这里是《得到头条》,我是徐玲。
今天我们从两个话题出发,为你提供知识服务。一是苹果推出史上最强大个人计算芯片,二是科学家争论猫咪的“驯化之谜”。
来看今天的第一条,这是彭天放老师带来的硬科技报告。
3月9号,苹果公司在它的春季发布会上推出了新款个人计算芯片M1 Ultra。按照发布会的说法,这款芯片的性能比当前最强大的桌面计算芯片还要高出90%。怎么做到的呢?主要归功于这款芯片上创纪录的晶体管数量,达到了惊人的1140亿个,是上一代的7倍之多。这也让它成为迄今为止,全世界晶体管数量最多的个人计算芯片,被果粉们称为“性能怪兽”。
消息就是这样,来看看能学到什么知识。
我们知道,芯片领域最重要的发展趋势,就是在单位面积的硅片上加工出越来越多的晶体管开关——换句话说,就是需要晶体管变得越来越小。苹果这次发布的新款M1芯片,预计会使用台积电的5nm工艺。而放眼全世界的半导体大厂,这几年各种号称3nm、2nm的工艺也都被紧锣密鼓地提上了生产日程。但是,如果我们继续追问,1nm以下的晶体管要怎么加工呢?——这就属于学术界正在探索的领域了。
关于这个问题,清华大学在3月10号的《自然》杂志上发表了最新的成果。研究人员使用二维材料,在硅片上加工出了迄今为止栅极长度最小的晶体管——只有0.34纳米。
听到这里,有两个词你可能比较陌生,一个是“栅极”,一个是“二维材料”。
首先来解释一下“栅极”。它的英文是Gate,也就是门的意思。在晶体管里,栅极是负责控制整个结构开关的最关键部位。栅极长度越小,晶体管就能变得越小,所以栅极长度成为衡量晶体管大小最重要的指标。业界说的5nm、3nm工艺,就是指栅极长度。
不过,还需要补充说明一点,在2010年以后,大部分半导体代工厂号称的多少纳米的工艺,已经不严格对应实际的栅极长度了,而只是工业上一个习惯说法。比如IBM在2021年发布的2nm工艺,实际的栅极长度差不多是12nm。目前市面上比较常见的7nm、5nm工艺,栅极长度差不多也都在10nm这个量级。这倒也不能怪代工厂虚标,而是真要加工几个纳米长度的栅极结构,确实太难做到了。
那么,在清华大学发布的这篇论文里,栅极长度只有难以置信的0.34纳米。它是怎么实现的呢?这就要说到第二个词:“二维材料”。
“二维材料”的概念,是跟传统的“三维材料”相对应的。我们今天使用的大部分东西都是由三维材料组成的,也就是由一大堆原子堆砌成的立体结构。比如5nm晶体管,虽然很小,但仍然属于三维材料,它的栅极的长宽高,有几十到几百个硅原子。
如果想进一步缩小栅极的尺寸,该怎么办呢?最极限的思路就是“降维打击”。把栅极的三维结构拍扁成二维,让它变成一个平面网格,只有一层原子的厚度,也就是零点几个纳米的样子。如果把这一层原子当作晶体管的栅极,那这零点几个纳米,差不多也就是栅极长度的物理界限。这也就是清华大学这篇论文的思路。
这项研究具体是怎么做的呢?研究人员在硅片上使用了两种二维材料,分别是石墨烯和二硫化钼。这两种材料的具体特性我这里就不展开讲了,在孙亚飞老师的材料科学年度报告里,有比较详细的介绍。这里你只需要知道,这两种材料的电学特性,和现在硅基芯片的兼容性非常好,是半导体领域的热门材料。
在这篇论文里,研究人员把晶体管设计成了一种台阶结构。我在文稿区放了一张论文里晶体管的示意图,你可以看一下。简单来说,就是由硅基组成一个台阶,把二硫化钼薄膜像地毯一样,铺到台阶的上下层,地毯的上层和下层分别对应着晶体管开关的两端。而单层石墨烯,则是插在了台阶结构的中间,充当晶体管的栅极。给这层石墨烯施加电压,就可以控制台阶上层和下层之间的导通和关闭。
由于这个控制电压是从石墨烯的边缘释放的,在这个位置上只有一层碳原子,厚度大概是0.34纳米——于是,这篇论文就实现了目前世界上栅极长度最小的晶体管结构。这也达到了栅极长度的物理极限,因为栅极最少也得包含一层原子嘛。
不过,这里得补充一句,这个0.34nm虽然很厉害,达到了物理极限,但是它并不能直接跟现在的5nm、3nm工艺去做对比。因为,从这篇论文来看,这种台阶状的晶体管,它的栅极长度,并不反映晶体管整体的实际大小。打个不太恰当的比喻,这就好像,整个印刷行业都用16开、32开来衡量书的大小,结果我开了一个印刷厂,对外披露的数据是纸的厚度。那这两个数显然是不能直接对比的。
这项研究的最大意义,其实是打开了制造电子器件的一个新思路——从三维材料到二维材料。在这个全新的芯片研发领域中,中国的研究团队冲在世界最前列。从这个思路出发,中国科学家也许能够在1nm以下的下一代半导体芯片中,实现弯道超车。
来看今天的第二条。
最近,“英国皇家学会开源期刊”(Royal Society Open Science)上发表了一项研究。研究人员对比了三个类型的猫颅骨和脑尺寸,分别是现代家猫、原始非洲野猫和欧洲野猫,结果发现,和一万年前相比,现代家猫的脑容量大约缩小了25%。
研究人员还进一步发现,脑容量缩小,在被驯化的动物身上是个普遍现象。比如,狗被驯化之后,脑容量缩小了29%;羊缩小了24%,猪缩小了34%,牛缩小了26%。为啥被驯化会让动物的脑容量缩小呢?
研究者推测,被驯养之后,动物不再像待在野生环境里一样担惊受怕,所以大脑的“边缘系统”,也就是负责恐惧感、注意力和攻击性的区域,没有太大的用武之地,久而久之就“缩水”了。比如,奶牛被人类精心圈养,食物和安全都有很好的保障,脑子就比较小;而斗牛场的黑牛,需要保持敌对情绪和攻击性,脑子也比较大。所以,现代家猫的脑容量缩小,和这个驯化理论是吻合的。
不过接下来,有意思的地方来了,科学家之间开始杠起来了。如果说,被驯化的一方脑容量会变小,那么,到底是人类驯化了猫,还是猫驯化了人,还真不好说。抬杠一方的研究人员给出了自己的理由。
有考古证据发现,猫是在4000年前开始成人类的宠物,并且在3600年前逐渐普及的。这主要归功于埃及人对猫的喜爱和推广。而根据最新的研究结果,人类大脑的体积恰恰是从3000年前开始缩小的。你看,从时间线上来说,人类把猫领进门没多久,人的大脑就变小了。根据上面的驯化理论,是不是可以证明猫“驯化”了人呢?
咱们先别急着反对,抬杠的一方还给出了别的证据。
第一,有研究发现,野猫不喜欢、也根本不擅长抓老鼠,它们最喜欢的猎物其实是鸟类。而猫把自己伪装成“捕鼠高手”的形象,很有可能是为了接近人类,可以名正言顺地长期住在人类的居所。
第二,野猫几乎不怎么叫,相互之间也不会用“喵喵喵”来交流,一群野猫在一起几乎是没声音的。很有可能,“喵喵喵”的声音是猫针对人类专门开发的语言,为了吸引人类的注意力和卖萌。
第三,除了伪装“捕鼠高手”和喵喵卖萌,猫还能用体内寄生的弓形虫来影响人类。弓形虫能改变人体内的多巴胺水平,让人更喜欢猫咪,甚至还会影响人的性格。
比如,科学家发现了一个很奇怪的巧合:一个国家的弓形虫感染率越高,这个国家的足球队在世界杯上的表现越好。比如,科学家用弓形虫感染率来预测2006年世界杯八强,结果押中了七支球队。而2010年世界杯八强,全部都来自弓形虫感染率很高的国家。
再来看,国际足联中排名靠前的几支队伍的弓形虫感染率:巴西67%、阿根廷52%、法国45%、西班牙44%、德国43%。相比来说,亚洲国家的弓形虫感染率普遍偏低,日本、韩国是6%,中国是8%。
为啥弓形虫感染率还和球队强弱有关了,是纯属巧合吗?研究表明,弓形虫可以刺激男性睾丸素的分泌,让运动员变得很有爆发力和攻击性,和用了兴奋剂的效果有点像。当然,并不是说感染弓形虫是好事。科学家同时发现,感染弓形虫会提高患精神分裂症和抑郁症的风险。
你看,不知道你是否被说服了啊,听下来,还真有可能不是人驯化了猫,而是猫驯化了人,或者至少说,是猫为了逃避大自然的恶劣生存环境,主动选择被人驯化。其实,猫是这样,狗又何尝不是?有大量的证据证明,三万年前,有一些狼为了获得更好的生存条件,主动选择被人驯化,变成了狗。也许,所有的驯化都不是单向改造,而是相互驯化、相互适应的过程。
来说说咱们得到的事儿。
最近,李南南老师跟我感慨说,这么多年,看了这么多思考工具类的书,让他印象最深,并且可以常常在生活中用起来的工具,就是奥卡姆剃刀定律。这个定律我们得到用户都很熟悉了,说的是,当一个事实同时存在很多种解释的时候,我们要相信动用前提假设最少的那一个。李南南老师说,奥卡姆剃刀定律是现代职场人最需要的思考工具之一。
比如,他有位朋友前段时间在拼命准备申请英国的学校。她第一志愿报的学校很抢手,心里没底,于是,就找了一个塔罗牌占卜大师算卦。大师跟她说,根据占卜显示,第一志愿没戏了,第二志愿没问题。结果,她还真被第二志愿录取了。于是,这个朋友彻底被大师折服,立志要拜师学艺,把塔罗牌发扬光大。
但其实,这件事还有另外一种解释。你看,这位朋友很重视这次留学申请,为此做了大量准备,甚至重视到要去占卜的程度。这意味着,她大概率不会申请到太差的学校。同时,她报的第一志愿是名校,本来竞争就很激烈,申请成功的概率很低。基于这两条,她申请上第二志愿的概率,客观上就是最大的。
你看,这两种解释,该相信哪一个呢?第一种解释,也就是占卜大师能通灵,要动用的前提假设太多了。你得假设世界上真的有神仙,这个神仙得特别关心你的考试。地球上又恰好有个人,能跟神仙沟通。你想想,这些假设同时成立的概率有多高?但是,第二种解释,仅凭客观事实就能推断出来,几乎不需要任何前提假设。
这就是奥卡姆剃刀定律的作用。下回,你遇到剪不断理还乱的事情,不妨拿起奥卡姆剃刀剃一剃,说不定会豁然开朗。
今天就聊到这儿,《得到头条》,明天见。