诺贝尔物理学奖与信息技术发展.doc

诺贝尔物理学奖与信息技术发展金西（中国科学技术大学物理学院微电子学教研室）2010 年春节来了，我谨代表计算机与信息技术编辑部向广大读者、作者恭贺新春，祝大家在虎年里万事如意！21 世纪或许是中国人、东方人的世纪。日月如梭，转瞬间已过去了十年，让我们一同来回顾信息技术 发展。“诺贝尔奖”无疑是最能代表科学技术方面成就的，今天我们就从它谈起。信息时代，想了解和准 备一些与今天话题有关的内容，到网上一搜，相关的内容铺天盖地的，本文就不一一在参考文献中列出， 这里先一并感谢这些文献的作者并衷心祝福大家虎年快乐。高锟与 2009 年诺贝尔物理学奖刚刚逝去的 2009 年，注定是不平凡的一年。2009 年 10 月 6 日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将 2009 年诺贝尔 物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在 纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得 2009 年物理学奖一半的奖金，共 500 万瑞典克朗（约合70 万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖 金。不平凡之处：首先诺贝尔物理学奖全部授予电子信息技术领域的研究人士，说明人类社会已经全面进入数字信息时代。其次，诺贝尔物理学奖授予应用科学领域的成果，说明科学不但要高瞻远瞩，也应当能够开花结果。高锟得悉获奖后发表声明说：“有赖光纤的出现，这个喜讯已于瞬间传到千里我从来没有想过会获奖，感到非常惊喜。”评审团赞扬高锟在光通讯上取得开创性成就，更促成环球宽带发展，“令文字、音乐、视频和影片在一瞬间传到世界各地”。高锟估计，下一代将是资讯科技、生物科技和纳米科技的世界，望后辈通过科技开发造福世界。 根据该奖项的创始人诺贝尔的遗嘱，诺贝尔奖应每年授予“在前一年中对人类作出最大贡献的人”。“前一年”三个字说明，诺奖的宗旨是密切跟踪时代潮流，从而最大可能地反映人类社会现状。而 2009 年诺贝尔物理学奖的三位得主全部来自电 子信息技术领域，说明他们的发现或者发明已经对人类社会产生了极为重要的影响，无论是光纤，还是 CCD 图像传感器，都 主导了当前最热门的通信信息和数字娱乐产业，是人们能够实实在在看得见、摸得着的科技成果。2 与现代信息技术有关的部分诺贝尔物理学奖2.1 2007 年诺贝尔物理学奖2007 年度诺贝尔物理奖授予法国科学家艾尔伯-费尔和德国科学家皮特-克鲁伯格，以表彰他们发现巨磁电阻效应的贡 献。“巨磁电阻”效应引发硬盘的“大容量、小型化”革命。体积越来越小，容量越来越大在如今这个信息时代，存储信息的硬盘自然而然被人们寄予了这样的期待。得益于“巨 磁电阻”效应这一重大发现，最近 20 多年来，我们开始能够在笔记本电脑、音乐播放器等所安装的越来越小的硬盘中存储海 量信息。2.2 其他一些与信息技术相关的诺贝尔物理学奖表中列出了从晶体管到集成电路与信息技术相关的诺贝尔物理学奖。表 部分与信息技术相关的诺贝尔物理学奖2.3 现代信息技术的基石2000 年诺贝尔物理学奖授予俄罗斯科学家泽罗斯阿尔费罗夫、美国科学家赫伯特克勒默和杰克基尔比，他们因在 “信息技术方面的基础性工作”而获本年度诺贝尔物理学奖。今天，集成电路几乎存在于世界每样电子产品当中，集成电路 背后的功臣是德州仪器的 Jack Kilby 以及英特尔的 Robert Noyce。没有集成电路，信息科技行业就不会是现在这番模样。1950 年代，电子行业已经开始使用晶体管、二极管、电阻器以及 其他电子部件来替代真空管，但新式的电路当时仍然笨重且昂贵。Kilby 想到了将这种电路放置到一颗芯片上的主意。2000 年，Kilby 在接受诺贝尔物理学奖后说：“1958 年，我的目标很 简单，就是降低成本，简化组装，让东西变得更小，更可靠。”Noyce 将晶体管等部件融合到了一个单块芯片上。在他之前， 仙童公司也在硅片上放置晶体管，然后将其切割，分开出售。世界首颗芯片就此诞生。1958 年 9 月 12 里，Kilby 向德州仪器 的官员展示了首颗真正能够投入使用的集成电路，这一天被看着是集成电路的生日。但 Noyce 和仙童公司其他研究员们，包 括英特尔后来的创始人 Gordon Moore 已经在研究他们自己的概念，并且在 Kilby 的集成电路之后很快也向外界展示自己的集 成电路。Moore 认为，Noyce 集成电路要比 Kilby 的发明更实用，在制造上来得更容易。他们的发明都很快引发了专利大战。 Kilby 率先申请了专利，但 Noyce 的专利申请的审批过程更快一些，因此 Noyce 首先获得了集成电路的首个专利。很快，一 个复审委员会根据专利申请日期以及他的研究笔记又将这份荣誉判给了 Kilby。随后便是长达 10 年的法庭诉讼，最后仙童公 司的律师帮助 Noyce 夺回了这份专利。这些人供职的企业，德州仪器和仙童公司很快消除了双方存在的分歧，达成了专利共 享协议，开始在一些产品中使用集成电路，象 1964 年推出的德州仪器计算器。在 Kilby 的诺贝尔奖感言中，他指出，Noyce 以及西屋电子公司几个不知名的研究者对半导体的发明做出了贡献。本来可 能分享这份诺贝尔奖金的 Noyce 已经在 10 年前去世。由于诺贝尔奖金不会颁给已经离世之人，这也期望我们的科学家健康长 寿，能在有生之年亲眼看到自己的成果为人类科技进步发挥巨大作用。Kilby 还在美国军事与太空项目领域声名卓著，因为他的发明为大部分政府项目提供了效率。冷战时期，美国军方在 Minuteman 导弹中使用了集成电路，以防范前苏联的核攻击，美国航空与宇航局（NASA）在它的阿波罗登月项目中也使用了 集成电路。现代芯片的诞生进程中还有很多重要人物值得提及，其中包括晶体管的发明人 William Shockley、John Bardeen 和 Walter Brattain，三人在 1956 年分享了诺贝尔物理学奖，Leo Esaki，此人供职于后来变身为索尼的公司，由于他发现了电子具有管 道特性而获得了 1973 年物理学奖。Esaki 也曾经在 IBM 就职。现代信息技术近几十年深刻改变了人类社会，它的发展必须具备两个简单但又是基本的先决条件：一是快速，即短时间 里传输大量信息；二是体积小，携带起来方便，在任何场合都能使用。三位科学家的成果满足了这两个要求。阿尔费罗夫与 克勒默为满足上述第一个先决条件作出了重要贡献。他们发明的半导体异质结构技术，已广泛应用于制造高速光电子和微电 子元件。所谓异质结构半导体，主要由很多不同带隙的薄层组成。目前，通信卫星和移动电话基站等都采用了异质结构技术 制造的快速晶体管。利用异质结构技术制造的激光二极管，也使光纤电缆传输因特网信息得以实现。半导体异质结构技术还年份获奖者国籍获奖原因1956W.肖克莱 W.H.布拉顿 J.巴丁美国 美国 美国研究半导体并发现晶体管效应1973B.D.约瑟夫森 江崎岭于奈 I.迦埃弗英国 日本 美籍挪威人关于固体中隧道现象的发现，从理论上预言了超导电流能够通 过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应)从实验上发现半导体、超导体中 的隧道效应1991P.G.德燃纳法国液晶基础研究2000泽罗斯阿尔费罗夫 赫伯特克勒默 杰克基尔比俄罗斯 美国德国人美国通过发明快速晶体管、激光二极管和集成电路，为现代信息技 术奠定了坚实基础可用于制造发光二极管，汽车刹车灯和交通灯等都用到发光二极管，常用的电灯在未来也有可能被发光二极管取而代之。2.4 微电子学的发展微电子学是信息领域的重要基础学科，在信息领域中，微电子学是研究并实现信息获取、传输、储存、处理和输出的科 学，是研究信息载体的科学，构成了信息科学的基石。其发展水平直接影响着整个信息技术的发展。微电子学是一门综合性很强的边缘学科，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系统的设计、测试等 多方面的内容；涉及了固体物理学、量子力学、热力学、统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、 测试与加工、图论、化学等多个领域。微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电 子学的发展方向。信息技术发展的方向是多媒体（智能化）、网络化和个体化。要求系统获取和储存海量的多媒体信息，以及 高速度精确可靠的处理和传输这些信息并及时地把有用的信息显示出来或用于控制。所有这些只能依赖于微电子技术的支持 才能成为现实。超高容量、超高速、超高频、超低功耗是信息技术无止境的追求目标，是微电子技术迅速发展的动力。微电子学可以与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如它与机械、光学的结合导致了微机电系统（MEMS） 的出现，他与生物科学结合诞生了生物芯片。MEMS 和生物芯片都是近年来发展起来的具有极其广阔应用前景的新技术。华裔科学家的优势号称“世界半导体第一人”的施敏。他是非挥发 MOS 场效应记忆晶体管（Nonvolatic Memory）的发明者，这项发明已 成为世界集成电路产业主导产品之一，20 世纪 90 年代初其产值已达 100 亿美元，是目前信息家电产品的存储体。我们可看 到他在 2007 的一次讲演中，指出 1960 年以来最重要半导体元件的发明几乎都由华人完成，参见图。从图 1 中，我们可以 看出，高锟发明是光纤，已获 2009 诺贝尔奖。萨支唐教授是我国著名物理学家，国立厦门大学第一任校长萨本栋之子，长期 致力于半导体器件和微电子学研究，在 20 世纪 60 年代末首先提出 CMOS 结构，对发展晶体管、集成电路以及可靠性研究做 出了里程碑性质的贡献。施敏已多次被诺贝尔奖提名。卓以和 1937 年生于北京，1955 年赴美，现任美国朗讯科技公司（AT&T 公司）贝尔实验室半导体研究室主任，他是是国际公认的分子束外延、人工微结构材料生长和在新型器件研究领域的奠基人 与开拓者，被称为“分子束外延技术之父”。 “五院”院士张立纲已经仙逝了。胡正明教授是微电子微型化物理及可靠性物 理研究的一位重要开拓者，对半导体器件的开发及未来的微型化做出了重大贡献。他领导研究出 BSIM，从实际 MOSFET 晶 体管的复杂物理推演出数学模型，该数学模型于 1997 年被国际上 38 家大公司参与的晶体管模型理事会选为设计芯片的第一 个且惟一的国际标准；发明了在国际上极受注目的 FinFET 等多种新结构器件。图图中成名已久，达到获得诺贝尔奖条件的位美籍华裔科学家，期待他们健康长寿，续写华裔科学家的辉煌。4 量子效应下的信息技术20 世纪初，德国柏林大学教授普朗克（MPlanck）首次提出量子概念，引发了物理学界一场深刻的革命。随即，爱因 斯坦把普朗克的不连续的能量量子的概念和光电效应联系起来，奠定了量子光学的基础。进入 21 世纪，以微电子为基础的信息技术将很可能达到物理极限，发达国家竞争的焦点聚集在以量子效应为基础的新的 信息手段上，寻求信息科技发展的新出路。量子调控就是探索新的量子现象，发展量子信息学、关联电子学、量子通信、受 限小量子体系及人工带隙系统，构建未来信息技术理论基础，具有明显的前瞻性，有可能在 20 年至 30 年后对人类社会经济发展产生难以估量的影响。 迄今为止，量子光学研究领域已经获得 5 个诺贝尔物理学奖，足见量子光学研究的重要地位以及国际科学界对量子光学学科的重视程度。量子通信目前国内做得不错，再努力下去，很有希望异军突起，做出大师级的贡献。5 中国本土科学家拿“诺贝尔奖”，路在何方？温家宝说：“去年看望钱学森时，他提出现在中国没有完全发展起来，一个重要原因是没有一所大学能够按照培养科学 技术发明创造人才的模式去办学，没有自己独特的创新的东西，老是冒不出杰出人才。我理解，钱老说的杰出人才，绝 不是一般人才，而是大师级人才。钱学森之问直指相关问题之症，而“诺贝尔奖”科技方面的奖就很能说明问题。下面列举 不少相关报道中的说法，或许有所安慰、有所启迪。中国人有“诺贝尔奖”情结，曾多次讨论，历史上也曾有几次与“诺贝尔奖”擦肩而过，但相较于邻国日本的十多次获 奖，本土科学家拿奖还有较长的路要走。“诺贝尔奖”没有在计算机方面奖，这好理解，诺贝尔那时候还没计算机，诺贝尔 也没有在数学方面设奖，这就是设奖人本人的意愿了。约翰巴丁教授在同一领域曾两次获得诺贝尔奖，他在访问中科院物理所时，曾半开玩笑地谈到了这个问题。他讲了获 得诺贝尔奖应该具备的三个条件：第一是努力；第二是机遇；第三是合作精神。赵忠贤院士说，这些方面对中国科学家来说 很重要。他所说的“努力”，不仅指勤奋，还指要选准方向，全身心投入，这样才能做出原始创新成果。他所说的“机遇”，还包含着所选的工作的意义大不大，有的虽然工作完成得很漂亮，但是意义不一定大，也不可能得奖；他所说的“合作精神”，也就是我们常讲的集体主义精神。中国人的特点也许是受儒家文化的影响，比较中庸，不太允许标新立异，虽然大家都知道“真理往往掌握在少数人手中”，但做起来就困难了。今后我们要学会容忍标新立异，鼓励不同的学术观点，同时要有安定、 自由的环境和稳定的支持，为科学家创造能全身心地投入研究的条件。杨振宁认为，过去，制约中国科技发展的是经济落后，而随着经济的快速发展，中国本土离诺贝尔奖已不是遥遥无期， 而仅一步之遥！赵忠贤院士认为，对中国来说拿到国际大奖的不利因素是，中国科学家参与国际活动太少。过去不先进，人 家有成见，还需要了解我们。作为基础研究，与国际接触、交流，尤其是与世界一流实验室的交流是非常必要的。国际间交 流不够，原因往往是由于经费不足。刘德虎研究员说，一些科学工作者应邀参加国际会议，去前要先写信给人家，看人家愿 不愿意给你提供来往机票、食宿等经费。这就像“要饭的”一样，花自己的钱理直气壮，干吗不花自己的钱？因为一年一个项目经费只一二十万元人民币，你去国外开会，宣传自己的研究成果，一去一回，科研经费还会有多少呢？按项目进行投资，项目申请必须写得非常完备，但是作为原始创新科技，又有谁能看得那么细、看得那么远、看得那么准呢？如果能先写出结果再进行创新的话，那不任何人都可以创新了吗？ 中国哪些科技领域最有可能拿到“诺贝尔奖”专家认为中国在高能物理、生物科技等领域具有问鼎诺奖的水平。丁肇中说，中国在高能物理方面的成就与贡献是世界一流的，中国高能研究无论理论还是实验，其水平在世界上也是先进的。他特 别谈到了他和中科院高能所、电工所以及中国运载火箭研究院合作的探求宇宙暗物质的实验。这一研究一旦获得突破进展， 当然是具有获诺奖水平的。该实验设备已于 1998 年在美国“发现号”航天飞机上飞行，获得了许多数据和成果，这是世界上 公认的。此外，高能所专家与意大利合作在深岩洞寻找暗物质的研究也备受国际瞩目。一旦他们的研究能领先美、日完成，则必获诺奖。据悉，截至 1999 年，诺贝尔物理学奖已五次授予粒子物理学