未来的自组装计算机芯片
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0:01 - 0:05过去,计算机和房间一样庞大。
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0:05 - 0:06但是如今你可以把计算机揣进兜里,
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0:06 - 0:08戴在手腕上,
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0:08 - 0:11甚至是嵌入身体中。
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0:11 - 0:12多棒啊!
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0:13 - 0:17这些都得益于晶体管的微型化,
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0:17 - 0:20晶体管是电路中的小开关,
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0:20 - 0:21位于计算机的核心区域。
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0:22 - 0:25晶体管经过数十年的研发、
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0:25 - 0:28科学工程上的突破
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0:28 - 0:31和数十亿美元的投入之后取得成功。
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0:31 - 0:34它赋予了我们强大的计算能力、
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0:34 - 0:36海量的记忆功能
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0:36 - 0:41以及我们共同经历的数字革命。
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0:42 - 0:44但是坏消息是,
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0:44 - 0:48随着晶体管小型化的速率不断下降,
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0:48 - 0:52我们即将迎来数字化的瓶颈。
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0:52 - 0:55与此同时,
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0:55 - 0:59我们在软件方面不断创新,
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0:59 - 1:03人工智能和大数据蓬勃发展。
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1:03 - 1:08我们的设备可以进行
面部识别以及现实增强, -
1:08 - 1:12可以在危险、混乱的道路上
进行无人驾驶。 -
1:13 - 1:14简直不可思议!
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1:15 - 1:19但如果我们跟不上软件发展的速度,
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1:19 - 1:23就可能会达到科技发展的瓶颈,
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1:23 - 1:27软件发展会受到限制,
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1:27 - 1:29来自硬件发展的限制。
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1:29 - 1:34我们都经历过
在不断增多的软件更新 -
1:34 - 1:37和新功能的重压下,
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1:37 - 1:41老版智能手机和平板带来的失望感,
加载缓慢甚至是停滞卡顿。 -
1:41 - 1:44我们刚买这些设备的时候,
它们运转得还不错。 -
1:44 - 1:46但是随着软件的更新,
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1:46 - 1:50硬件渐渐跟不上了。
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1:52 - 1:55半导体行业已经意识到了这一点,
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1:55 - 1:59并且致力于摆脱这一困境。
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1:59 - 2:04比如说超越晶体管到量子计算,
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2:04 - 2:08或者在替代架构中使用晶体管,
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2:08 - 2:10比如在神经网络中,
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2:10 - 2:13创造出更坚固有效的电路。
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2:13 - 2:17但是这些方法都很耗时,
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2:17 - 2:21我们正在寻找解决这个问题的捷径。
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2:23 - 2:28晶体管小型化速率下降,
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2:28 - 2:32是由制造过程日益复杂导致的。
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2:33 - 2:36过去,晶体管是
很大、很笨重的设备, -
2:36 - 2:40直到基于纯晶硅片的
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2:40 - 2:42集成电路的问世,
晶体管才不断变小。 -
2:43 - 2:46在持续五十年的发展后,
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2:46 - 2:49如今我们可以使晶体管的特性尺寸
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2:49 - 2:52达到10纳米以下。
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2:52 - 2:55你可以把超过十亿个的晶体管
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2:55 - 2:58放在一个一平方毫米的硅片中。
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2:58 - 3:00为了更形象地描述这一点,
我将提供一些数据: -
3:00 - 3:04人的头发直径是100微米。
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3:04 - 3:07一个肉眼几乎看不见的血红细胞,
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3:07 - 3:08直径是8微米。
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3:08 - 3:12头发的宽度几乎是血红细胞的12倍。
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3:12 - 3:16但是相比之下,晶体管更小,
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3:16 - 3:19直径远小于1微米。
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3:19 - 3:23晶体管的宽度,
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3:23 - 3:25是一个血红细胞的260分之一,
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3:25 - 3:29是一个头发丝宽度的三千分之一。
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3:29 - 3:34这个不可思议的纳米科技
现在就被你揣在兜里。 -
3:35 - 3:37除了显而易见的好处,
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3:37 - 3:41即我们可以放置更多、
更小的晶体管在芯片中, -
3:42 - 3:45更小的晶片还意味着更快的转换速度,
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3:46 - 3:51也意味着更高的转换效率。
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3:51 - 3:53这个结合赋予我们
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3:53 - 3:57更低成本、更高性能
和更高效率的电子设备, -
3:57 - 3:59在今天为我们带来了极大的方便。
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4:02 - 4:05生产这些集成电路,
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4:05 - 4:08需要我们将晶体管
在一个纯晶硅片上 -
4:08 - 4:11一层层地叠加起来。
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4:11 - 4:14简言之,
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4:14 - 4:18电路的每一个微小特征
都被投射在 -
4:18 - 4:20硅片表面,
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4:20 - 4:24被记录在光敏材料上,
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4:24 - 4:27然后被蚀刻在光敏材料上,
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4:27 - 4:30将图样留在底层。
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4:31 - 4:35多年来,这一过程
得到了极大的改进, -
4:35 - 4:37从而赋予了电子设备今日的表现。
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4:38 - 4:42但是随着晶体管越变越小,
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4:42 - 4:45我们迎来了制造技术的
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4:45 - 4:47物理极限。
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4:49 - 4:52最新制造底样的系统
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4:52 - 4:54变得十分复杂,
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4:54 - 4:59导致每件设备的成本
高达1亿多美金。 -
4:59 - 5:03而每家半导体工厂
都需要采购大量的这些设备。 -
5:03 - 5:07于是人们开始正视这个问题:
这个方法是长期可行的吗? -
5:08 - 5:12但是我们相信我们可以
对芯片制造方法做出改变, -
5:12 - 5:16用一种全新的、更划算的方式,
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5:17 - 5:21使用分子工程和模拟自然的方法,
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5:21 - 5:25在我们晶体管的纳米维度上。
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5:25 - 5:30如我所说,传统制造方法将
电路的每一个微小特征 -
5:30 - 5:32都投射到了晶片上。
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5:33 - 5:36但是如果你关注
一个集成电路的结构、 -
5:36 - 5:38晶体管的排列,
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5:38 - 5:41你会发现这些微小特征
被重复了数百万次。 -
5:41 - 5:44这是一种高度周期性的结构。
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5:44 - 5:47所以我们想在我们的替代生产技术中
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5:47 - 5:50利用这种周期性。
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5:50 - 5:54我们想使用自组装材料,
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5:54 - 5:57自然地组建周期性结构
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5:57 - 5:59来构建晶体管。
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6:00 - 6:02我们用材料进行试验,
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6:02 - 6:06让这些材料完成
精细图案的制作工作, -
6:06 - 6:11而不是试图在投射技术上寻找突破。
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6:12 - 6:16自组装原理在大自然中随处可见,
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6:16 - 6:19从脂质膜到细胞结构,
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6:19 - 6:22所以我们认为
这将会是有效的解决方法。 -
6:22 - 6:26如果该方法可以应用于大自然,
同理可用于芯片产业。 -
6:27 - 6:31所以这一切就顺其自然了,
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6:31 - 6:35将稳固的自组装方法
应用到半导体的生产中去。 -
6:37 - 6:40一种自组装材料——
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6:40 - 6:43名为嵌段共聚物——
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6:43 - 6:47由两条长度只有
几十纳米的聚合物链组成, -
6:47 - 6:49但是这些聚合物链彼此排斥。
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6:49 - 6:51它们彼此排斥,
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6:51 - 6:55就像水油不相溶,
就像我青春期的儿女。 -
6:55 - 6:56(笑声)
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6:56 - 6:59但是我们强制使它们结合在一起,
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6:59 - 7:02在系统中创造一种嵌入式窘组,
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7:02 - 7:04即便它们想要相互分离。
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7:05 - 7:08一块巨型材料,
包含着数十亿个这样的聚合物链, -
7:08 - 7:11相似的化合物会粘结在一起,
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7:11 - 7:14同时互斥的化合物则会
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7:14 - 7:15相互分离。
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7:15 - 7:19这是嵌入式的窘组,
一种系统的张力。 -
7:19 - 7:23所以这些化合物四处移动,
蠕动直到形成一个形状。 -
7:24 - 7:28天然的自组装形状是纳米级的,
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7:28 - 7:32它有规律和周期性,还很长。
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7:32 - 7:36这就是我们在晶体管排列中所需要的。
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7:37 - 7:40所以我们可以应用分子工程
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7:40 - 7:43来设计不同尺寸的不同形状,
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7:43 - 7:45以及不同周期性的不同形状。
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7:45 - 7:48比如说,如果我们
选用一种对称分子, -
7:48 - 7:51它的两条聚合物链长度相似,
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7:51 - 7:54则自然的自组装结构就会是
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7:54 - 7:56长的曲线形,
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7:56 - 7:58像指纹一样。
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7:59 - 8:01指纹线的宽度
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8:01 - 8:03和其间的距离,
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8:03 - 8:07不仅取决于聚合物链的长度,
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8:07 - 8:11还取决于系统内嵌窘组的级别。
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8:11 - 8:14我们还可以创造更复杂的结构。
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8:15 - 8:18如果我们使用非对称分子,
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8:19 - 8:23其中一条聚合物链显著短于另一条。
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8:24 - 8:26这种情况下的自组装结构是这样的:
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8:26 - 8:30短链在中间形成一个牢固的圆球,
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8:30 - 8:34被包围在更长的、
相互排斥的聚合物链中, -
8:34 - 8:36形成一个自然的圆柱体。
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8:37 - 8:39这个圆柱体的尺寸
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8:39 - 8:43以及圆柱体之间的距离、周期性,
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8:43 - 8:46取决于我们选用的聚合物链的长度,
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8:46 - 8:49以及内嵌窘组的水平。
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8:50 - 8:54换言之,我们在利用分子工程
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8:54 - 8:57获得自组装的纳米结构。
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8:57 - 9:02这些结构可以是线形的、圆柱形的,
同时也符合我们设计的周期性。 -
9:02 - 9:06我们在使用化学、化学工程
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9:06 - 9:10来制造我们晶体管
所需的纳米级特征。 -
9:14 - 9:18但是自组装这些结构的能力
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9:18 - 9:20只解决了一半的问题,
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9:20 - 9:23因为我们还需要排列这些结构,
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9:23 - 9:27使得晶体管们可以形成集成电路。
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9:27 - 9:30但是这些东西相对更简单,
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9:30 - 9:37使用宽导向结构来固定自组装结构,
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9:37 - 9:39将它们锚定到位,
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9:39 - 9:42使剩余的自组装结构
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9:42 - 9:43可以平行排列,
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9:43 - 9:46从而与我们的导向结构保持一致。
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9:47 - 9:51比如,如果我们想制作一个
精细的、40纳米长的线形, -
9:51 - 9:55这对传统的投射技术
而言是非常困难的, -
9:56 - 10:01我们可以先制作
一个120纳米的导向结构, -
10:01 - 10:04使用普通的投射技术,
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10:04 - 10:10这个结构将把
3个40纳米长的线形排列在一起。 -
10:10 - 10:15所以这些材料在进行
最困难的精细复写。 -
10:16 - 10:20我们称这种方法为:
直接自组装法。 -
10:22 - 10:24这种方法的挑战在于,
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10:24 - 10:29整个系统都需要完美地排列,
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10:29 - 10:34因为结构中任何微小的缺陷
都会导致晶体管的失效。 -
10:34 - 10:37因为我们电路中存在数十亿个晶体管,
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10:37 - 10:40我们需要一个无比精细完美的系统。
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10:41 - 10:43但我们需要付出非凡的努力,
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10:43 - 10:44来达到这一目标。
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10:44 - 10:47从我们的化学清洁
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10:47 - 10:50到在半导体工厂中的
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10:50 - 10:51这些材料的精细处理
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10:51 - 10:56从而消除纳米级别的最小失误。
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10:57 - 11:02所以直接自组装法是一种
全新的,令人激动的颠覆性技术。 -
11:02 - 11:05但是它还在发展阶段。
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11:06 - 11:09但是我们有信心在未来的几年里,
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11:09 - 11:11在半导体行业中
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11:11 - 11:14引入这种全新的
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11:14 - 11:16变革型制造方法,
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11:17 - 11:20如果我们成功了,
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11:20 - 11:22我们将能够继续进行
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11:22 - 11:25低成本的晶体管小型化、
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11:25 - 11:29计算能力的快速发展
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11:29 - 11:31以及数字的变革。
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11:31 - 11:34除此之外,这是将会是
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11:34 - 11:36分子制造新纪元的曙光。
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11:36 - 11:38听上去相当不错吧!
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11:39 - 11:40谢谢。
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11:40 - 11:44(掌声)
- Title:
- 未来的自组装计算机芯片
- Speaker:
- 卡尔·斯乔尼曼
- Description:
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你口袋里为手机供电的晶体管小的令人难以想象:它们的大小约为头发宽度的三千分之一。但是为了跟上面部识别和增强现实等领域的创新,我们需要将更强大的计算能力囊括到我们的计算机芯片中——而现有芯片的空间远远不够。在这个富有前瞻性的演讲中,技术开发人员卡尔·斯乔尼曼介绍了一种全新的芯片制造方法。斯乔尼曼认为,“这可能是分子制造业新纪元的曙光。”
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 11:57
Yolanda Zhang approved Chinese, Simplified subtitles for The self-assembling computer chips of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The self-assembling computer chips of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The self-assembling computer chips of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The self-assembling computer chips of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The self-assembling computer chips of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The self-assembling computer chips of the future | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for The self-assembling computer chips of the future | ||
Lipeng Chen accepted Chinese, Simplified subtitles for The self-assembling computer chips of the future |