斯坦福教授张首晟：摩尔定理的危机与人工智能新时代

当今世界上，学术界普遍认为，科技的进步要远远超过人类本身的进化。

　　张首晟教授是美国文理科学院院士、美国物理学会会士、中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士，现任斯坦福大学J.G. Jackson和C.J. Wood讲座教授。他的主要贡献包括对拓扑绝缘体、量子自旋霍尔效应、自旋电子学、高温超导等领域的研究，他领导的研究团队于2006年提出的量子自旋霍尔效应被《科学》评为2007年“全球十大重要科学突破”之一，他本人也被认为是诺贝尔物理奖的有力竞争者之一。
摩尔定理的危机
当今世界上，学术界普遍认为，科技的进步要远远超过人类本身的进化。科技和信息技术之所以能够有如此飞快的成长，主要的原因就是所谓的摩尔定理。摩尔定理意指在半导体芯片上集成的晶体管（亦称为晶体三极管，简称三极管）和电阻数量（或者说计算能力）每过十八个月就会翻一次倍。同理，在同一个信息链接上，其三极管的能量也翻一次倍。在过去的五六十年里，摩尔定理一直有效，而今天，我们却逐渐发现了一个趋势，即如果用常规的技术来继续推进摩尔定理，未来会碰到一个非常严重的瓶颈，也就是在今年的“双创”大会上，有专家提出的，摩尔定理的危机已经成为目前最大的危机。
摩尔定理的危机是如何产生的呢？大家能够感受到，电脑在运行过程中会变烫，这是因为在计算过程中，电子发生了非常强大的能耗。按照摩尔定理，那就意味着，每过十八个月，三极管的热量也会翻一次倍。有一个很形象的比喻，即电子在芯片这个层次的运行，就像汽车在奔跑，但是它并不是在高速公路上，而是像在一个集市中。而密集的车辆在一个杂乱的集市中随机行驶的结果，必然是不停地与周围的车辆发生碰撞。可以想见，在与其它电子不断发生碰撞的过程当中，热量会大量地产生。那么，如此巨大的能量如果不能够马上被耗散出去，芯片就会被烧掉，不会继续工作，这是摩尔定律发展的最大阻碍。
那么，随着越来越密集、越来越快的计算，使我们科学家有非常好的机会来寻找新的原理，从而使摩尔定理能够继续有效。我们都非常熟悉高速公路，它采用了双向对开的模式，而我的研究结果是，做一个芯片的“高速公路”，使微电子能够在芯片层面上有序运行，各行其道而互不干扰。如果高速公路的运动模式能够运用到芯片上来的话，那么摩尔定理则会继续向前推进。
众所周知，硅谷带动了整个人类信息技术的发展。为什么信息技术的发展如此迅猛？这是因为在上世纪四十年代末，约翰·巴丁、威廉·肖克利等三位科学家发明了三极管，三极管推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于三极管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，使制造高速电子计算机之类的高精密装置变成了现实。由于对人类生活的巨大改变，这三位科学家获得了1956年的诺贝尔物理学奖。其中，肖克利先生一直在斯坦福大学物理系任教，他和他的子弟们后来创办了很多的半导体公司，并逐步发展形成了今天谷歌这样的信息公司，进而促进了整个硅谷的发展。
今天，在全世界，尤其在我们中国，几乎每个地区都想成为新的硅谷，能够在全球范围内引领信息科技的下一个大发展进程。但是，如果没有一个历史性的机遇，我们将永远走在硅谷之后。按照中国古老的哲学，危机意味着有“危”也有“机”，而今天摩尔定理所遇到的危机，无疑为我们创造了一个新的历史机遇。如果我们能够找到一个新的原理，那么全球信息技术的格局将面临重新洗牌，在这个过程中，中国即有弯道超车的机会。所以，我的科学研究旨在实现让电子能够在芯片的层次实现高速公路那样的运行模式，能够各行其道而互不干扰。
拓扑绝缘体——新的技术革命
并且，我们在新能源、新材料上的技术研究，也要抓住科学界在国际范围内的研究趋势，让电子能够在新材料上按照车道的方式运行。所以，我所研究的拓扑绝缘体，真正在改变着大家对材料的认识。大家都知道，石墨烯是一种新型材料，其原子层是由碳原子组成的。拓扑绝缘体的结构与石墨烯一样，也是二维平面上的原子层，但它是一个蜂窝状结构，可以说是继石墨烯之后的，更具有优良性价比的新材料，它使得电子能够真正在芯片的层次上各行其道而互不干扰。同时，它也可以作为一个非常好的热电材料，能够把废热变为电能。如果没有最新的技术，我们在世界上总是要屈居人后。而目前，国际半导体设备与材料组织（SEMI）就半导体技术在下一阶段的发展前景曾发表一篇新的文章，文章指出，拓扑绝缘体材料能够真正带来半导体技术的革命。
同时，拓扑绝缘体的神奇之处还在于，它能够进行量子计算。量子计算与通常的计算机不同，它能够做出平行计算，使得它能在很短的时间内，计算出很多经典计算机都无法算出的结果。对这一材料的应用，有可能真正使中国在这一领域达到全世界领先水平。
由于我发明了拓扑绝缘体技术，所以与国内的科研院所、高校都有着非常紧密的合作。也得益于这一研究成果，使我获得了很多国际奖项，其中，法兰克林奖对我的影响非常深刻。首先，法兰克林先生是一个与众不同的、伟大的科学家。在我们读小学的时候就听到过他的故事，那是在一个雷电交加的日子，法兰克林先生曾利用系在风筝上的金属导电棒接引雷电，从而证明了闪电的科学原理。在这个过程中，他置生死于度外，可以说是非常了不起的；同时，他也是一个发明家，他发明的避雷针也造福了人类；他又是一个伟大的政治家，是美国独立宣言的起草者之一，因此，他的头像被永远地印在了100美元的纸币上；不仅止于此，他也是一个非常伟大的企业家。通常，一个人不会既是科学家又是企业家，但法兰克林就是这样的人；他还是一名成功的外交家等等，可以说，在很多领域，法兰克林先生都获得了巨大的成功，因此我为获得这一奖项而倍感荣幸。不仅如此，我的偶像爱因斯坦和牛顿也曾经是法兰克林奖的获得者，而我获得了这一奖项之后，其他曾经获得过这一奖项的居里夫人、霍金、杨振宁等人都成为了我的偶像，它使我的人生拥有了更多新的楷模。
可以说，法兰克林奖的获得，使我对整个人生有了一次重新的认识。在我们这个时代，科学家并不少，但是能够像法兰克林一样，全面开花、成功跨界的人却很少。所以我在想，在今天的中国，正是创新创业的大好时机，我能否利用我的学识，为中国的发展也作出一些贡献？