《5G时代》

上期提要:如今,神经元芯片已经研制成功,它是一个带有多个处理器、读写/只读存储器(RAM和ROM)以及通信和I/O接口的单芯片系统。这个神经元芯片本身就是一个存储器,同时又具有通信功能。未来,神经元芯片是“活”的,生物体和芯片融为一体,脑细胞和硅电路融为一体,在脑细胞中存储的信息,可以自由地在脑细胞和芯片之间进行转移、复制、提取。

人类在获得了足够的能源支持后,渐渐创造出语言用于信息的交流,通过信息交流提升了能力后,又反过来继续寻找能源升级的手段。

人类的信息传输经历了语言、文字、印刷、无线电、电视、互联网等多个发展阶段。除了传输,信息的存储是一个大问题。很长时间以来,人类的信息是存储在纸这种介质上的。纸的出现,为人类文明做出了巨大贡献,它是文化、历史的重要载体,但纸的生产成本高,保存的时间不够长,存储的信息也非常有限,一本几十万字的图书部头很大,携带起来不方便。为了满足人们对知识的渴求,人类建设图书馆专门存储图书,并供读者借阅。在较长一段时间里,图书馆是信息存储和交互的枢纽,被称为人类知识的宝库。但这种模式把很多普通人挡在门外,信息的传输依然面临较大问题。

随着人类文明的发展和时代需要,要提高信息的存储量,就必须找到新的存储介质,这种介质需要提高传输速度,让信息得到更方便的传输和大规模、便捷化的使用。硅的出现,使人类世界的信息存储和传输获得了革命性的改变。

1787年,拉瓦锡首次发现硅存在于岩石中。在石英、玛瑙、燧石和普通的滩石中就可以发现硅元素。硅也是建筑材料水泥、砖和玻璃中的主要成分。硅意外地成为信息传输的重要载体,成为大多数半导体和微电子芯片的主要原料。

计算机技术的出现,让存储信息完全不同于纸媒时代,人类进入信息爆炸时代。计算机技术的综合特性明显,与电子工程、应用物理、机械工程、现代通信技术和数学等学科联系紧密,第一台通用电子计算机ENIAC就是以当时的雷达脉冲技术、核物理电子计数技术、通信技术等为基础的。微电子技术的发展,对计算机技术产生了重大影响,二者相互渗透。与此同时,应用物理方面的成就,为计算机技术的大发展提供了基础条件。

其中,磁记录技术是计算机进行信息存储的一个重要步骤,该技术在不知不觉中掀起了一场人类历史上信息存储的革命。相比纸张,磁记录的信息量更大,信息也更加丰富,除了文字之外,还可以存储图片、声音、影像等,这让人类的信息存储能力达到一个前所未有的高度。最早的磁记录技术被用于唱片、磁带这些有声信息的存储。

硅的存储能力又大大超过了磁带,一小块芯片存储的信息足以超过一个图书馆。伴随着计算机小型化、手机智能化以及云时代的到来,硅存储的价值还在于可实现高速度的传输。

在纸媒时代,社会上有很多“大师”,所谓“大师”,就是信息垄断者。因为那时信息存储量少,流动性差,获取信息是一件高成本的事,信息成为稀缺资源。在此情况下,大多数人没有机会接触到更多的信息,而信息垄断者就成为学富五车的大师和泰斗,因为拥有知识而享有特权,社会对大师的尊敬与崇拜成为特有的文化现象。

随着磁记录和硅记录技术的出现,加上微型计算机和手机的普及,云计算渗透到社会生活的每一个角落,信息可以高速度大量流动。如今,我们已经不一定非得需要图书馆这样的场所来存储或交流信息,很多人已经多年不去图书馆。当然不去不代表不学习不阅读,不接收新信息,很多人通过网络渠道获取信息。现如今,只要你愿意花时间学习,都可以通过网络找到想要的资料。在信息大爆炸时代随着渠道的增加,获取信息更加方便快捷,成本也大大降低,机会趋于平等,“大师”开始快速减少,原因是如今已经没有或很难有信息垄断者。从这个意义上来说,打破信息传输的限制,技术尽量做到低成本和高效率,人类文明会大大加速。

更重要的是,磁存储和硅存储的出现,还让人类的思想、文化发生了巨大变化,也为大数据、人工智能的到来奠定了基础。

在解决了信息的大规模存储和高速度流通之后,能源的存储也是人类需要解决的重大课题之一。

如今,人类获取能源的手段越来越丰富。绿色能源如水能、风能、太阳能和潮汐能都能转换为电能,但一个现实问题是,存储面临较大问题,很难并网使用。以太阳能为例,白天有太阳,能发电,小规模的普通照明用电需求量并不大,基本能够满足。但晚上需要电时,却没有太阳,因此很难发电。风电、潮汐电等也是如此,非常不稳定,很难进行精准控制。

随着5G以及智能互联网时代的到来,大量的智能设备驱动都需要电能,这些设备已经摆脱了固定的位置,需要移动使用,比如智能汽车等各种交通工具,而大量的手机、平板电脑,还有物联网设备,不可能经常更换电池或充电,因此需要确保能源的长时间供应。

5G时代,手机上网速度越来越快,屏幕越来越大,但如果每天需要充电或者一天充电几次,会让体验感大大降低,也极不方便。而众多的物联网产品需要长时间工作或待机。也不适合每天都要充电。这些都需要有较大存储容量的电池来改变这种困局。

电池的发展经历了碳性电池、碱性锌锰电池、可充电镍氢电池、锂电池等几个阶段。随着技术进步,电池的发展不断向高密度、大容量、小体积、柔性化发展,今天智能手机能够快速普及,与电池技术的发展密不可分。换句话说,如果没有电池技术的进步,移动通信基本不可能实现。但是,一个困局是,锂电池已经到了极限,很难再增加容量,很难满足5G和人工智能时代更多的需求,因此,人类需要寻找新材料,研发出超高密度的电池,解决能源大规模存储的难题。

从技术上来看,要解决能源大规模存储的核心是材料。在人类暂未发现比锂更好的高密度能量存储材料时,首先关注到了石墨烯的价值。石墨烯于2004年问世,是目前已知的最薄、强度最大、导电导热性能最好的一种新型纳米材料,厚度是头发丝的20万分之一,强度是钢的200倍,被称为“新材料之王”。石墨烯有较多的优质特性:坚固耐磨损、导热性优异、导电性好、耐高温、耐低温,能在-30℃～80℃的环境下工作。虽然石墨烯对于提高能量密度没有帮助,但可以大大提升充电速度,让智能汽车“充电10分钟行驶1000公里”成为可能。换句话说,通过提高效率,大幅减少充电时间,也是一条新途径。

不过,人类在寻找新材料的路上永远不会停止脚步。除了石墨烯之外,未来能否找到一种可实现高密度电能存储的材料,需要不断进行筛选,找出不同材料不同的特点。此外,除了寻找新材料,如何在现有材料基础上,通过改变配方找到更多提高能量密度的办法,降低成本,寻求更大突破,也是值得探索的路径。

从纸的信息存储到硅的信息存储,人类实现了一次又一次的信息存储革命,基本摆脱了信息的垄断和限制,打破了信息鸿沟。

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