超級運算耗電量大,瑞士材料科學家呼籲基礎研究救地球

作者 | 發布日期 2017 年 08 月 17 日 11:05 | 分類 材料 follow us in feedly

微電子革命在摩爾定律下不斷擴大電腦運算能力,今天高階智慧手機的運算能力已經等同於 1990 年的超級電腦,且運算能力還不斷在進步,但背後一個問題是,當強大的電腦愈來愈普遍,相對消耗的電力就會非常可觀,如果摩爾定律持續發展,電子設備將在幾十年內消耗地球上超過一半的能源預算。



要如何做到永續?麻省理工科技評論(MIT Technology Review)訪問蘇黎世聯邦理工學院材料科學家 Nicola Spaldin 指出,材料科學家可以拯救地球,若找到解決方案,就可以從基礎上突破現狀,改變資訊科技的樣貌以及我們使用的方式。

材料科學決定人類文明走向,如複合材料像是纖維和樹脂的發現,讓人們能將刀片附著在刀片上,以產生刀具和軸。冶煉技術的發現發展出青銅和鐵器時代,造成農業發生根本性變化,最後形成城市與國家。金屬技術也是武器技術發展重大變革,4 千年之後引發工業革命。

電子的發現促進真空管、固態晶體管和微電子學的發展。現代電子產品所需的超純矽,最初是為第二次世界大戰的高頻雷達接收機所開發。材料科學的每個突破都改變世界和我們與之相互作用的方式。但是這些變化發生後,先前的生活方式也完全改變。

Spaldin 認為,要克服矽能源危機將需要類似的突破技術。但是,若不能繼續使用矽,那麼要以什麼取代?Spaldin 提出具有鐵電和鐵磁特性的多鐵性材料。她表示,通常改變材料磁性的唯一方法是用磁場,但是 Spaldin 等人已經展示如何用電場改變多鐵材料的磁性。

報導認為,大量基於矽的資訊處理和儲存必須仰賴磁性,磁性需要磁場操縱,而使用電場能更有效地做到這一點。Spaldin 表示,用電場取代現有的磁力技術為節能、小型化和高效提供巨大機會。多鐵性材料有其他有用的屬性,在這些材料的內部,鐵電偶極子可以排列不同的方向,形成域的偶極子以及域之間的邊界出現有趣變化。

這些邊界形成導電通道,可以透過電場來移動和重新佈置,這在記憶體或資訊處理架構中具有潛在應用。這些多鐵性材料的表面也具有電子性質,可以產生催化反應。多鐵性材料可能讓科技業擺脫矽,而仰賴生產糠酸錳或錳酸釔或鉍鐵氧體的產業,和新一代高能效資訊處理裝置。

當然多鐵性材料只是許多決定外來科技樣貌的其中之一種方法。她說,「改變歷史進程的真正突破不會來自改進現有材料或裝置,也不會來自現有的技術,而是一個不成熟的個人或小團體的基礎研究人員,將知識的界限推向尚未應用的方向。」Spaldin 強調基礎研究的重要性,在現行科技發展如火如荼的當下,也必須得到足夠的滋養。

(首圖來源:Flickr/Christopher Bowns CC BY 2.0)