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演讲场次：2019.11.16 科学峰会 主旨演讲10：计算机

演讲嘉宾：张懋中

演讲主题：The Next Wave of Intelligence and Connectivity

张懋中：大家好！今天给大家带来了新的信息，我的题目是：《智能与互联下一波的涌浪》。我讲题是三个部分。第一个部分是讲到了我们整个的电磁波的频谱。我们先要了解我们被环绕的电磁波的频谱到底是什么样的？过去几十年的马克里拿了诺贝尔奖百年时间我们用了哪些频谱？这算是一个前沿，就是大西部还尚未开发的。这个必须先做一个了解。 

在过去的几十年用的频谱是比较低的，中间有一块在大气里是光不受阻碍的来传播，我所谓的光的意思其实就是电磁波了，泛讲的意义就是电磁波。光就是可见光的这一段。这在整个电磁波的频谱里面是很少的一个4000—7000埃米左右的光的范畴。其实是非常窄的。过去两段的频谱使用的比较多，一段是比较低的无线电的电磁波，另一方面是可见光的光波。主要的原因是传播的经过的介质各擅所长，在大气里不受阻拦，1G、2G、3G、4G就在较低端的频谱里。4G通信的时候已经到了无线电波的边缘了。

另一段常用的频谱是可见的光，因为光的通信开始的时候是红光的通信，最后变成蓝绿光的通信，这个通信在光纤里面来达成的。这两段都相当的成功，也为我们人类的文明，不管为我们工业的进展都非常给力。但是其中有一段光谱在中央的这一段，过去是很少使用的，但是在未来有无限的前景，所以我特别提出来要跟大家讲。这一段的频谱差不多是从30到300GHz的毫米波，和300到3000GHz的太赫兹波。过去在通信上完全无用。但是它对于物理学家并不陌生，第一个发掘到这个频谱的是一位印度的科学家名叫J.C. Bose，在加尔各答本科毕业以后，到剑桥大学做研究，运用他发明的二级体，首先侦测到所谓的太赫兹波。

为什么波的频率越往上越有价值呢？我们通信使用的载波，如果本身频率就高的话，更容易达成宽频的应用。是能够带更大量的信息，或者是在单一时间能够传输更多的信号。所以整个通信的频谱逐渐是从低的频道往上发展。

5G通信在国家的战略和人们的生活层面上都很重要，但首批释出的频道在3.5GHz左右，大概只有150个MegaHz宽。我上次到旧金山，飞机降落了以后，手机上面显示了5G连接，但实际上有没有不同的感觉呢？没有。最大的原因是还没有进入毫米波的超宽带通信。将来5G在毫米波第一个选择的是在28个GHz左右。第二个会是在34个GHz左右。你就会渐渐感觉到它所带来的优越信息量和巨大的信息密度，完全会不一样。很可惜这个要三四年以后才会发生！

第二个，因为波长较短，所以它的特性就有点像可见光，在这样的情况下，过去我们所熟悉的比如说接收天线，将来会与光学镜子并用，利用它类光的特性。在低的频率的时候，因为发射的效率比较好，所以通常是广播式的，但在超高频率的毫米波段，最好是用波束（beam），直接连接收发两端，以提升效率。但是它有个主要的问题，因为频率这么高了以后，我们传统以硅做基板的半导体元件达不到这个要求。

达不到要求是从两个方面来讲，从电子端来讲，我们今天手机芯片所用的device是MOSFET，即使缩影到10奈米，速度还是太慢。如果从光电端来讲，光学元件主要是利用半导体的“能隙”，也就是半导体通带和价带间的能阶差距，因为太小，也不能用。但是在整个科学尤其是宇宙和行星科学的发展上面，这个太赫兹是赫赫有名！

前面有两位讲者，一位是物理的，一位是太空物理的，还有一位也是讲到有关行星的。这里面都讲到了一个东西：宇宙是在一个大爆炸的情况下才诞生的，我们的宇宙是137亿年以前，在一个单奇点爆炸出来，起初全是光子，但是那时候光子的能量极高，因为它的温度其高无比，但是在瞬间它以一亿亿亿倍的光速膨胀，让整个宇宙冷却下来了，最终的结果就产生了CosmicMicrowave Background（CMB），什么叫CMB呢？就是在这个宇宙大爆炸了以后，余音袅袅啊，一直到现在它的热辐射还存在！

虽然物理学家也曾假设宇宙可能是从一个大爆炸开始的，但是没有直接的证据，一直等到这两个人，名叫Arno Penzias和Robert Wilson，这两个人是天线工程师，照片里是年轻的我站在他们所设计的天线前，大家不要以为这是农庄机器，这个像大盖子似的天线能横扫天际，但是到处都看到一样的噪音。他们第一个假设是鸟粪，鸟大便太多了，让他们测不准，所以两个人一早晨起来就去扫鸟大便，扫完了以后，坐下来一看同样的noisebackground还是存在的！

这种情况下，还好两个人没有认为自己制做的接受器不好，很谨慎的就打电话问旁边的几个学校，第一个打电话到Columbia，他们说你应该打电话到普林斯顿，去请教Prof.Robert Dicke，结果他们打电话到普林斯顿通报所看到的noisebackground，结果Dicke一看就是他已经找了十几年的宇宙大爆炸的余音！几个最优秀的学生都摆上了，因为Robert的电子学学问太好了，他网高频去找，找到毫米波去了！但当时接收技术不成熟，就没有看到这个噪音！结果等这两个人一看出来就知道已经找到宇宙大爆炸的直接证据了。

大家看一看，这个是什么？这个是黑体辐射。假设这整个宇宙在平衡的状况下，它在thermodynamics上就是一个黑体，这个情况之下，COBE是NASA卫星系统，所量出来整个宇宙的平均温度只有2.7K。最近拍摄的M87黑洞图像，是由分布全球9个天文台同时在毫米波及太赫兹频道的230—450GHz所联成图像。下面更加精进的，将来用人造卫星做联影基地，因为卫星群间摄影孔径更大，即使用同样的太赫兹波长也可以看到更准确的黑洞形象。

下面还有很多的例子，太赫兹波更能够帮我们了解我们的大气组成，提供地球暖化的直接科学证据。康莱尔本科的教授也讲了，我们怎么知道太阳系许多行星和它们的卫星有水呢？有些甚至是卫星向它的行星喷水，非常有趣。你要知道地球上的水是哪里来的？有很多个理论。为什么能够带这么多的水呢？永远会留在地球上吗？现在的研究显示，我们地球一天到晚在丢水，总有一天成为无水之地。但能侦测到大气中水的含量是因为太赫兹频道电子学的进步。

将来的人造卫星，可能因太赫兹电子学的发展而越来越小，现在最小的人造卫星只有10公分立方这么大！这叫一个“U”，两个U就往上乘二，重量是1.33公斤。更新鲜的，大家知道最近美国SpaceX打了两次Falcon9火箭，每次运送60颗卫星。主要是因为在毫米波能够通信了，因为卫星打出去以后，rocket的第一和第二节可以回收，使单颗卫星发射成本已经降到了US$350K，5G通信我们还没有用上呢，6G通信已经来临了。

SpaceX预计要打12000颗卫星，亚马逊要打4000多颗，谷歌也要打5000多颗，将来有五六万颗的卫星在我们天上绕来绕去。过去卧看牛郎织女星，以后就看不到牛郎织女星了，看到的全是人造卫星！除了高空的卫星，下面就降到了所谓的Airship，以后整个的通信系统就算你在喜马拉雅山颠，我们照样找得到你，照样让你通信，因为卫星居高临下，全世界一览无余。这样的毫米波通信技术现在都齐备了。

要做这样的通信，过去是相当的复杂的。大家可以看到用非积成的通信系统，能量损耗太大了，所以要搬上人造卫星有相当大的困难。但如果能让整个系统能用台积电最先进的7奈米技术来整合，以最近发展出来triple frequency的技术，就可以做到600个GHz，充分发挥太赫兹的长处。

第三个部分，我们今天被雾霾所苦，全世界各大城市都有，北京并不例外，这就是最近最有名的加州的野火。在这种情况下烧出来的有毒的气体，我们有没有一天能把频谱仪放在手机上面来侦测它？一按就知道它里面是什么成分呢？它对我们的威胁有多么大呢？有没有这个可能性？过去我们用传统的频谱仪，要损耗几十瓦的power，这当然在手机中不可行。但如果将频谱仪制作成了系统芯片（System-on-Chip），硅片不过就几亳米大小，用电量也从35瓦降到二百五六十毫瓦，这就完全有可能用在手机里了！

将来人造卫星也不是你想象的那么大，最后可能变成像太空沙一般的到处飞，也是完全可能的。这里显示的是频谱仪的基带运算器（basebandprocessor），全部都可以集成在一个系统芯片里。过去的确不可能，但今天都能做得到。其次太赫兹的接收器（radiometer）能灵敏到什么程度呢？它甚至能看到你们每一个人身上发出来的光（电磁波），过去这样的热辐射只能用极端窄能隙的II-VI族元素的化合物半导体侦测器才能看到，但今天我们用硅芯片制成毫米波接收器就可以看得到。用这个做法，它非常的轻便，所需能量非常的小，将来也可以嵌入到手机上。

最后，我做一个总结，毫米波或太赫兹这个频道过去未为一般人所知，但越来越发现它的价值，甚至可以用在手机里。第二个，MOSFET这个硅半导体的元件，不但在1985年让今天早上的讲员Klaus von Klitzing博士得到诺贝尔奖，未来更可以因为太赫兹波的应用，也让我们有更好的智能和连接，能发更伟大的人类社会，谢谢大家！

本文根据演讲内容整理而成，以视频内容为准。

注：本文转载自未来论坛。