是唯一的選擇。

當然了，英國科學家們研究的可編程液態金屬目前只能在平面上移動。想要像終結者那樣做出隨意變形的液體金屬機器人還不靠譜。

但即使這樣，也已經給很多產業帶來了新的想像空間。

比如軟體機器人的連接器、高強度的柔性顯示屏、像水滴一樣進入體內的體驗機器人等等。但比起這些，可編程液態金屬真正引人遐思的地方，在於它可能是取代晶體管的最佳選擇。

造終結者不大可能，升級計算機有點靠譜

根據著名的循馮·諾依曼體系，今天通行的計算機硬體系統由運算、存儲、控制、輸入、輸出五個部分構成。而構成這些信息運算部分的最基本原件，就是我們非常熟悉的晶體管。

無論是晶元還是其他運算設備，基本原理都是調整通過晶體管電壓的高低，來讓晶體管現實出1或者0，從而達成二進位的經典計算。極大數量的晶體管在集成電路上協同工作，就構成了最近咱們非常熟悉的那個詞：晶元。

由於以上工作機制，新上集成的晶體管數量越多，計算性能就會越好。

所以這幾十年人類沒忙別的，就是在努力縮小晶體管的尺寸，提升單位面積中的晶體管數量。由於晶體管在不斷縮小、集成工藝越來越好，就出現了我們熟悉的「摩爾定律」。

於是問題來了，那就是無論晶體管的大小，還是晶元製造工藝，都肯定是有盡頭的，甚至很多科學家認為這個盡頭已經迫在眉睫。

但毫無疑問，人類對算力的呼喚是深不見底的。這個矛盾怎麼解決呢？

一種思路是乾脆咱們不要0和1經典計算了，用量子糾纏的方式重新構建計算邏輯，這就是大名鼎鼎的量子計算。

但還有一種思路，是直接在計算原件上下手，從材料上突破算力的限制。這個思路上的方案有不少，但今天最接近應用也最具有長期投資可能性的，就是編程液態金屬。

由於液態金屬具有很好的流動性、表面張力和導電性、散熱性，可以說是快速傳輸信號的理想材料。如果能夠通過電、溫度、磁場等條件來刺激液體金屬完成計算，那麼很可能突破摩爾定律的限制，讓人類的算力得到突飛猛進的發展。

這種可能性並不是僅僅停留在想像上，事實上，已經有非常多實驗室和企業開始以液態金屬為基礎，重新設計和開發新型計算機。比如IBM著名的類腦計算項目REPCOOL超級計算機。就是通過模仿人類大腦的信息傳輸和存儲機制，以液態金屬作為信息和能量的傳輸載體完成快速計算。

這個項目的預期，是到2030將一台性能達到1 peaflop每秒的計算機，從今天一間教室那麼大縮小到普通的台式機的大小。而編程液態金屬，是這一切的先決條件。

淘汰晶體管的大革命

既然液態金屬是一種被廣泛看好的計算設備原件，那麼一旦成熟起來，直接淘汰今天的晶體管和晶元並非沒有可能。

比如卡內基梅隆大學的非常知名的軟機械實驗室，就在開發開發一種由銦和鎵為主要物質的合成技術。其目的就是將計算單元轉化為液體，從而淘汰傳統晶體管。

等一下，怎麼好像這麼多事還都是外國人在干啊？

那就算成了我們不是又落後一大截？到時候搞個禁止出口液態金屬給我們不是更被動？

萬幸的是，在液態金屬編程這個今天還處在探索期的方向上，中國人並沒有落後世界。

國內最著名的業態金屬研究部門，是中科院的劉靜教授團隊。很多液態金屬領域的突破，尤其是液態金屬編程和將液態金屬轉化為計算單元方面，今天都在由中國團隊主導完成。

比如劉靜團隊曾率先證實了可以藉助溫度變化，讓液態金屬在固態液態間轉化，從而以電阻值的不同來達成經典計算。

相比今天的晶元系統，液體金屬計算機至少有這樣幾個想像力：可以受到多種環境指令，同時完成複雜的並行計算，比傳統晶元又速度優勢；液態有更好的散熱性，可以極大程度避免計算髮熱問題；能夠隨意改變形狀，做出來軟軟的晶元。

雖然這項技術尚有距離，但已經為很多計算機科學的問題指明了未來方向。其實晶元為軸心的計算機與半導體產業看似神秘，但其本身絕不是永恆的真理。各種各樣的科學突破都等在路上，說不定哪天就給你來個「農民起義」。

而最重要的是，下一次計算迭代，中國極大概率會是重要的參與者，甚至推動者。

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