除了1nm晶体管，2016还有啥给力技术突破

技术进步永远是科技行业向前行驶的最大推动力量，现代生活之所以能够更舒适、更便捷、更智能，追本溯源都是科学技术进步造就的，只有不断的进行科学探索研究，我们才能朝着更为智能且文明的方向前进。

在2016年，电子行业出现了打破物理极限的1nm晶体管、柔性塑料存储芯片、不用半导体将电路导电率提升10倍等一系列让人赞叹不已的技术突破，为科技前行贡献出最为耀眼的力量。小编为各位读者总结了其中十项最具“黑科技”气质的技术突破，以供大家了解最前沿的科技趋势。

利用DNA分子造出全球最小二极管

4月初，佐治亚大学和以色列内盖夫本-古里安大学的研究人员利用DNA分子制造出了新型二极管。这被认为是全球尺寸最小的二极管。研究人员表示，这将促进DNA元件的开发，推动分子电子学的发展。二极管的功能是实现电流的单向流动。40多年前，科学家提出，可以将二极管和其他电子元器件小型化，缩小至单个分子大小。这促成了分子电子学的诞生，而分子电子学的研究成果有望推动计算机技术突破传统硅器件的限制。

在这项研究中，科学家利用DNA分子去制造二极管。基因科学的突破使精确设计DNA成为了可能，并使DNA成为了分子电子学研究中的最佳原材料。

DNA的双螺旋结构由被称作碱基对的分子构成。这一新型二极管的长度只有11个碱基对。通常情况下，每个DNA碱基对的长度约为0.34纳米。

DNA本身并不能发挥二极管的功能。不过，当研究人员向DNA内部某个位置插入2个小的Coralyne分子，并向其施加1.1伏电压时，可以发现通过该DNA二极管的电流在某一方向上要比另一方向强15倍。

科学家表示，这一DNA二极管可以进一步优化，从而开发出可提供实际功能的分子器件。

人机交互新突破：手臂变成触摸板

5月份，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）开发出创新的穿戴式技术，能够让智能手表使用者的整个下臂变成触摸板，可望成为连接至智能手表的微型接口解决方案。

这种名为SkinTrack的技术是由该校人机互动研究所（HCII）的未来接口小组所开发的，该系统可在手与手臂上实现连续触控，还能侦测皮肤上非连续位置的触控，实现类似于按键或滑杆控制的功能。

过去“以皮肤作为屏幕”（skin to screen）的途径利用软性迭层、互动电子织物以及投影机/相机的组合，在使用上十分不方便。相形之下，透过创新的SkinTrack技术，使用者只需配戴一款特殊的“魔戒”，就能在手指接触或接近皮肤表面时，经由皮肤传送低功率、高频率的信号。

“SkinTrack技术最棒之处于它在外观上并不突兀；手表和戒指都是人们每天都会配戴的装饰配件，”HCII博士研究生Yang Zhang表示。

“智能手表以及其它数字装饰品的一个主要问题是屏幕都太小了，”HCII博士研究生兼该研究的研究人员Gierad Laput指出，“不仅互动区域小，甚至在使用时，手指实际上也阻碍了部份的屏幕。它提供的输入功能都很基本，并受限于几个按键或一些指向性的扫描。”

“SkinTrack则将互动接口从屏幕移至手臂，带来了更大的接口，”HCII助理教授Chris Harrison表示。用户配载的指环可产生高频的电信号，当手指接近或接触到皮肤时，这种电信号就能经由皮肤进行传送。

藉由使用整合于手表表带中的电极，就能精确地找到这些电磁波的来源，因为波形的相位各不相同。例如，手表上对应于12点钟和6点钟位置的电极，能够侦测出决定手指位置与手臂宽度的相位差；而3点钟和9点钟位置的电极则决定了手指的位置以及手臂的长度。

研究人员发现，他们能以99%的准确度确定手指何时接触皮肤，也能以7.6mm的平均误差解析接触的位置。这可媲美其他指纹追踪系统能实现的触控屏幕般准确度。

研究人员发现，SkinTrack技术可用于游戏控制器、卷动智能手表上的选单、放大或缩小屏幕上的地图以及画图等。这种触摸板还可延伸至许多应用，例如让 用户以手背作为屏幕数字键盘的拨接画面；手指悬停在手上时则作为光标，突显出屏幕上的数字以利于锁定触控点。

不过，该系统也存在一些限制。例如如何为指充电就是一大挑战。此外，由于流汗与水合等因素以及身体持续地运动，也可能使装置在经过长时间的配戴后，信号出现衰减或变化。

硅基导模量子集成光学芯片研制成功

7月份，中国科技大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室任希锋研究组与浙江大学戴道锌教授合作，首次研制成功硅基导膜量子集成芯片，他们在硅光子集成芯片上利用硅纳米光波导中不同的能量传输模式，作为量子信息编码的新维度，实现了单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等不同自由度之间的相干转换，其干涉可见度均超过90%，为集成量子光学芯片上光子多个自由度的操纵和转换提供了重要实验依据。

与自由空间光学、光纤光学相比，集成光学的器件及系统具有尺寸小、可扩展、功耗低、稳定性高等诸多优点。在以往集成量子光学芯片研究中，通常采用偏振自由度或路径自由度，即利用不同偏振或不同路径来实现量子信息编码。其中，偏振编码仅能实现二维量子信息过程，无法实现高维编码，因而在信息容量和安全性方面存在明显不足；路径编码虽然可实现高维量子信息过程，但为了防止不同路径信息之间的串扰，其路径间距通常较大，极大地制约了量子光学芯片集成度的提升和功能扩展。

任希锋研究组与合作者首次提出采用宽波导中的多个本征波导模式作为编码量子信息的新自由度，利用一条支持多个波导模式的多模波导，有望实现量子信息高维编码。特别是这些模式在传输时不会相互干扰，有效避免了信息串扰问题。与此同时，还可以在量子信息过程中同时利用光子的多个自由度，从而显著提升信息容量。他们利用新型硅基片上波导模式转化器和波导模式复用器，成功实现了偏振、路径和波导模式自由度之间的任意相干转换，为实现集成量子光学芯片中高维量子信息过程奠定了重要基础。

首个塑料柔性磁存储芯片问世

7月份，一个国际团队研发出一种新奇技术，他们将高性能磁性存储芯片移植到一块柔性塑料表面，且无损其性能，得到的透明薄膜状柔性“智能塑料”芯片有优异的数据存储和处理能力，有望成为柔性轻质设备设计和研制的关键元件。据报道，在最新研究中，科学家首先将氧化镁基磁性隧道结（MTJ）种植在一个硅表面，接着蚀刻掉下面的硅，随后使用一种转印方法，在一个由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的柔性塑料表面，植入了一个磁性存储芯片。

新设备在磁阻式随机存取存储器（MRAM）上的操作表明，MRAM的性能在很多方面强于传统随机存取存储器计算机芯片，比如，处理速度更高、能耗更低、可在断电后存储数据等。

柔性电子设备尤以柔性磁存储设备最吸睛，因为它们是可穿戴电子和生物医学设备进行数据存储和处理的关键部件。尽管科学家已在不同存储芯片和材料上进行了多项研究，但在柔性基座上构造高性能存储芯片而无损其性能仍面临巨大挑战。为此，新加坡国立大学副教授杨贤秀（音译）领导韩国延世大学、比利时根特大学、新加坡材料研究和工程研究所的科学家研发出了这种新技术。

杨贤秀表示：“我们是首个在柔性表面构造磁性存储器的团队。实验证明，新设备的隧道磁电阻能达到300%，同时，我们也设法提升了对开关的控制能力，从而使这一柔性磁芯片能更快地传输数据。”

该团队在美国和韩国为这项技术申请了专利，他们正在进一步提升该设备的磁阻，并计划将其应用于其他电子设备。

室温下印刷柔性电子器件取得新突破

香港理工大学郑子剑研究团队在室温印刷柔性电子器件方面取得突破：他们设计了一种对紫外光敏感且可金属化的聚合物油墨，并借助团队开发的聚合物辅助无电沉积技术，实现了柔性太阳能电池、计算器、化学传感器以及薄膜型晶体管制备。聚合物油墨廉价、制备简单、稳定性好且可实现公斤级制备，同时其化学修饰过程可控性强，可在空气环境下进行，因而可被广泛用于工业化器件制造。该过程避免了高温处理过程对器件带来的潜在危害，解决了金属与柔性基底间的界面问题，提高了器件的柔性性能并大大降低了器件制造成本。

在保持传统热蒸镀器件优良性能的同时，利用该类方法所获的器件表现出优良的柔性性能。该聚合物油墨适用范围广，可实现所有以有机材料作为基底的柔性金属电极制备，且能够用于软光刻成型（soft lithography moldin）、丝网印刷（screen printing）和喷墨打印（inkjet-printing）等图案化过程，实现从微米级到毫米级分辨率图案和器件制备。

考虑到当今集成电路多以电阻器和晶体管组成，因而该方法为低温高通量印制柔性器件提供了新思路，具有一定的理论与现实意义。

结合高效低成本的制造工艺，柔性电子器件在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景，如柔性显示器、电子皮肤、印刷电子标签、柔性薄膜太阳能电池等。应用了柔性电子的智能硬件不断发展，从平板型、曲面型逐渐向可弯曲、可卷曲方向发展，产生了全新的形态和功能。柔性系统可大幅度减少智能硬件成本和体积，增强新能力和改善现有能力，使得智能硬件和物理世界实现前所未有的深度融合。

据国外的数据估计，在2015年柔性电子全球市场值260亿美元，预计到2024年可以达到690亿美元。从这个预测的数据可以说明柔性电子市场的增长潜力很大。

真·无线充电 距离5米隔空充电

无线充电眼下已经成为智能穿戴设备和手机的能源解决方案主流方向，但目前绝大多数无线充电方案只是省略了充电线，但设备仍必须放在特定的充电坞上进行充电。

TechNovator公司最新一代无线充电技术将这种充电方式应有的便捷性发挥到最大，因为用户可以在一定空间里自由行走，边走边充电，完全摆脱了线缆和充电坞的束缚。

新设备名为TechNovator XE，起看上去就是一个不起眼的立方体，但可以在半径5米的空间里部署电场，来为设备充电，只是充电速度有点慢，而且无法穿墙。

值得一提的是，使用TechNovator XE来进行无线充电的设备需要安装一个配套的接收器，该接收器负责将电场中的能量转化为电流输入到手机等设备当中。

接下来，TechNovator公司将继续加大投入，目的是进一步提升这种无线充电设备的功率，使其能够更加符合家庭使用要求。

无线充电是指运用无线电能传输技术，以磁场传送能量，从而不需要使用电线连接，摆脱了线缆对用户使用体验的束缚。

无线充电技术具有方便、安全、空间利用率高等特点，能够解决智能手机续航时间短以及电动汽车充电桩短缺的问题，因此是未来充电技术升级的必然方向。

十年前，当无线网路刚推出的时候，大家还是喜欢有线，因为传输速度快，连线品质也相当好。不过现在大家已经不能没有无线网路，而无线充电就好比10年前的无线网路，还有一段路要走，但已经渐渐地见到光明，相信2017年将会是一个爆发性成长的一年，无线充电的商机将无可限量。

首个打破物理极限的1nm晶体管诞生10月7日对于普通人来说可能没有什么意义，但对于计算机技术界来说绝对是一个值得纪念的日子。据外媒报道，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限，将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm。

晶体管的制程大小一直是计算技术进步的硬指标。晶体管越小，同样体积的芯片上就能集成更多，这样一来处理器的性能和功耗都能会获得巨大进步。多年以来，技术的发展都在遵循摩尔定律，即当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。眼下，我们使用的主流芯片制程为14nm，而明年，整个业界就将开始向10nm制程发展。

不过放眼未来，摩尔定律开始有些失灵了，因为从芯片的制造来看，7nm就是物理极限。一旦晶体管大小低于这一数字，它们在物理形态上就会非常集中，以至于产生量子隧穿效应，为芯片制造带来巨大挑战。因此，业界普遍认为，想解决这一问题就必须突破现有的逻辑门电路设计，让电子能持续在各个逻辑门之间穿梭。

此前，英特尔等芯片巨头表示它们将寻找能替代硅的新原料来制作7nm晶体管，现在劳伦斯伯克利国家实验室走在了前面，它们的1nm晶体管由纳米碳管和二硫化钼（MoS2）制作而成。MoS2将担起原本半导体的职责，而纳米碳管则负责控制逻辑门中电子的流向。不过这一研究还停留在初级阶段，毕竟在14nm的制程下，一个模具上就有超过10亿个晶体管，而要将晶体管缩小到1nm，大规模量产的困难有些过于巨大。不过，这一研究依然具有非常重要的指导意义，新材料的发现未来将大大提升电脑的计算能力。

不用半导体将电路导电率提升10倍

众所周知，半导体材料能够在一定的电气条件下实现导通和绝缘状态的灵活转换。凭借这项独有的“技能”，以半导体二极管为基础单元的大规模集成电路、超大规模集成电路在近代成为了推动人类文明不断向前发展的源动力。

然而事无绝对，半导体材料在具备诸多优点的同时，也有一些缺陷。其中最关键的一点就是：由于半导体与生俱来的绝缘属性，在其内部存在的“能带隙”（Band Gap）本身会在一定程度上阻碍电子的定向运动。同时，电子在运动时无法避免的会与材料中的原子发生碰撞，这也会损失相当一部分的导电性。

基于这一点，来自美国加州大学的科学家们从1906年发明的真空二极管中汲取灵感，发明了一种让电子在真空/空气中定向运动的技术，未来或对半导体行业产生颠覆性的影响。

要实现电子在真空/空气中的自由运动，首先就要把电子从原材料中释放出来。传统情况下，要将电子从材料中释放出来，需要施加至少100V以上的高压电，或者在摄氏500度以上高温条件下利用化学反应催化，将电子强行从材料中“拽”出来，不但过程难以控制，而且费时费力。

美国加州大学的科学家们另辟蹊径，利用金属纳米管材料（这里使用的是黄金）制成了一种谐振表面，这种材料的微结构如下图所示。

每一个形似小蘑菇的微单元都由三层材料组成，最下层的是硅基板，第二层是二氧化硅隔离层，再往上是金属纳米管。之所以特意排列成这种特殊的形状（蘑菇型，还一排一排的），目的就是避免大功率的消耗或者高温高压，只需要在10V以下的低压直流条件下，向谐振表面照射一定频率的低功率红外激光，就能触发金属谐振，轻易地将电子释放出来。

待电子被释放到真空/空气中之后，在图中Flat port和Suspended port极板之间施以大小不同的电压（或者利用磁场的电磁感应原理），就能操控电子在真空/空气中产生定向移动。

测试结果表明，这种结构使得电路中的导电率提升了10倍，加州大学的科学家表示：“这足以实现开关状态，即作为光学电闸替代一部分传统的半导体二极管。”

当然，目前这一研究尚处初级阶段，距离真正的实用化和商业化还为时尚早。但这种利用谐振来激发电子，并控制其在真空/空气中运动来减小阻力的方式，无疑为半导体行业未来的发展提供了一个非常具有价值的研究方向。

成功研制新型生物医疗电化学检测芯片

11月29日，从扬州大学科技处获悉，该校化学化工学院成功研制一种新型生物电化学检测芯片，其核心是一款基于聚合物自组装膜制备的生物电化学传感器，它将使癌细胞的检测变得如同血糖仪检查一样简单，为癌症的提早预防提供可能。

目前，国内各大医院常用的体液检测手段是免疫固定电泳法，其检测成本高、设备要求严、检测时间长，让大量的患者失去了治疗疾病的黄金时期。“我们科研团队以患者发病早期血液中会分泌出极其微量的单克隆球蛋白及游离轻链为契机，将识别此蛋白的抗体嫁接于电极表面的高分子微孔膜基体，通过二者的专一识别性，在电化学工作站的帮助下，放大成化学信号，成功实现在发病初期检查癌细胞的功能。”该项目负责人王天奕说。

此技术在江苏省苏北人民医院进行临床试验，从样品采集到注入、检测和医疗分析等整个过程，仅仅耗时10分钟，且成本低、精确性好。该项技术与医院常使用的免疫固定电泳法相比，检测灵敏性提高了500倍。不仅如此，该项技术配套的检测设备成本仅8万元，降低了检测准入，可在中小城市及偏远地区得到广泛利用。

据了解，作为一种新型生物传感器使用平台，此技术可以运用到更广阔的技术领域，如白血病、尿毒症、淋巴癌、肝癌等重症的提早诊断，甚至在环境监测、军用探测领域取得更长远的发展。该团队已经发展出三代生物监测芯片，检测精度不断提升，成本也大幅下降，为工业化生产提供保证。

华为石墨烯基锂离子电池技术出现重大突破

12月1日，华为中央研究院瓦特实验室在第57届日本电池大会上宣布在锂离子电池领域实现重大研究突破，推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。实验结果显示，以石墨烯为基础的新型耐高温技术可以将锂离子电池上限使用温度提高10℃，使用寿命是普通锂离子电池的2倍。

华为瓦特实验室首席科学家李阳兴博士指出，石墨烯基高温锂离子电池技术突破主要来自三个方面：在电解液中加入特殊添加剂，除去痕量水，避免电解液的高温分解；电池正极选用改性的大单晶三元材料，提高材料的热稳定性；同时，采用新型材料石墨烯，可实现锂离子电池与环境间的高效散热。

“高温环境下的充放电测试表明，同等工作参数下，该石墨烯基高温锂离子电池的温升比普通锂离子电池降低5℃；60°C高温循环2000次，容量保持率仍超过70%；60℃高温存储200天，容量损失小于13%”， 李阳兴博士表示。

据了解，华为石墨烯基锂离子电池主要适用于高温极端环境，其原理是通过在电解液中加入高温抗分解添加剂，配合高温稳定的大单晶正极，大幅提升电池热稳定性，同时采用石墨烯进行高效散热。

华为表示，这一研究成果将给通信基站的储能业务带来革新。在炎热地区使用该高温锂离子电池的外挂基站工作寿命可达4年以上。石墨烯基锂离子电池也将助力电动车在高温环境下持久续航，以及无人机高温发热下的安全飞行。

来源：与非网