未來論壇 | 張懋中：智能與互聯(lián)下一波的涌浪
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作為2019未來科學大獎周系列活動的一場國際科學盛宴，11月16日在京舉辦的未來科學大獎科學峰會大咖云集。本次科學峰會邀請到了15位世界頂級科學家蒞臨現(xiàn)場，分享前沿學術(shù)成果，探討學科交叉創(chuàng)新，推進科學產(chǎn)業(yè)應用。這些全球最有智慧的大腦們通過最精彩的主題演講、最深刻的交流，共同開啟科學的想象和未來。 洛杉磯加州大學勝華杰出講座教授、美國工程院院士、中央研究院院士、未來科學大獎科學委員會委員張懋中對高速半導體元件和高頻無線及混合信號電路在通信、雷達、聯(lián)結(jié)、影像等系統(tǒng)的研究卓著。其所研發(fā)的砷化鎵功率放大器制成的手機信號發(fā)射器在全球已超過500億臺，為無線通訊產(chǎn)業(yè)界及學術(shù)界帶來開創(chuàng)性的貢獻。 本次科學峰會上，在主旨演講“The Next Wave of Intelligence and Connectivity”中張教授首先介紹了電磁波的頻譜和毫米波的發(fā)現(xiàn)過程。進而介紹了毫米波的應用和其對其他學科發(fā)展的幫助：毫米波與5G通訊的關(guān)系、毫米波對宇宙大爆炸理論的證據(jù)支持、毫米波幫助研究地球上水的起源。接下來，張教授介紹了目前6G的發(fā)展和競爭狀況。隨著半導體技術(shù)的進一步發(fā)展，以及越來越多的人造衛(wèi)星的發(fā)射，將來人們幾乎可以在地球上的任何地方進行通訊。最后，張教授分享了他的實驗成果：將光譜儀集成在集成電路上，這可以將光譜儀的體積大大縮小到足以嵌入到日常使用的手機中。
演講場次：2019.11.16 科學峰會 主旨演講10：計算機
演講嘉賓：張懋中
演講主題：The Next Wave of Intelligence and Connectivity
張懋中：大家好！今天給大家?guī)砹诵碌男畔ⅲ业念}目是：《智能與互聯(lián)下一波的涌浪》。我講題是三個部分。第一個部分是講到了我們整個的電磁波的頻譜。我們先要了解我們被環(huán)繞的電磁波的頻譜到底是什么樣的？過去幾十年的馬克里拿了諾貝爾獎百年時間我們用了哪些頻譜？這算是一個前沿，就是大西部還尚未開發(fā)的。這個必須先做一個了解。
在過去的幾十年用的頻譜是比較低的，中間有一塊在大氣里是光不受阻礙的來傳播，我所謂的光的意思其實就是電磁波了，泛講的意義就是電磁波。光就是可見光的這一段。這在整個電磁波的頻譜里面是很少的一個4000—7000埃米左右的光的范疇。其實是非常窄的。過去兩段的頻譜使用的比較多，一段是比較低的無線電的電磁波，另一方面是可見光的光波。主要的原因是傳播的經(jīng)過的介質(zhì)各擅所長，在大氣里不受阻攔，1G、2G、3G、4G就在較低端的頻譜里。4G通信的時候已經(jīng)到了無線電波的邊緣了。
另一段常用的頻譜是可見的光，因為光的通信開始的時候是紅光的通信，最后變成藍綠光的通信，這個通信在光纖里面來達成的。這兩段都相當?shù)某晒?，也為我們?nèi)祟惖奈拿鳎还転槲覀児I(yè)的進展都非常給力。但是其中有一段光譜在中央的這一段，過去是很少使用的，但是在未來有無限的前景，所以我特別提出來要跟大家講。這一段的頻譜差不多是從30到300GHz的毫米波，和300到3000GHz的太赫茲波。過去在通信上完全無用。但是它對于物理學家并不陌生，第一個發(fā)掘到這個頻譜的是一位印度的科學家名叫J.C. Bose，在加爾各答本科畢業(yè)以后，到劍橋大學做研究，運用他發(fā)明的二級體，首先偵測到所謂的太赫茲波。
為什么波的頻率越往上越有價值呢？我們通信使用的載波，如果本身頻率就高的話，更容易達成寬頻的應用。是能夠帶更大量的信息，或者是在單一時間能夠傳輸更多的信號。所以整個通信的頻譜逐漸是從低的頻道往上發(fā)展。
5G通信在國家的戰(zhàn)略和人們的生活層面上都很重要，但首批釋出的頻道在3.5GHz左右，大概只有150個MegaHz寬。我上次到舊金山，飛機降落了以后，手機上面顯示了5G連接，但實際上有沒有不同的感覺呢？沒有。最大的原因是還沒有進入毫米波的超寬帶通信。將來5G在毫米波第一個選擇的是在28個GHz左右。第二個會是在34個GHz左右。你就會漸漸感覺到它所帶來的優(yōu)越信息量和巨大的信息密度，完全會不一樣。很可惜這個要三四年以后才會發(fā)生！
第二個，因為波長較短，所以它的特性就有點像可見光，在這樣的情況下，過去我們所熟悉的比如說接收天線，將來會與光學鏡子并用，利用它類光的特性。在低的頻率的時候，因為發(fā)射的效率比較好，所以通常是廣播式的，但在超高頻率的毫米波段，最好是用波束（beam），直接連接收發(fā)兩端，以提升效率。但是它有個主要的問題，因為頻率這么高了以后，我們傳統(tǒng)以硅做基板的半導體元件達不到這個要求。
達不到要求是從兩個方面來講，從電子端來講，我們今天手機芯片所用的device是MOSFET，即使縮影到10奈米，速度還是太慢。如果從光電端來講，光學元件主要是利用半導體的“能隙”，也就是半導體通帶和價帶間的能階差距，因為太小，也不能用。但是在整個科學尤其是宇宙和行星科學的發(fā)展上面，這個太赫茲是赫赫有名！
前面有兩位講者，一位是物理的，一位是太空物理的，還有一位也是講到有關(guān)行星的。這里面都講到了一個東西：宇宙是在一個大爆炸的情況下才誕生的，我們的宇宙是137億年以前，在一個單奇點爆炸出來，起初全是光子，但是那時候光子的能量極高，因為它的溫度其高無比，但是在瞬間它以一億億億倍的光速膨脹，讓整個宇宙冷卻下來了，最終的結(jié)果就產(chǎn)生了CosmicMicrowave Background（CMB），什么叫CMB呢？就是在這個宇宙大爆炸了以后，余音裊裊啊，一直到現(xiàn)在它的熱輻射還存在！
雖然物理學家也曾假設宇宙可能是從一個大爆炸開始的，但是沒有直接的證據(jù)，一直等到這兩個人，名叫Arno Penzias和Robert Wilson，這兩個人是天線工程師，照片里是年輕的我站在他們所設計的天線前，大家不要以為這是農(nóng)莊機器，這個像大蓋子似的天線能橫掃天際，但是到處都看到一樣的噪音。他們第一個假設是鳥糞，鳥大便太多了，讓他們測不準，所以兩個人一早晨起來就去掃鳥大便，掃完了以后，坐下來一看同樣的noisebackground還是存在的！
這種情況下，還好兩個人沒有認為自己制做的接受器不好，很謹慎的就打電話問旁邊的幾個學校，第一個打電話到Columbia，他們說你應該打電話到普林斯頓，去請教Prof.Robert Dicke，結(jié)果他們打電話到普林斯頓通報所看到的noisebackground，結(jié)果Dicke一看就是他已經(jīng)找了十幾年的宇宙大爆炸的余音！幾個最優(yōu)秀的學生都擺上了，因為Robert的電子學學問太好了，他網(wǎng)高頻去找，找到毫米波去了！但當時接收技術(shù)不成熟，就沒有看到這個噪音！結(jié)果等這兩個人一看出來就知道已經(jīng)找到宇宙大爆炸的直接證據(jù)了。
大家看一看，這個是什么？這個是黑體輻射。假設這整個宇宙在平衡的狀況下，它在thermodynamics上就是一個黑體，這個情況之下，COBE是NASA衛(wèi)星系統(tǒng)，所量出來整個宇宙的平均溫度只有2.7K。最近拍攝的M87黑洞圖像，是由分布全球9個天文臺同時在毫米波及太赫茲頻道的230—450GHz所聯(lián)成圖像。下面更加精進的，將來用人造衛(wèi)星做聯(lián)影基地，因為衛(wèi)星群間攝影孔徑更大，即使用同樣的太赫茲波長也可以看到更準確的黑洞形象。
下面還有很多的例子，太赫茲波更能夠幫我們了解我們的大氣組成，提供地球暖化的直接科學證據(jù)。康萊爾本科的教授也講了，我們怎么知道太陽系許多行星和它們的衛(wèi)星有水呢？有些甚至是衛(wèi)星向它的行星噴水，非常有趣。你要知道地球上的水是哪里來的？有很多個理論。為什么能夠帶這么多的水呢？永遠會留在地球上嗎？現(xiàn)在的研究顯示，我們地球一天到晚在丟水，總有一天成為無水之地。但能偵測到大氣中水的含量是因為太赫茲頻道電子學的進步。
將來的人造衛(wèi)星，可能因太赫茲電子學的發(fā)展而越來越小，現(xiàn)在最小的人造衛(wèi)星只有10公分立方這么大！這叫一個“U”，兩個U就往上乘二，重量是1.33公斤。更新鮮的，大家知道最近美國SpaceX打了兩次Falcon9火箭，每次運送60顆衛(wèi)星。主要是因為在毫米波能夠通信了，因為衛(wèi)星打出去以后，rocket的第一和第二節(jié)可以回收，使單顆衛(wèi)星發(fā)射成本已經(jīng)降到了US$350K，5G通信我們還沒有用上呢，6G通信已經(jīng)來臨了。
SpaceX預計要打12000顆衛(wèi)星，亞馬遜要打4000多顆，谷歌也要打5000多顆，將來有五六萬顆的衛(wèi)星在我們天上繞來繞去。過去臥看牛郎織女星，以后就看不到牛郎織女星了，看到的全是人造衛(wèi)星！除了高空的衛(wèi)星，下面就降到了所謂的Airship，以后整個的通信系統(tǒng)就算你在喜馬拉雅山顛，我們照樣找得到你，照樣讓你通信，因為衛(wèi)星居高臨下，全世界一覽無余。這樣的毫米波通信技術(shù)現(xiàn)在都齊備了。
要做這樣的通信，過去是相當?shù)膹碗s的。大家可以看到用非積成的通信系統(tǒng)，能量損耗太大了，所以要搬上人造衛(wèi)星有相當大的困難。但如果能讓整個系統(tǒng)能用臺積電最先進的7奈米技術(shù)來整合，以最近發(fā)展出來triple frequency的技術(shù)，就可以做到600個GHz，充分發(fā)揮太赫茲的長處。
第三個部分，我們今天被霧霾所苦，全世界各大城市都有，北京并不例外，這就是最近最有名的加州的野火。在這種情況下燒出來的有毒的氣體，我們有沒有一天能把頻譜儀放在手機上面來偵測它？一按就知道它里面是什么成分呢？它對我們的威脅有多么大呢？有沒有這個可能性？過去我們用傳統(tǒng)的頻譜儀，要損耗幾十瓦的power，這當然在手機中不可行。但如果將頻譜儀制作成了系統(tǒng)芯片（System-on-Chip），硅片不過就幾亳米大小，用電量也從35瓦降到二百五六十毫瓦，這就完全有可能用在手機里了！
將來人造衛(wèi)星也不是你想象的那么大，最后可能變成像太空沙一般的到處飛，也是完全可能的。這里顯示的是頻譜儀的基帶運算器（basebandprocessor），全部都可以集成在一個系統(tǒng)芯片里。過去的確不可能，但今天都能做得到。其次太赫茲的接收器（radiometer）能靈敏到什么程度呢？它甚至能看到你們每一個人身上發(fā)出來的光（電磁波），過去這樣的熱輻射只能用極端窄能隙的II-VI族元素的化合物半導體偵測器才能看到，但今天我們用硅芯片制成毫米波接收器就可以看得到。用這個做法，它非常的輕便，所需能量非常的小，將來也可以嵌入到手機上。
最后，我做一個總結(jié)，毫米波或太赫茲這個頻道過去未為一般人所知，但越來越發(fā)現(xiàn)它的價值，甚至可以用在手機里。第二個，MOSFET這個硅半導體的元件，不但在1985年讓今天早上的講員Klaus von Klitzing博士得到諾貝爾獎，未來更可以因為太赫茲波的應用，也讓我們有更好的智能和連接，能發(fā)更偉大的人類社會，謝謝大家！
本文根據(jù)演講內(nèi)容整理而成，以視頻內(nèi)容為準。
注：本文轉(zhuǎn)載自未來論壇。
