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在变化中赶超——浅谈科技发展
日期：2020-05-11 来源：《桥梁》杂志
现在这个世界发展得很快，我们可以从两个领域的变化来印证这件事：一是工程知识的演变，一是半导体技术的发展。
工程知识的演变
在工程知识方面，美国工程院一个由Ernst Smerdon院士领衔的研究显示，工程知识的半衰期是2.5年至7.5年，其中，软件工程大约2.5年，电力工程大约5.0年，机械工程大约7.5 年。那就是说，在2.5年到7.5年之间，我们的工程知识有一半会变成无用。也等于说，在2.5年至7.5年之间，现有的工程知识有一半会被创新淘汰了。这是听起来相当可怕的事情。而且，这是2008年的统计，今天的工程知识的半衰期应该更短！
我自己写软件的经历也是如此；写软件是利用一种电脑能明白的语言，告诉它你要它干什么。我1961年开始学习写软件，那时只有机器语言，但是用机器语言编写，实在太麻烦，所以基本没有用过。之后1961年底，大学里我们结构工程系买了一部National--Elliott 的电脑，用的语言是Autocode，应该算是汇编语言吧，每一个指令只能做一个简单的计算。例如 A=B+C+D就要用两个指令来完成：A=B+C; 然后 A=A+D。不过，对一些需要不断重复的计算，写一个软件还是划得来的。那是我正式开始写软件。1962年中，我们系那部电脑增加了ALGOL语言，那是欧洲几个国家联合开发的，很先进。我写硕士论文的计算程式是用ALGOL写的。1963年，学校有了一部美国IBM740电脑，用的语言是Fortran II。虽然当时的ALGOL比Fortran II要先进，但是IBM740比我们原有的National Elliott计算速度快得多，所以我的博士论文的计算程序是改用Fortran II 写的。
1965年开始工作后，电脑用的语言一直在改变或优化，经过Fortran IV, Fortran 70, Fortran 75 , Fortran 90, Fortran 95, 还有 Basic, Pascal, C, C+, C++ 等等。从 1962年到1992年的30年中，新的和改良了的计算机语言就有十多种，每一种新的或者改良了的语言出现，就表示原有的软件的一部分应该需要优化，否则就落后了！
对软件工程来说，的确可以说半衰期只有大约2.5年！
这个看起来虽然有点怕人，但我们可以从两个不同的角度看这个事情：消极地看，我们必须不断地快速学习新知识，才能避免被淘汰，这样我们的压力会很大；但积极地看，不管我们多落后，只要我们努力并把握机会，我们有可能在2.5年到7.5年之间，借助一半的工程知识创新之际来超越他人。最好的例子就是华为的5G技术。
华为公司领导人任正非先生在一次访谈中说，华为的5G技术主要是从土耳其Arikan教授的一篇数学论文衍生出来的。当华为发现这篇论文后，立即以数千人的团队，把它发展成可用的5G技术和专利。大家应该记得，在3G时代， 我们落后得很，基本上没有发言权；到4G的时候，我们勉强可以说几句；但是到5G，我们是走在前面了。
另外一个例子是高铁，开始时我们都是买人家的技术，付大量的专利费；如今我们后来居上了。又例如桥梁工程，在设计2013年通车的旧金山海湾大桥东段的时候， 这座385米主跨的自锚式悬索桥是世界纪录。但日前刚完工通车的重庆鹅公岩大桥复线桥的主跨已经达到600米；在中国之外，世界最大跨度的自锚式悬索桥还是旧金山海湾大桥东段的385米。可见Smerdon统计的结论是可信的。
半导体发展的历程和摩尔定律
在半导体的功能还没有被研发的时候，收音机、电脑等电子器械用的是真空管。真空管的体积相当大，而且因为会发热，还必须加上很大的冷却设备，所以从前的电脑都是庞然大物。美国的国防部（Pentagon，或称五角大楼） 号称是目前世界上面积最大的建筑物。我们今天内存512G 的手机，如果是用真空管，大概会比五角大楼还要大。幸而半导体的发展，改变了整个世界。
世上物质依照其导电性能大致可以分成导体、半导体与绝缘体三大类。1833年，英国科学家法拉第最先发现半导体现象。利用固体半导体代替真空管的理念是Julius Lilienfeld 在1926年提出的，但他并没有进一步研究。1939 年贝尔室验室（Bell Lab，当时属于美国AT&T电话公司）的William Shockley 开始研究半导体，终于在1947年和他两位同事Bardeen和Brattain，三个人共同研发出用固体制造的、可以代替真空管的“晶体管”。他们在1956年因此获得了诺贝尔奖。但半导体的实际应用应该是1954年由美国Texas Instrument公司开始的，那就是说，半导体的理念经过了28 年才得到实际应用。
单独的晶体管虽然比真空管小很多，但体积还是太大。把几个晶体管，电容和电阻放在一起，可以省很多位置，这就是集成电路（Integrated Circuit, 简称IC）的理念。1958年，Jack Kilby首先成功制成了集成电路，他因此在2000年获得了诺贝尔物理学奖。据说诺奖的这个决定曾引起争议，原因是诺奖的要求是科学发现，但集成电路是一个技术创新，不是科学发现，不符合诺奖的定义。由此可见,“科学”和“技术”不是同一件事情！后面我还会解释这个问题。
Robert Noyce在1959年成功地把晶体管，电阻和电容器印在一个平板上，可算是今日使用的集成电路的鼻祖。他也取得了集成电路的专利。
前述的肖克利（Sh o c k l e y ） 在1 9 5 5 年离开了贝尔实际室，回家乡圣克拉拉创立了“肖克利半导体实验室”(Shockley Semiconductor Laboratory)，是当时一个十分热门的室验室。招纳了一大批科技人员，其中包括上述的诺斯和大家熟悉的哥顿·摩尔（Gordon Moore）。后来，其中以诺斯和摩尔为首的8位成员一起离开了肖克利实验室， 得到Fairchild先生3600美元投资，创办了“仙童半导体公司”（Fairchild Semiconductor）。当时这8位曾被称为“八叛逆”(The Traitorous Eight)，这位摩尔先生就是后来摩尔定律的提议人。今日用光刻把晶体管 “刻”在硅板上的技术就是仙童公司发明的。仙童公司初期发展十分快速， 但后来由于管理问题，人才纷纷流失，“八叛逆”中的赫尔尼、罗伯茨和克莱尔首先出走，成立了阿内尔科公司。1968年，“八叛逆”中的最后两位，诺依斯和摩尔，与格鲁夫（A. Grove）一起离开仙童公司，创办了世界上最著名的半导体公司“英特尔”（Intel）。
1965年，摩尔在电子学杂志发表了“让集成电路填满更多的组件”的文章，预测在集成电路上的晶体管的数量将每年增长一倍。但在1975年他在另一篇论文中，把他的预言修改为 “每两年增加一倍”。而坊间大家总是把摩尔定律说成是每18个月增长一倍。致使摩尔在1997年9月在一次采访中声明，说他从来没有说过“18个月增加一倍” 的事。但是事实是如何呢？
附图（由马佐平院士提供）是集成电路上晶体管数目的历史数据。显然，在大部分年份，18个月增加一倍的预言不正确，24个月增加一倍的说法比较适当。
最重要的是，在过去50年里，一个集成电路芯片中晶体管数目增长了10多亿倍：现在，苹果的A11处理器晶体管数量是43亿个，华为的麒麟980有69亿个，高通的骁龙1000 有86亿个晶体管！
这些发展让集成电路的价格大大降低了，让计算速度大大增加了，让能耗大大减少了，也让容量大大增加了。马佐平院士做了一个比较，假如汽车工业也能像集成电路一样增长的话，今天每辆汽车应该只要5分钱，每小时可以跑4万千米，每公升汽油可以走4000千米，而每辆车可以容纳400万人！
我在1962年开始写软件的时候，电脑的计算速度大约是每秒钟10万次。在之后的55年里，电脑的计算速度增加了10亿万倍！这种速度的增加实在太惊人了！但许多人认为，因为目前晶体管的尺寸已经减到只有几个硅分子的厚度，在最近的将来，一个芯片里晶体管的数量不可能继续循摩尔定律增加了。而在这个时候，量子计算出现了！
最近，谷歌公司（Google）人工智能实验室负责人赫莫·内文（Hartmut Nerven）发表了一篇报告，表示他们的量子计算器只用了200秒钟的时间完成了一项计算，用目前世界上最快的电子计算机会需要一万年。而且，量子计算将以双指数的速度增长。那就是说，摩尔定律的单指数增长是y=1.5^x，双指数增长就是y=1.5^(1.5^x)。这里x是时间段的次数。
假设x=10: 根据摩尔定律的进展是y=1.5^10=58；根据内文定律的进展会是y=1.5^1.5^10=14,266,233,632；这是摩尔定律的2.5亿倍！
当然，摩尔定律从1963年开始，经过50多年的验证， 基本上已经被确认；而内文定律目前还只能算是一个设想。无论怎么看，如果量子计算能稳定地走出实验室，其计算速度必定是惊人的！目前的量子计算还有很多实际问题要解决，例如温度问题：目前内文的量子计算还必须在接近绝对零度（摄氏零下273度）的低温下进行，这样的要求在实验室外的实际应用环境下可能会有困难。
在量子计算方面，我国的研究也很前卫。我相信我们有机会与美国并驾齐驱！
科技的发展
上述把诺奖发给集成电路的发明者Jack Kilby而引起争议的故事，可以说明科学与技术是不同的事情。把几个晶体管，电容和电阻组合成为一个集成电路应该属于技术的创新，不是诺奖要求的科学发现。我们常常说“科技”， 是科学与技术，这是两样不同的东西。科学和技术之外， 我们还必须发展数学和工程。这也是为什么美国近年要提倡STEM的教育。STEM是Science, Technology, Engineering, Mathematics的第一个字母，也就是科学、技术、工程和数学的缩写。这也说明，美国学者的意见，这四门学术是独立的。
我在“科学与工程”一文中（《桥梁》杂志 2019年6月），曾经谈及科学、数学、工程和技术的关系。它们是各自独立，却又互相交叉影响的。我的意见是：科学的目的是发现大自然的现象；数学是科学家探讨和表达自然现象的工具；工程的目的是建造人类需求的物品；技术是实现工程的工具。
人们常常把数学和科学混在一起，也常常把工程和技术混在一起。我们有必要把它们的定义确认一下：
科学的目的是发现大自然的真相。数学的目的不是发现大自然的真相，数学只是帮助科学家发现大自然的真相。数学所有的定义和方法都是人创造的，不是与宇宙俱来的。科学家需要利用数学来分析和了解大自然，也需要数学来帮助表达大自然的真相。例如物质和能量的关系：E=mc2。这是一个科学发现，但是以数学方式表达。所以， 数学是科学的工具。
欧拉压杆是一个很好的例子：科学家发现了一根只有轴力的压杆会失稳，发生侧向变形。靠实验只能证明这一个现象的存在，却不能准确知道在不同情况下压杆失稳的临界轴力。要计算和解释压杆的失稳，科学家必须借助数学。例如，把一根压杆的变形状态用数学程式表达为：
1/ρ = y"/[1+y'2]3/2= -M/(EI) [1]
其中：ρ是曲率，M是弯矩，EI 是杆的刚度，y'=dy/ dx，y"=d2y/dx2，L是压杆的长度，就可以计算出例如压杆在两端都是简支的情况下临界轴力是
Pcr=π2EI/L2 [2]
或者说，当轴压力等于Pcr时，压杆会开始有侧向变形。当轴力P大于Pcr时，侧向变形会大幅增加。例如，当P/ Pcr=1.05时, 侧向变形δ≈0.20L。
从这个例子可以看出，数学是研究科学必须的工具。没有数学的帮助，科学无从发展。
科学的目的是发现真相，如果轴力P大于Pcr，压杆会发生侧向位移，这侧向位移是多少也是真相的一部份。所以他们必须花很大的功夫根据方程[1]去计算。这是一个十分繁复的计算，需要用上椭圆积分。
工程师和科学家不同，工程的准则是“能不能 ”。极大部分结构不会允许太大的变形，所以，工程师认为， 在方程 [1] 中，[1+y'2] 中的y'2远小于1.0，可以假设 1+y'2≈ 1.0，方程 [1] 就可以简化为结构工程师常用的
y"= -M/(EI) [3]
在实际应用上，方程[3]比方程[1]简单得多了。根据方程[3]，当轴力P=Pcr时，得出压杆的侧向变形可以是0，无限大或者任何数值。这当然不可能是真相，但是这个对结构工程师不重要，重要的是我们必须有足够的安全措施，不让P接近Pcr。从这里大家可以看出科学与工程的区别。
从前科学家研究大自然的方法，是渐进式的实验，一步一步前进。每一步都是根据已经确认了的事实，来寻求未知的事实，最后再用数学或其他分析工具来解释这些事实。据说，爱因斯坦首创一个反方向的研究方法，是先从数学的推论和已知的事实来假定一个现象，然后用实验来证明它的真实性。这种研究方式当时备受争议。他的相对论，虽然是历史上最重要的科学发现之一，但相对论并没有为他取得诺贝尔奖，原因是评审员认为它并没有得到实验证明。虽然爱因斯坦最终也得到一个诺奖，但那与相对论无关。
据说，杨振宁先生的数学造诣十分高深，他也继承了爱因斯坦的研究方法，在科学上有极大的贡献。
《论语·魏灵公》“工欲善其事，必先利其器！”要发展科学，我们必须发展数学；要发展工程，我们必须发展技术。我国很早已经发明了文字；文字是文学的工具， 所以我国的文学很发达。但是，因为科学没有数学作为工具，所以自古以来，我国的科学不发达。可能是因为数学和科学都不是能赚钱的东西。科学的目的是寻找自然的真相，科学的成果并没有商业价值，被称为世界最重要的科学发现之一的爱因斯坦的相对论，并没有人会付钱购买。所以有人说，科学是把财富变成知识，是亏本的事情。工程利用知识来生产人们需要的物品，这个是可以赚钱的事情。但是，没有爱因斯坦的相对论，就不会有核能发电。没有科学的成果，工程也发展不起来。