吕乃基，系统科学学报，2024年第一期。引用请注明出处。

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人类社会的“三大支柱”指材料、能量和信息。

1.工作机、动力机和控制学习机

所有的人工自然可以区分为三大类：工作机、动力机和控制学习机。有的人工自然是其中之一，如黄道婆的织布机是工作机，有的人工自然是其中的二或三项，如风车和数控机床。工作机干活，实现功能；动力机驱动；控制学习机实施过程中的控制和学习。工作机和控制学习机含收集和输出信息的传感机。在人类早期，人工自然主要只是由杠杆、斜面和轮子等组成的工作机，需要人力、畜力、风力和水力等推动，由人和简单的反馈过程控制。在两次工业革命中，工作机日益复杂，热机和电机充当动力机，自动化开始在各个领域的工作机和动力机上得到初步应用，如蒸汽机的离心调速器。从20世纪末至今，控制学习机的地位和作用越发重要。

在上述过程中，工作机所需之材料，从直接取自自然，如木材、石料到需要冶炼的铜铁等金属，到具有特殊性能的各种合成材料；动力机的材料包括其结构本身如锅炉、叶轮需要的材料，以及工质，如燃料电池和锂电池；控制学习机如电子管、晶体管和芯片的材料如金属、半导体，以及实施控制的工质，如电子、光等。上述种种无一不关系到对材料的认识和制备。材料，是工作机的躯体，动力机和能源的载体和工质本身，以及作为控制学习机的载体和工质。发展到智能阶段，控制学习机的重要性进一步凸现，各行各业都用到芯片，而且应用领域越来越深入。芯片，位于工作机、动力机和控制学习机的核心，是当代科技发展的前沿。应用定义软件、软件定义芯片。在此意义上，所有的压力都集中到芯片。

2.由材料、能量到信息

远古社会，人类的发展主要体现在材料上，石器时代、青铜时代、铁器时代，按材料分期，可见彼时材料之重要性。工业革命，虽然钢铁和人工合成材料等依然在进步，能量的作用跃居首位。社会的进步划分为蒸汽、电力和原子能时代，这是按能源分期。20世纪中叶，信息取能量的地位和作用而代之。社会的发展区分为信息、互联网和元宇宙时代，这是按信息和数据分期。人类在总体上沿材料、能量和信息三个阶段前行。然而在此过程中，往往忽略了之前阶段的重要性，特别是材料的基础性。

在材料时代，材料的重要性在于其本身，牢固、耐用、锋利和易加工等；到能量时代，加上了耐高温高压腐蚀和电磁等属性，同时要求工质可以更多储能和充放电，核聚变发电的“容器”至今尚未解决。在信息时代，要求可以用于存储和运算数据的载体。芯片是软件存储和运行的载体，其重要性如同大脑之于意识。

就芯片本身的材料而言，第一代半导体芯片以熟悉的硅为主要材料，广泛应用在手机、电脑和电视等领域。第二代半导体材料以砷化镓和锑化铟为主，多用于光纤和移动通讯等领域。第三代半导体的主要材料则是氮化镓和碳化硅，更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件。目前这类材料主要应用在手机快速充电、新能源车和轨道交通等领域，以及广泛应用于5G基站、数据中心等场景，大幅降低整体能耗。

不同材料制成的芯片应用在不同领域，它们之间是共存关系，不是替代关系。

眼下，IBM的最新成果是：2nm芯片，计算速度快45%，能源效率高出75%，电池最高寿命提升4倍。后来者追赶的难度越来越大。

在人工智能的发展中，“脱碳入硅”的声音一再响起，或将从根本上改变信息乃至所有人工自然物的载体。与此同时，追赶的风险或不确定性也在增大。硅基芯片的制程工艺已经逼近物理极限。上世纪80年代提出柔性电子概念，试图用有机半导体替代硅等无机半导体，通过硅与碳的无缝无障碍结合，使有机电子器件具备柔性特点。

碳基纳米材料，特别是石墨烯和碳纳米管材料，被认为是最有希望取代硅从而延续摩尔定律的半导体材料之一，成为“脱碳入硅”潮流中的“逆行者”。碳基器件相比传统硅基器件具有 5～10倍的速度，可以实现 5nm以下的半导体技术节点，满足新型半导体芯片的发展需求。台积电将铋进行优化，转向新的0-1，开启新的技术路线。

很可能花那么多钱和时间、精力，把硅作为基材的芯片做到5纳米甚至2纳米时，猛然发现，基材变了，不再是硅为基础材料，而是某种“第n代半导体”。地基一旦更迭，在此基础上的技术路线不得不或多或少改变，甚至重起炉灶。

光的通信性能比电高三个数量级，超高速度、超强的并行性、超高带宽，所以可以传输更多信息。在集成电路上实现对发达国家的反超非常难，但是在集成光路上的差距相对较小。未来还有光子芯片，集成光路。在产业化方面，全球还处于起步孕育期，产业生态尚未形成，有可能为“后摩尔时代”提供巨大空间。

此外还有生物芯片，主要是生物电子芯片和生物分析芯片。前者用于生物计算机等生物电子产品的制造，目前在技术和应用上很不成熟；后者用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。光子芯片和生物芯片表明，如同前述动力机的工质，芯片业的发展，也需要考虑控制学习机的“工质”。

二十四岁MIT华裔科学家朱家迪领军在原子级晶体管研究上实现突破，引发芯片革命。采用气象沉淀逐层堆叠的生产工艺，不用光刻机就能生产一纳米甚至以下制成的芯片，将使计算机的大小和功耗都变得只有目前的千分之一。

更深远的改变是量子计算机和量子芯片。传统芯片基于硅打造，而量子芯片的工质不同，量子线路集成在碳基材料上实现信息处理和运算，工作原理大为不同，速度大增，制造过程也不需要光刻机，仅在概念和算法上借鉴原来的理论。

芯片所涉及的材料，不仅是硅片，而且还要有靶材、CMP抛光材料、光刻胶、湿电子化学品、电子特种气体，以及封装材料等，一个也不能少。半导体塑封材料，光刻胶，中国只能做中低端产品，高端的关键材料只有日本有。在日韩外交冲突中，亦可见光刻胶等材料的身影。

芯片的漏电、功耗和散热等问题关系到能量。研究人员预测每平方厘米 IC 产生的热量会达到核反应堆堆芯的热量。单一机器学习模型训练所产生的碳排放，相当于普通汽车寿命期内碳排放量的5倍。碳基器件相比传统硅基器件具有能耗优势，光子芯片的功耗只有电的千分之一。量子芯片同样功耗大降。

王阳元院士认为，今后集成电路的技术进步节点将不再唯一的以特征尺寸为标尺，而以提高系统的性能/功耗比为切入点，降低功耗成为重要指标。神经形态计算方案从生物大脑中汲取灵感来创建节能设计。虽然这些芯片在节能方面可以超过数字计算机，但它们缺乏运行大型深度神经网络所需的计算能力。制造这样的设备也很困难，因为目前的内存形式与处理器中的技术不兼容。

哈佛大学天体物理学家蔡森认为：诱发整个宇宙变迁的关键是能量，能量（借人之手）倾向于选择更善于利用密集能量的系统（芯片），并同时引发其他系统的灭亡；其遵从的规律，大致是广为人知的达尔文主义自然选择，而生物大脑的能率密度值稳居最高位。尽管从绝对数量上看，人类及人类社会的能量值远低于宇宙星系，但前者的能率密度却高出恒星和星系100 多万倍。

有必要进一步考察信息与其载体的关系。信息具有渗透性和共享性。渗透性意为，可以从任何事物中提取信息，或者反过来将信息输入到任何事物中去组织其物质和能量。共享性指不同的事物可以接受同种信息。

信息的渗透性与共享性意味着信息对于载体的超越。然而不能否认材料作为载体的基础地位。

信息时代的主角是信息，同时也对能源和材料提出更高要求：材料、能源、信息三合一，合于芯片。如果只见信息、互联网，不见或不重视能源和材料，那么信息和互联网只是“砂器”，一旦在能源和材料方面有风吹草动，砂器就会塌陷，信息时代也就成为一句空话。

针对虚拟现实技术和互联网等“软科技”，中科创星创始合伙人米磊提出“硬科技”。站在本文的角度来理解，所谓“硬科技”，其核心即材料技术和能源技术。没有硬科技的支撑，信息技术难为无米之炊。材料技术与能源技术，是人工自然生态的基础。越是底层，向上的涉及（控制）面越广。韩启德强烈主张把“物质科学”放在首位。

硬科技不是为了硬科技自己。材料、能源、信息，前者支撑后者，硬科技支撑软科技，软科技对硬科技提出更高要求。在更大的时空跨度，是为了包括气候在内的生态，不仅是材料和能源硬科技起作用，还需要软科技，需要信息技术。硬科技和软科技，两手都要硬。

在芯片的发展过程中存在人与芯片的双向选择，摩尔定律描述了一段时期内这种双向选择的路径。为了能存储更多的信息，运行更复杂的软件，一部分人，摩尔、安迪、比尔、乔布斯、张忠谋，现在的明星是黄仁勋，以及他们公司，将其本质力量对象化于芯片之中。更多人则在使用中接受芯片和软件运行所蕴含的内化过程。双向选择，既在供给侧，也在需求侧。在更广的视野，实际上是人类与人工自然的双向选择。

人类只有一个地球，但可能在不同时期会有一个或多个互相竞争的“人类学的自然界”。芯片是国民经济现在和看得见的未来所有产业0-1-100共同之“1”；是人类“本质力量”合作的舞台。集材料、能量和信息于一身，融科技、经济和制度为一体的芯片——之间的关系还将一再更迭——也将是未来“奇点人”的“细胞”的雏形。