戰(zhàn)爭芯片：比肩因特網(wǎng)的發(fā)明

五角大樓的國防高級研究計(jì)劃署(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)已成功研制出了微型冷卻儀、納米質(zhì)譜儀及芯片原子鐘等多種微型設(shè)備。它們不僅會(huì)成為未來戰(zhàn)場上的秘密武器，還將為人類生活帶來巨大的改變，其意義也許不遜于因特網(wǎng)的革命性發(fā)明。

英國《衛(wèi)報(bào)》的報(bào)道稱，根據(jù)DARPA的計(jì)劃，新一代便攜設(shè)備和機(jī)器人的所有組件都會(huì)被濃縮成一張芯片，以便隨時(shí)植入導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)感應(yīng)器、低溫冷卻系統(tǒng)以及微型動(dòng)力裝置。傳感器、質(zhì)譜儀等實(shí)驗(yàn)室設(shè)備亦將變身為“火柴盒大小”的便攜式電子包裹。

40年前，英特爾公司創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾(Gordon Moore)預(yù)言處理器成本每兩年便會(huì)減半，相應(yīng)地，電腦設(shè)備的體積會(huì)不斷縮小，功能則會(huì)越來越強(qiáng)大。如今，摩爾定律同樣適用于其他領(lǐng)域。微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展早已為“微型實(shí)驗(yàn)室”(lab-on-a-chip)的興起鋪平了道路。早在上世紀(jì)90年代，“微型實(shí)驗(yàn)室”便得到了DARPA的大力支持。如今其實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄正不斷被刷新，各種納米版的新設(shè)備亦相繼問世。例如，超導(dǎo)電路和紅外傳感器之類的電子產(chǎn)品需要一個(gè)龐大的冷卻系統(tǒng)來維持低溫環(huán)境，而微型冷卻儀不僅大大降低了能耗，還可以對設(shè)備進(jìn)行精確的對點(diǎn)冷卻。其關(guān)鍵即在于所謂的“微機(jī)熱絕緣結(jié)構(gòu)”——一種以金屬鉍為原料的深度冷凍儀，只需通電便可引發(fā)用于降溫的熱電效應(yīng)。它可以使約4立方厘米的空間溫度迅速降至零下200攝氏度，耗電僅為0.1瓦。

另一些納米儀器則有著特殊用途。例如，實(shí)驗(yàn)室中通常使用水泵來運(yùn)輸氣體或液體，但它們往往無法滿足大型探測器和輻射熱測量儀所需的真空條件。為此，實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了芯片級的微型真空泵，它可以產(chǎn)生百萬分之一的低壓。此外，研究者還利用微型成像傳感器開發(fā)出了僅重10克的芯片級紅外攝像機(jī)，它主要適用于無人駕駛飛機(jī)和夜視鏡。

不過，大部分發(fā)明的應(yīng)用并不僅限于軍事領(lǐng)域，其商業(yè)前景亦被眾人看好。如芯片級原子鐘、雷達(dá)、氣體分析儀、光子儀器和其他傳感器等。其中微型原子傳感器不過芯片大小，分辨率卻毫不遜于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，用途更是異常廣泛。鑒于其兼容性較強(qiáng)，人們可以將其插入各種設(shè)備，即時(shí)測量溫度、氣壓、磁場等各種環(huán)境因素。

近年來，生物恐怖主義的威脅使得DARPA開始將注意力轉(zhuǎn)移到芯片分析工具的研發(fā)上來。據(jù)格拉斯哥大學(xué)生物工程教授喬恩·庫珀(Jon Cooper)介紹，研究人員已在DNA分析技術(shù)——快速聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)等方面取得了突破。這一技術(shù)不僅可用于檢測生物武器，維護(hù)國家安全，還可用于傳染病的診斷。

不僅如此，DARPA還打算開發(fā)帶有微型發(fā)電裝置的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)以及能夠從周圍環(huán)境中收集能量的設(shè)備。如微型原子電池“同位素動(dòng)力源”體積不足1立方厘米，功率達(dá)35毫瓦。充電時(shí)只需將芯片插入墻上的插座即可。對于士兵來說，這類儀器可以代替他們進(jìn)入無人涉足的危險(xiǎn)領(lǐng)域。

不過，庫珀亦指出，“微型實(shí)驗(yàn)室”實(shí)質(zhì)上是一種受益于納米技術(shù)的分析系統(tǒng)，在很多情況下它都無法獨(dú)立作業(yè)，而是需要植入主機(jī)系統(tǒng)。美國南安普敦海洋學(xué)中心的馬特·莫倫(Matt Mowlem)對此表示贊同，建設(shè)獨(dú)立的納米系統(tǒng)仍有諸多難題尚未解決：如集成系統(tǒng)的工程問題、芯片與片外系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)、支持系統(tǒng)之間的互連問題等。

盡管如此，實(shí)現(xiàn)芯片儀器的自我控制仍是DARPA的重要目標(biāo)之一。在計(jì)劃書中，它提出要開發(fā)“火柴盒大小、高度集成的儀器和微型系統(tǒng)架構(gòu)”，尤其是“低功耗、體積小、重量輕的微型傳感器、微型機(jī)器人和微型通信系統(tǒng)”。換言之，他們致力于將“電子、機(jī)械、流體、光子和無線電/微波技術(shù)”融合在一張小小的芯片上。