你好,这里是《邵恒头条》,我是邵恒。

今天我想和你分享的内容,是得到上的彭天放老师带给你的最新一期《硬科技报告》。

彭老师在这期的报告里,为你推荐了三项值得关注的前沿科技突破,每一项都能拓宽你的想象力边界。比如,一种能够操控人的梦境的新方法,以及一种小到能植入到血液里的超微型传感器。

下面,我们一起来听听彭天放老师的解读。

你好,我是彭天放,欢迎来到5月份的《硬科技报告》。

在过去的一个月里,我为你梳理出了三项值得关注的硬科技进展:

1.MIT媒体实验室尝试调控人的梦境

第一项进展让我听到之后很兴奋,因为它有可能实现一个我小时候的“白日梦”——那就是让自己能一边睡觉一边学习。以前每当我复习考试的时间不够的时候,经常会想如果我能控制自己做的梦,睡着之后在梦里把知识点再过一遍,那简直太幸福了。

显然,世界上不止我一个人在做这种“白日梦”。4月27号,国外科技媒体《数字趋势》报道说,大名鼎鼎的美国麻省理工学院媒体实验室,在控制人类梦境的领域有了新进展。

这个麻省理工学院的媒体实验室,我们知道,经常是很多脑洞大开的科技创意的发源地,每年都会开发上百个天马行空的项目。比如,像织毛衣一样织出来的软体键盘,或者根据孩子的偏好凭空创作童话的讲故事APP等等。

这一次开脑洞的,就是媒体实验室里一个叫做“梦境实验室”的研究团队。他们花了3年的时间,尝试通过声音和气味等等方式,来影响人做什么梦,并且把一些特定的形象植入到人的梦里。这听起来简直就像是电影《盗梦空间》一样!那研究人员具体是怎么做到的呢?

这个方法说白了很简单,就是“说悄悄话”。具体来说呢,就是在测试者即将入睡、半睡半醒的状态下,用微弱的音量播放一些简单的语音信息,比如:“兔子” “茶杯”,然后让被测试者进入一种浅层次睡眠。这种睡眠有点类似于我们平时的午睡。处在这种浅层次睡眠下的人,非常容易做梦。研究人员就用这种方法测试了6名志愿者。根据志愿者的回忆,在他们所做的梦里,全都出现了研究人员播放的“悄悄话”里面的东西。

听到这里你可能会想,说悄悄话也太容易了,那我也能控制梦境了吧?其实事情并没有这么简单。你想啊,用语音来操控梦境这个思路,肯定不是麻省理工的研究人员第一个想到的。可能早在周公解梦的年代,人们就尝试过了。那为什么这么多年来,一直都没形成能够精确地影响梦境的方法呢?

麻省理工的研究人员认为,很可能是因为过去“说悄悄话”的时机不对。

我们知道,人从清醒到进入睡眠的过程,并不是有一个泾渭分明的时刻突然就睡着的。而是要经历一个半睡半醒的过渡状态。在清醒的时候,人的意识是比较强烈的。这个时候的任何语音信息,都会被人主动地进行联想、分析、判断甚至排斥。即使用再小的声音说悄悄话,也不容易精确地植入某个特定的形象到人的梦里。而相反,如果等人彻底睡着了,再怎么播放语音人也听不见,对梦境似乎也没什么影响。因此研究人员认为,只有在半睡半醒的过渡状态下,人的意识比较放松,不会对输入的信息进行多少加工处理,才有可能通过“说悄悄话”的方法来影响梦中的内容。

这就带来一个难题,那就是都是闭眼躺着喘气的人,你怎么判断他究竟是清醒、过渡状态还是彻底睡着了呢?

这就要说到这项研究中另一个创新了,那就是研究人员利用了一种戴在人手上的可穿戴设备,随时监测被测试者的肌肉张力、心率、皮肤导电率等等数据,并且根据这些数据判断他所处的状态。每一次,都在被测试者过渡状态即将结束,马上要进入睡眠的时候播放“悄悄话”。研究人员发现,果然在这个时机输入语音信息,可以高成功率地在梦境中植入特定信息。

说到这里你可能还会想,说了半天只能在梦里植入兔子、茶杯这种简单的形象,有什么用呢?我天天梦见金条,也没变得更有钱啊。你还别说,即使是这么粗糙的梦境植入,研究人员也发现了一个潜在的用处——那就是它有可能提升人的创造力。

研究人员继续在一项有50个被试者的研究里,给一部分人的梦里植入了“大树”这个形象,另一部分人要么正常入睡,要么保持清醒。然后,给这一群人做关于“树木”的创造力测试题。结果发现,梦境里被植入了“大树”的人,往往在测试中表现得更好。比如,他们能联想到更多跟大树有关的词汇,或者更快地用大树作为主题写一个故事。

这是不是听上去挺神奇的?但其实,用做梦提升创造力这种功能,研究人员也是受了历史上一些著名案例的启发。据说像爱迪生、特斯拉和达利这样的科学或艺术大师,都曾经有意识地让自己进入持续的梦境,来激发自己的奇思妙想。

目前,除了提升创造力这个功能之外,媒体实验室的研究人员还在尝试通过调控梦境,来影响甚至增强人的记忆力。只不过用的不是“说悄悄话”的方法,而是用给被试者在半睡半醒的时候闻特定的气味,同样也产生了很有趣的实验结果,这里限于篇幅就不过多介绍了。

说到这里你可能感受到了,不论是创造力还是记忆力,今天的技术甚至已经不满足于服务人们清醒时候的需求,而开始把触角伸向了占据人生1/3时间的睡眠了

不过这个项目,同时也引起了一些争议。一方面,有些人考虑到今天的科学对于人睡眠的过程还没有充分了解。看似荒诞的梦,有可能承担了我们不知道的重要功能,擅自修改人的梦可能会带来一些未知的风险。另一方面,人们也担心这种技术,如果真的有一天像电影《盗梦空间》里一样,梦境管理的技术在未经允许的情况下,被用来影响人的主观意识,那也可能是一种侵犯。

对于这些批评,我认为不是没有道理。但我更想说的是,其实,这种利用人半睡半醒的状态,植入一些特定意象的技术,我们其实并不陌生。比如,心理治疗中的催眠疗法,或者前一阵子在硅谷流行的正念冥想,我想或多或少都是利用了类似的原理。

通过科技的工具,更可能只是让这些传统的心理辅助疗法,在未来变得更精确、更高效、更便宜。目前,媒体实验室这个项目已经在网上有了开源的代码,如果你有一定技术实力的话,也可以尝试一下。

2.康奈尔大学研发出可植入生物体的超微型传感器

我为你推荐的第二项进展,刷新了我们关于电子产品的一项认知,那就是电子产品究竟可以小到什么程度?在《碟中谍》这类电影里,你可能看到过各种只有纽扣,甚至米粒大小的装备。但现实中的科技进展,比电影里还要有想象力。

4月17号,来自美国康奈尔大学的研究团队在美国科学院院刊发表了一项突破性的研究,他们使用芯片制造中的光刻技术,批量制造出了一种超小型的无线传感平台。有多小呢?——大概只有100微米长,50微米宽,差不多跟一个面粉的颗粒一样大,几乎已经到了肉眼不可见的程度。在一个1分钱的硬币上,可以平铺30000个这样的传感器。

不过你可能会好奇,这么小的传感器将来能有什么用?这背后潜在的用途可大了。

首先,我们今天不是常说万物互联的物联网概念嘛。这个物联网的底层硬件是需要有大量廉价的传感节点的。而康奈尔大学这次传感器的单价,就只是现在类似小型传感器的百分之一。

除了便宜之外呢,超小型化的传感器,还能部署在很多以前根本想不到的场景里。比如,可以在人的血管里随着血液流动监测体内细微的健康状态;或者也可以像科幻电影里一样,不被察觉地撒在各种细微的角落监测环境信息。总之,随着传感平台进一步变小,可以说我们人类在采集信息的手段上,又有了很大的想象空间。

不过,各种各样超小型的芯片、传感器啥的,也许你以前也听说过。别说康奈尔大学这种100微米大的传感器了,现在手机芯片里一个逻辑开关可以只有7纳米大啊。这100微米要说可比7纳米大多了,它到底厉害在哪呢?为什么可以发表到美国顶级的院刊上呢?

要搞明白这个问题,就涉及到一些对于微纳米制造领域更深层的认识了。我为你总结了三个方面的原因,来理解这项研究的厉害之处。

第一点,首先要明确我们所讨论对象的层次。当我们说某某7nm芯片的时候,这个7nm其实是在说它最底层元器件的大小,就像说人的细胞一样。而这一次康奈尔大学研发的微型传感器,更应该被理解成一个完整的系统(或者说是一个平台),而不是一个单独的元器件。这就意味着,这个100微米的传感器的结构麻雀虽小,五脏俱全。

它里面从用来供电的太阳能电池板,到用来处理信息的集成电路,再到对外通信的无线模块等等,啥都有,是一台可以独立工作的设备。从产品的逻辑结构图上来讲,它可能更像一部手机。

事实上,以往具有类似的传感功能,能够独立工作的,不需要外接导线的微型传感系统,整个体积基本上都在立方毫米这个量级,也就是差不多一粒小米的大小。而这项研究的成果,直接把小米变成了几乎看不见的粉尘,体积缩小到了万分之一,不得不说很了不起。

因此,超小型化,是这项研究的第一点过人之处。那以往为什么做不了这么小呢?

这就要说到这项研究的第二点突破了——也就是所谓的“异质集成”技术。所谓“异质集成”,是奇异的“异”,品质的“质”。意思就是把原本不属于同一类制造工艺,或者说不同材料的器件,集成在一起的技术。

我们还是用手机来打比方,手机外壳一般是塑料的,里面的电路板是硅材料的,基带天线是金属的。这些东西分别是在不同的生产线,用不同的工艺生产出来,然后由工人集成组装,才成为一部手机的。你要说非得用一套工艺,就把一个完整的手机造出来,那是不太现实的。但是“异质集成”技术,恰恰就是要做这么一件事儿。

这次在康奈尔大学的传感系统上,负责通信的LED模块,负责信息处理的场效应管,还有负责供电的太阳能电池模块等等,原先的生产过程是不能相互兼容的。所以以往呢,只能单独制造每个模块,然后再把它们安装到一起。这就导致过去再怎么精细,也只能做出小米这么大的传感系统来。这就像最早的计算机,因为使用分立的元器件,所以就像一个房子一样大。

这项研究最大的亮点之一,就是把这几个各自不兼容模块,用一套相对完整的工艺,给统一到了一块硅片上,这就能大大缩小系统的尺寸了!这个异质集成的技术细节比较复杂,这里就不展开了。你只需要了解这种异质集成技术,让1平方英寸的硅片上,目前能够制作上万块这种传感系统。

顺便提一句,异质集成技术也是目前半导体芯片领域最热门的研究方向,也是未来消费电子产品进一步提高性能最重要的途径之一,非常值得你留意。

除了系统的小型化,和异质集成技术上的突破之外,这次的研究还有第三个亮点,那就是这一类产品有着“平台化”的潜力。

所谓“平台化”,就是我认为这次研究出来的产品,可能在未来演化出一类新的传感器范式,也就是一类只有灰尘大小的、低成本、无线传感的产品家族。以这项研究为基础,很可能会创造出很多各种功能的微小器件,比如用来做环境监测、健康管理、国防安全等等。

事实上,这次发表的研究中,研究人员就制造了不止一种功能的传感器。其中一种放在了一个微小的管道里面用来检测液体的导电率,而另一种直接植入了小老鼠的大脑里面,对外传输小鼠的体温信息。

总之,这一类低成本的无线传感器,确实未来可期。我也相信在这篇论文之后,还会有很多后续的研究沿着类似的思路做出有趣的成果,值得你继续关注!

3.长江存储推出128层QLC NAND闪存

我为你推荐的第三项进展非常令人振奋,它是来自我国的芯片领域的一件大事。

4月13号,我国著名的半导体企业长江存储对外宣布,它的128层闪存芯片已经研发成功。这很可能意味着,存储芯片会成为我国在主要的芯片门类里面,率先进入世界第一梯队的产品。

在介绍这个研发成果之前,我得先给你说说长江存储这家公司。长江存储的名字你可能不是很熟悉,但是在中国的科技界,特别是半导体领域可以说是如雷贯耳。它是在2016年,由紫光集团联合国家集成电路产业基金等多只政府背景的基金,并且整合了大量中国芯片产业资源和人才成立的一家带有明确国家意志的芯片企业。

成立之初,它就宣布将会投资超过240亿美元,打造世界级的半导体存储企业。在芯片这样一个巨头环伺的全球产业里,长江存储可以说很大程度上寄托了中国作为后发者的芯片梦想。

而且我特别要说一句,长江存储,还是一家位于我国武汉的企业。熟悉半导体制造的人都知道,考虑到设备的安全维护和生产的可靠性,半导体晶圆厂基本上是365天不能停工的。在疫情暴发之后的这段时间里,我相信长江存储的工程师们,一定是克服了巨大的的困难,继续产品的研发以及企业的运转,直到渡过疫情的难关,迎来产品研发成功的喜讯。这一点也格外值得尊敬。

好,现在我们就可以来说说,这次长江存储研发的新产品,128层闪存芯片是什么。

我们今天用来存储数据的产品,主要有三种。第一种是光存储,可以简单理解成各种光盘,这个历史比较悠久,现在普遍使用的也不多了。第二种是磁存储,这类产品今天依然很常见,大部分人台式机或者笔记本电脑里面1T、2T的硬盘,还有企业的大数据中心里面用的硬盘,都是磁存储盘。但是,光和磁作为存储介质的产品,目前看来除了少数特殊场景之外,都在走下坡路,甚至逐渐会被市场所淘汰。

而今天接过人类信息存储这个接力棒的呢,就是我们要说的第三类存储产品,也就是通常所说的半导体存储或者存储芯片。而闪存芯片就是存储芯片最主要的一类产品。举例来说,我们手机里面所谓256GB或者512GB存储容量,平常拷贝数据用的U盘,还有一些高端笔记本电脑里用的固态硬盘,背后使用的都是所谓的闪存芯片。

而且业界普遍认为,不光是手机、笔记本这些场景,未来包括台式机,甚至大型的数据中心,都会逐渐用闪存芯片的存储取代现在用的磁硬盘。因为闪存芯片不管是在运行的可靠性,还是存储的速度上,都有巨大的优势。

而且由于这些突出的优点,整个存储芯片市场在2017年之后,已经超过了逻辑芯片(也就是我们通常理解的CPU、GPU),成为世界上市场份额最大的芯片类别。2019年在半导体市场周期下行的基础上,依然有1064亿美元的全球市场,占到全球芯片市场大概1/4。

因此,如果我国能够在存储芯片中的闪存领域拿下一块份额的话,无疑是国产芯片一次巨大的胜利。

但是市场竞争毕竟是很残酷的。全球的存储芯片技术经过这么多年的发展,已经基本处在被几个大的科技巨头垄断状态,个个都是能征善战、赫赫有名,比如三星、SK海力士、东芝、美光、英特尔。这些巨头之间的竞争,本来就已经非常激烈了。想在他们之中冲出中国一枝独秀,难度之大可想而知。而且在2014年国家半导体产业基金成立之前,我国在芯片领域不管是技术积累还是相关投资,都是比较薄弱的。

站在这个背景看,我们就容易理解长江存储研发芯片的意义了。前面我们说了,长江存储这次研发成功的产品,是128层的NAND闪存芯片。

存储芯片的技术,简单来讲可以用芯片层数的多少来划分优劣。过去几年里大概经历了32层、64层、96层、128层的四代技术。芯片里的层数越多,意味着数据存储的容量和效率越高,市场竞争力越强。而每一代之间,大概有着2年左右的技术差距。

在2016年成立的时候,长江存储的起点其实并不高,是从32层的存储芯片着手的,那个时候跟世界一线产品的差距大概有4-5年。

到2019年64层闪存芯片量产之后,这个差距就缩小到大概2年左右。而随后,长江存储决定跳过96层,直接研发128层的闪存芯片,直到今年4月13号宣布研发成功。这意味着我国的企业在NAND FLASH存储领域,已经跟世界一线企业站在同一个水平线上了。要知道像Intel这样的巨头企业,它们128层的存储芯片还在研发过程之中呢。

更令人欣喜的是,这次研发成功的存储芯片,根据长江存储的说法,还在三个维度上做到了业界第一,分别是面积最高密度、单颗最高容量达到 1.33Tb,以及业界最快速度(1.6G/s),确实非常了不起。在未来的几年内,我们很可能就可以用到长江存储的闪存芯片制作的手机和电脑了,非常令人期待。

存储行业是芯片领域最值得关注的细分门类之一,这次长江存储128层闪存芯片的研发成功,确实令人振奋。相信在今后的全球存储市场里,会掀起引人注目的波澜,我也邀请你持续关注。

这一期的《硬科技报告》就到这里,我们下一期再见!

好了,以上就是彭天放老师带来的《硬科技报告》。

听完彭老师的分享我意识到,其实科技进展不断在做的一件事,是搭建想象和现实之间的桥梁。它把我们原以为纯虚构的想象,一步一步地向真实生活拉近。

如果你对哪些硬科技领域的新发展特别感兴趣,或者你留意到了其他值得关注的硬科技进展,欢迎你在留言区和我分享。

好了,这就是今天的《邵恒头条》。我是邵恒,我们明天见。

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