世界是怎樣改變的(2)

這次更新較慢，主要是眼睛問題。

隨著老花的進(jìn)展，眼睛對手機、筆記本和外接屏幕三個距離完全無法兼容，不同距離不光度數(shù)不同，瞳距瞳高等都不一樣，而漸進(jìn)鏡片又有嚴(yán)重的視野寬度問題。沒有理想的方案。

聽聞周圍不少四五十歲的人早早做了人工晶體，至少正常生活和運動可以不戴眼鏡了，遂約了醫(yī)生。醫(yī)生說我現(xiàn)在做有點早，并提到一種叫Neurolens的新眼鏡。這東東的大致原理是認(rèn)為多數(shù)成年人看屏幕時左右眼是有一定錯位的，所以在鏡片中加入了一點棱鏡。這樣我的眼鏡就會有凹面鏡(近視)+柱面鏡(散光)+棱鏡(錯位)。

人的左右眼錯位是必然的，因為兩眼位置不同，所以有主視眼和輔視眼之分。我們的視覺是靠大腦計算合成的結(jié)果。在室外環(huán)境大腦合成計算量低所以眼睛不容易疲勞，但在看屏幕時大量銳利的字符都需要大腦實時對齊合成，長時間會導(dǎo)致碳基GPU發(fā)熱過載導(dǎo)致頭痛等問題。

Neurolens據(jù)說目前還頗具爭議，因為人眼和大腦是經(jīng)過長期進(jìn)化配合的，“粗暴”改變雙眼的視覺會有什么結(jié)果沒人知道。但是，人類會怎樣進(jìn)化來適應(yīng)每天一半時間看電子屏幕呢？

正好話題是關(guān)于世界的改變，我們再從半導(dǎo)體延伸談到目前人類科技的局限。

六、MOS模型的建立與經(jīng)驗的局限

上文提到，MOSFET是我們信息時代的基石。要準(zhǔn)確模擬和設(shè)計這些器件的行為，需要穩(wěn)健的計算模型。伯克利SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）和BSIM（Berkeley Short-channel IGFET Model）正是在這樣的背景下誕生的。

據(jù)我所知，這些模型的建立主要是基于經(jīng)典的半導(dǎo)體物理學(xué)理論，例如載流子傳輸理論、漂移-擴散模型等。BSIM模型中包含大量的經(jīng)驗公式，這些公式大多是通過擬合實驗數(shù)據(jù)得到的。這些公式能夠描述MOSFET在不同工作區(qū)域（如亞閾值區(qū)、線性區(qū)、飽和區(qū)）下的電氣行為。

隨著技術(shù)的發(fā)展和器件尺寸的縮小，BSIM模型經(jīng)歷了多次更新和改進(jìn)。隨著時間的推移，BSIM模型逐漸納入了一些量子力學(xué)效應(yīng)的考量，特別是在后來的版本中，如BSIM4和BSIM-CMG（用于FinFET等新型器件）。隨著短溝道效應(yīng)的顯現(xiàn)，模型被擴展以更好地描述這些效應(yīng)。

這些聽起來挺有意思，但在實踐中大量的科研人員被投入枯燥的工作。有的物理學(xué)博士自嘲說固態(tài)物理就是測電阻，組合各種材料施加各種電磁場來反復(fù)測電阻。由于理論物理尤其高能物理走到死胡同很難拿到經(jīng)費，很多數(shù)理優(yōu)秀的博士迫于生計加入凝聚態(tài)成為現(xiàn)代窯工。

這個社會有個明顯的倒掛，就是科技的使用越接近基礎(chǔ)理論端則收入越低：軟件>硬件>材料>純理論。咱們不談這是否公平，也許從產(chǎn)業(yè)收入投入比來說，似乎這種現(xiàn)象也不無道理。????????????

純理論真的這么尷尬嗎？Gap在哪里呢？

那么問題來了，既然量子力學(xué)在微觀范疇已經(jīng)是完備的，為什么我們非要用經(jīng)驗?zāi)Ｐ投荒苤苯踊诹孔恿W(xué)來構(gòu)建一個純數(shù)學(xué)的完美模型呢？

七、為何完美模型如此難以實現(xiàn)？

答案在于計算的復(fù)雜性和多尺度問題。

量子力學(xué)提供了一個精確描述電子行為的框架，但在處理實際的半導(dǎo)體器件時，我們面臨的是一個多尺度、多體相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。對于一個復(fù)雜的半導(dǎo)體器件來說，求解全量子力學(xué)的薛定諤方程，尤其是在考慮電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用時，變得異常復(fù)雜；半導(dǎo)體器件中的電子行為涉及多體相互作用。處理多體問題的精確解法（如量子蒙特卡羅方法）計算量非常巨大，即使在今天最強大的計算機上，直接求解這些方程也變得不可行。

半導(dǎo)體器件涉及從原子級（納米尺度）到電路級（宏觀尺度）的多尺度問題。結(jié)合這些不同尺度的方法通常是通過將不同物理學(xué)模型耦合在一起，這存在量子-經(jīng)典耦合和時間尺度的問題。從飛秒級的電子躍遷到微秒級的熱效應(yīng)，計算量是大到嚇人的。

八、實用為王

盡管近年來AI和高性能計算能力已經(jīng)大幅提高，但一個關(guān)鍵問題是如何使得模型不僅理論上完美，而且在實際應(yīng)用中實用。對于工程應(yīng)用來說，模型不僅需要精確，還需要在合理的時間內(nèi)提供結(jié)果，這涉及到：

在工程應(yīng)用中，設(shè)計人員通常更關(guān)心的是模型的實用性，即能否在短時間內(nèi)提供足夠精確的結(jié)果，以用于大規(guī)模的電路設(shè)計與仿真。因此，雖然一個更完美的模型在理論上是可能的，但在工程實際中，它可能并不一定是最優(yōu)的選擇：工程師們已經(jīng)習(xí)慣了使用當(dāng)前的模型，并且工具鏈和設(shè)計流程也都圍繞這些模型建立起來。引入全新的、更復(fù)雜的模型可能需要重新設(shè)計這些流程，并進(jìn)行大量的驗證和培訓(xùn)工作。

科學(xué)的發(fā)展往往超前于實際應(yīng)用需求。例如，雖然我們在理論上可以構(gòu)建更完美的模型，但當(dāng)前的設(shè)計和制造工藝或許并不需要如此高精度的模型，這種情況下，追求“完美”反而會增加不必要的成本和復(fù)雜度。

一個類似的例子是蒸汽機的發(fā)明和改進(jìn)。在工業(yè)革命初期，瓦特改良了紐科門的蒸汽機，這一改進(jìn)奠定了蒸汽動力機械廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而，瓦特的工作同樣不是從熱力學(xué)第一原理出發(fā)，而是基于大量的實驗和工程經(jīng)驗。直到19世紀(jì)中葉，熱力學(xué)第一和第二定律才逐漸成形，完善了我們對蒸汽機工作原理的理解。同樣，盡管量子力學(xué)為我們提供了理論基礎(chǔ)，但實際應(yīng)用中的復(fù)雜性使得我們不得不依賴于經(jīng)驗公式和簡化模型。

更何況，半導(dǎo)體器件中的現(xiàn)象涉及從納米尺度的量子效應(yīng)到宏觀尺度的經(jīng)典物理，而將這些不同尺度的物理現(xiàn)象統(tǒng)一在一個模型中，本身就是一個巨大的挑戰(zhàn)。

八、未來可能的轉(zhuǎn)變：從實驗到計算的飛躍

盡管如此，隨著計算技術(shù)的飛速發(fā)展，問題是不是就不一樣了呢？固態(tài)物理學(xué)會不會迎來一個重要的轉(zhuǎn)變：即從實驗驅(qū)動向計算驅(qū)動的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

在過去的幾十年里，第一性原理計算（如密度泛函理論、DFT）和機器學(xué)習(xí)的結(jié)合，已經(jīng)開始在材料科學(xué)中展現(xiàn)出潛力?？茖W(xué)家們不再完全依賴于實驗室中的反復(fù)試驗，而是通過計算機模擬材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，預(yù)測新材料的行為。這種計算驅(qū)動的研究方法不僅加速了材料的發(fā)現(xiàn)過程，還能幫助我們更好地理解實驗結(jié)果，從而逐步構(gòu)建更接近“完美”的模型。

計算驅(qū)動的科學(xué)研究可能在21世紀(jì)帶來類似的革命，使得我們在不依賴于龐大實驗設(shè)備的情況下，也能對材料和器件進(jìn)行精確的預(yù)測和設(shè)計。

這種轉(zhuǎn)變不僅僅是研究范式的變化，更可能為人類社會帶來廣泛的影響。

舉個例子，硅的純形式是許多現(xiàn)代技術(shù)的關(guān)鍵，從芯片到太陽能電池。然而，它作為半導(dǎo)體的特性遠(yuǎn)非理想。硅的導(dǎo)熱性和電子移動效率都不算好，一個潛在的解決方案是將高載流子流動性的新材料引入通道區(qū)域，如砷化鎵、砷化銦和銻化鎵等。電子在其中可以以10倍以上的速度移動，這樣這些影響我們世界的小開關(guān)們可以更快地切換。同樣重要的是，由于電子移動得更快，芯片可以在較低的電壓下工作，從而提高能效和更少的發(fā)熱量。

通過計算驅(qū)動，新材料的發(fā)現(xiàn)將變得更加高效。例如，高性能電池材料、催化劑、超導(dǎo)材料、拓?fù)洳牧系?，都可以通過高通量計算篩選和優(yōu)化，加速這些技術(shù)在能源、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用。和人類基因組研究帶來的考古學(xué)、生物化學(xué)和醫(yī)藥革命類似，材料基因組也許也是一個有趣的方向。

隨著超級計算技術(shù)的普及，從實驗物理學(xué)到計算物理學(xué)的轉(zhuǎn)變可能會催生一波新的科技革命。這不僅會改變科研人員的工作方式，還將影響從芯片設(shè)計到材料科學(xué)、從能源開發(fā)到環(huán)境保護(hù)的各個領(lǐng)域。未來的科學(xué)家將更多依賴于計算機模擬和算法優(yōu)化，而不是傳統(tǒng)的實驗室試驗，這種變革將深刻改變科學(xué)發(fā)現(xiàn)的速度和模式。

九、但是??

我們回看火藥的發(fā)明，從最初作為單純的火器，到后來的大規(guī)模應(yīng)用，逐漸改變了戰(zhàn)爭、政治和地緣的面貌。然而，火器的應(yīng)用初期也并非基于對爆炸化學(xué)和空氣動力學(xué)的深刻理解，而更多依賴于經(jīng)驗的積累。同樣，半導(dǎo)體MOS模型在某種程度上也反映了這種經(jīng)驗主導(dǎo)的科技演進(jìn)路徑。

隨著計算技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來也許會有個一個新紀(jì)元，在這個紀(jì)元中，計算驅(qū)動的科學(xué)發(fā)現(xiàn)將逐步取代實驗驅(qū)動的研究范式。然而，人類目前的算力和科學(xué)能力，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到可以從量子層面計算稍大一點尺度多體的水平，比如模擬一顆種子或甚至一個細(xì)菌。

這個問題目前能看的解決的路徑嗎？很抱歉，由于微觀量子狀態(tài)和宏觀可測量物理量之間的完整關(guān)系無法建立，也就是量子力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)之間仍有不可逾越的鴻溝，答案只能是絕望的。???????

只能說，你們?nèi)祟惖目茖W(xué)還是太落后了。