從KMGTP和mμnpf看技術(shù)的發(fā)展及局限性

這篇文章提出了一個(gè)“技術(shù)自由空間”的概念，并應(yīng)用了一種MmT坐標(biāo)系。

當(dāng)人類實(shí)現(xiàn)了空間或時(shí)間上的某個(gè)宏觀或者微觀尺度，即稱為該尺度下的技術(shù)自由。

“技術(shù)自由空間”，用來(lái)度量人類探索世界的自由度，隨著這個(gè)空間范圍的擴(kuò)大，人類探索世界的自由度也就越大。

技術(shù)自由空間=微觀技術(shù)自由空間+宏觀技術(shù)自由空間

K M G T P

千 兆 吉 太 拍

1999年，我在寫研究生論文，導(dǎo)師給了我一臺(tái)486電腦，500M硬盤，4M內(nèi)存，操作系統(tǒng)安裝的是Windows 95，占用了100多M硬盤空間，剩下的不到400M供其它軟件安裝和文件存儲(chǔ)。而僅僅4M的內(nèi)存空間則提供了所有軟件運(yùn)行的空間。

今天，主流的筆記本電腦硬盤1T(增大了2000倍）內(nèi)存16G（增大了4000倍），操作系統(tǒng)安裝Windows 10，初始需要占用3~4G以上的空間，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，最終需要占用40G以上的空間。

從計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)上來(lái)說(shuō)，1K是指的1024個(gè)單位，為什么用1024呢，因?yàn)樵?進(jìn)制中210即1024，稱為1K，220?為1M，230?為1G，240?為1T，250?為1P。

Kilo Byte（千字節(jié)）=1024 B

Mega Byte（兆字節(jié)）=1024 KB

Giga Byte（吉字節(jié)）=1024 MB

Tera Byte（太字節(jié)）=1024 GB

Peta Byte（拍字節(jié)）=1024 TB

當(dāng)KMGTP作為商業(yè)單位時(shí)（如市面上賣的硬盤標(biāo)的容量）換算關(guān)系則采用了十進(jìn)制，103-1K（千），106-1M（百萬(wàn)），109-1G（十億），1012-1T（萬(wàn)億），1015-1P（千萬(wàn)億）；1 M=1000 K，1 G =1000 M，1 T=1000 G，1 P=1000 T。

2000年之前，G都很少聽到，T更無(wú)人提及，大家更多用到的是M，在中關(guān)村，花1800塊錢買了128M內(nèi)存的朋友也大有人在?，F(xiàn)在，同樣的價(jià)錢買到的內(nèi)存是當(dāng)時(shí)的容量上千倍，更不用說(shuō)性能的巨大提升了，這是摩爾定律帶給我們的好處。

今天，大的硬盤用T作為計(jì)量單位，如今最大的硬盤有上百個(gè)T，假以時(shí)日，硬盤空間超過(guò)1000T，P也會(huì)派上用場(chǎng)。

千兆吉太拍，是往大了說(shuō)。

m μ n?p f

毫 微 納 皮 飛

毫微納皮飛，是往小了說(shuō)。mμnpf，和KMGTP不同，一般都是從十進(jìn)制上進(jìn)行定義，很少有人用二進(jìn)制進(jìn)行描述。

• m(毫)：代表 千分之一，10-3μ(微)：代表 百萬(wàn)分之一，10-6n(納)：代表 十億分之一，10-9p(皮)：代表 萬(wàn)億分之一，10-12f(飛)：代表 千萬(wàn)億分之一，10-15

mμnpf?在空間尺度描述上，用的最多的就是在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域。

1958年，Jack Kilby基爾比制造出地球上第一塊集成電路，包含電阻、電容、二極管和三極管組成的Phase-Shift Oscillator ，成品的尺寸為：0.12ｘ0.4英寸（3.05ｘ10.2mm），這時(shí)候，晶體管的尺度還需要用毫米mm來(lái)度量。

1971年，Intel 4004 內(nèi)含2300個(gè)晶體管，使用 10 μm 制程；

1989年，Intel 486 內(nèi)含120萬(wàn)個(gè)晶體管，使用 1 μm 制程；

2000年，Intel Pentium 4 內(nèi)含4200萬(wàn)個(gè)晶體管，使用 0.18μm 制程；

2019年，Intel i9-9980內(nèi)含約100億個(gè)晶體管，使用 14 nm 制程；

目前，7nm已經(jīng)是成熟工藝，5~3nm也已經(jīng)量產(chǎn)，成功應(yīng)用到產(chǎn)品中......

還能更小嗎？應(yīng)該還是可以的，目前芯片制造的頭部大廠都在努力推進(jìn)1nm技術(shù)，當(dāng)然這只是概念上的推進(jìn)，即從晶體管密度上進(jìn)行等效描述。從目前的工藝技術(shù)上來(lái)講，晶體管的最小結(jié)構(gòu)還無(wú)法做到1nm，因?yàn)?nm的寬度上最多只能容納3個(gè)硅原子。

mμnpf在時(shí)間尺度描述上，則和KMGTP相對(duì)應(yīng)，互為倒數(shù)，頻率為1K的時(shí)鐘，其周期為1m秒；頻率為1M的時(shí)鐘，其周期為1μ秒；頻率為1G的時(shí)鐘，其周期為1n秒；頻率為1T的時(shí)鐘，其周期為1p秒,頻率為1P的時(shí)鐘，其周期為1f秒。飛秒有多短，一飛秒之于一秒，如同一秒之于 3171 萬(wàn)年。飛秒雖然極短，依然可以細(xì)分，其千分之一為阿秒，一阿秒之于一秒，如同一秒之于 317.1 億年，約為宇宙年齡的兩倍多。2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，就和阿秒有關(guān)，該諾獎(jiǎng)研究成果“展示了一種產(chǎn)生阿秒光脈沖的方法，可用于測(cè)量電子移動(dòng)或改變能量的快速過(guò)程?！痹撝Z獎(jiǎng)的重要意義還在于其拓展了人類的“技術(shù)自由空間”。

和日常的關(guān)聯(lián)

千兆吉太拍KMGTP，毫微納皮飛mμnpf，這些抽象的單位和我們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)聯(lián)起來(lái)又會(huì)有什么特別的意義呢？

例如，G（吉）代表10億，到底是多大的概念呢？

如果一個(gè)人的一生可以用秒來(lái)計(jì)算，假如他能活到80-100歲，就是2.5G秒-3.2G秒的時(shí)間。

3G秒的時(shí)間大約是95年，也就是說(shuō)，我們大多數(shù)人是活不過(guò)3G秒的。

T（?太）代表 萬(wàn)億

1G秒大約是32年的時(shí)間，1T秒大約是32000年，人類進(jìn)入“認(rèn)知革命”也就是2T秒之前，也就是說(shuō)2T秒之前，人類才和動(dòng)物真正區(qū)分開來(lái)，躍升為食物鏈頂端的物種。

現(xiàn)在，GDP也可以用到T了，2022年已經(jīng)有17個(gè)國(guó)家GDP過(guò)T，其中美國(guó)是25T，中國(guó)18T，分別占世界GDP總量的25%和18%。

光速（電磁波）是目前已知最快的速度，真空中30萬(wàn)公里/秒，3*108米/秒，如果用納秒度量：0.3米/納秒，用皮秒度量：0.3毫米/皮秒，用飛秒度量：0.3微米/飛秒。

在有機(jī)基板上，傳播速度則要減半：150毫米/納秒，150微米/皮秒，150納米/飛秒。

在陶瓷基板或者硅基上，傳播速度則要減為三分之一：100毫米/納秒，100微米/皮秒，100納米/飛秒。

在微小的時(shí)間尺度里，光也變得很“慢"了，1飛秒的時(shí)間，信號(hào)甚至不能飛越一個(gè)晶體管的尺度。（7納米工藝的單個(gè)晶體管寬度大約為100納米），在這么微小的時(shí)間尺度內(nèi)，信息是無(wú)法傳播的。

技術(shù)自由空間

MmT坐標(biāo)系

這里，我們定義一個(gè)坐標(biāo)系，稱之為MmT坐標(biāo)系。M-Macro代表宏觀尺度，m-micro代表微觀尺度，T代表實(shí)現(xiàn)的時(shí)間。

坐標(biāo)系的橫軸代表空間或時(shí)間的尺度，左側(cè)代表微觀尺度，越往左側(cè)尺度越?。?0-1，10-2，10-3...?10-12...?10-15...，右側(cè)代表宏觀尺度：101，102，103...?1012...?1015...，原點(diǎn)為100；坐標(biāo)系的縱軸T代表人類實(shí)現(xiàn)該尺度的時(shí)間或年份，T往上為宏觀尺度實(shí)現(xiàn)的時(shí)間，T往下為微觀尺度實(shí)現(xiàn)的時(shí)間。我們可以從原點(diǎn)到橫軸右側(cè)的某一個(gè)點(diǎn)為直徑畫一個(gè)圓，圓內(nèi)的空間，稱之為宏觀技術(shù)自由空間；我們也可以從原點(diǎn)到橫軸左側(cè)的某一個(gè)點(diǎn)為直徑畫一個(gè)圓，圓內(nèi)的空間，稱之為微觀技術(shù)自由空間?？v軸上方為記錄宏觀自由空間實(shí)現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，例如1980年，從宏觀圓的頂端做平行于橫軸的切線，與縱軸相交點(diǎn)，記錄該時(shí)間點(diǎn)?？v軸下方為記錄微觀自由空間實(shí)現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，例如1990年，從微觀圓的底端做平行于橫軸的切線，與縱軸相交點(diǎn)，記錄該時(shí)間點(diǎn)。

技術(shù)自由空間

什么是技術(shù)自由？"實(shí)現(xiàn)"即為"技術(shù)自由"

當(dāng)人類實(shí)現(xiàn)了空間或時(shí)間上的某個(gè)宏觀或者微觀尺度，即稱為該尺度下的技術(shù)自由。

這里，我提出“技術(shù)自由空間”的概念，用來(lái)度量人類探索世界的自由度，隨著這個(gè)空間范圍的擴(kuò)大，人類探索世界的自由度也就越大。

技術(shù)自由空間=微觀技術(shù)自由空間+宏觀技術(shù)自由空間

按照KMGTP和mμnpf，我們就可以繪制出如下的技術(shù)自由空間：

隨著技術(shù)自由空間的不斷增大，兩側(cè)的圓都會(huì)逐漸切近縱軸，縱軸兩側(cè)的剩余的空間我們稱之為“X空間”，X空間代表著人類技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)或達(dá)到的空間或時(shí)間尺度。

隨著時(shí)間的推移，技術(shù)的不斷發(fā)展，兩邊的圓的直徑越來(lái)越大，在臨近原點(diǎn)處，圓弧接近直線，人類的技術(shù)自由空間也會(huì)越來(lái)越大，充滿了整個(gè)空間，X空間似乎被無(wú)限壓縮了。

確實(shí)，從近距離看，隨著技術(shù)自由空間的不斷增大，X空間似乎被壓縮的很小很小了。然而，當(dāng)我們的視點(diǎn)放到更遠(yuǎn)處，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論如何增長(zhǎng)，技術(shù)自由空間始終是有限空間，而X空間始終是無(wú)限空間。

人類的認(rèn)知，如同技術(shù)自由空間一樣，無(wú)論怎么增長(zhǎng)，增長(zhǎng)的有多快，始終是有限的。而未知，始終是無(wú)限的......

作 者 著 作

《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》內(nèi)容涵蓋“概念和技術(shù)”、“設(shè)計(jì)和仿真”、“項(xiàng)目和案例”三大部分，包含30章內(nèi)容，總共約110萬(wàn)+字，1000+張插圖，約650頁(yè)。

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