“芯片大脑”技术是什么？

所谓“芯片大脑”技术在本质上说是研究人员将半导体晶圆用纳米导线打造的网络。当脑细胞被引入芯片后，他们可以使用纳米线作为支架来构建功能性神经元回路，模拟大脑中神经元的相互连接。一旦构建模拟的脑回路，研究人员不仅可以观察到神经连通性，还可以研究疾病和创伤对其造成的影响。

2017年1月，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员率先在研究中使用了这种“芯片大脑”设备。这种芯片设备能够使研究人员根据大脑中神经元位置的不同以及不同神经元之间的连接方式来识别神经元之间的差异性，特别是对精神分裂症等疾病在神经学基础层面进行研究分析。澳大利亚国立大学的研究人员后来改进了纳米导线的架构，开发出有史以来第一个能够运行的神经元电路。

而来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的最新应用研究则发现，该技术可用于研究生物和化学制剂对大脑的长期影响。目前研究小组主要关注军事人员可能会经受的化学暴露。由于创伤后应激障碍的普遍性，军事人员已经成为神经学研究最感兴趣的患者人群。

半导体是通常由硅组成的材料产品，其导电性比玻璃之类的绝缘体高，但比铜或铝之类的纯导体导电性低。可以通过引入杂质（称为掺杂）来改变其导电性和其他性能，以满足其所驻留的电子组件的特定需求。

半导体也被称为半导体或芯片，它可以在数千种产品中找到，例如计算机，智能手机，设备，游戏硬件和医疗设备。

半导体分为四个主要产品类别：

内存：内存芯片充当数据的临时仓库，并将信息往返于计算机设备的大脑。内存市场的整合仍在继续，将内存价格推到了如此低的水平，以至于只有东芝，三星和NEC等少数巨头能够负担得起。

微处理器：这些是中央处理单元，包含执行任务的基本逻辑。英特尔在微处理器领域的统治已迫使几乎所有其他竞争对手（除了超微公司）退出主流市场，并进入较小的细分市场或完全不同的领域。

商品集成电路：有时被称为“标准芯片”，它们被大量生产以用于常规处理。该细分市场由亚洲大型芯片制造商主导，其利润微乎其微，只有最大的半导体公司才能竞争。

复杂的SOC： “片上系统”实质上就是创建具有整个系统功能的集成电路芯片。市场围绕着对具有新功能和较低价格的消费产品不断增长的需求。随着存储器，微处理器和商品集成电路市场的大门紧闭，SOC细分市场无疑是仅有的具有足够机会来吸引众多公司的细分市场。

计算机里面有很多指令集，其中最简单的指令是加法，至于减法、乘法和除法，都可以通过加法来实现。有了加减乘除，就可以解方程、算微积分、画图、播放视频等。不管多复杂的计算机指令集，本质上都在做加法。

计算机采用二进制，半导体二极管可以在电路中充当开关，一长排的二极管可以表示一个很大的数字，而很多排的二极管可以表示很多数字。换句话说，二极管可以用来存储数据，这就是存储器。

更有意思的是，二极管不但能用来存储数据，还能用来进行数学计算。想象一条路上放着两扇门，如果两扇门都是关的，那这条路就不通，相当于0乘0等于0，一扇开一扇关，还是不通，相当于0乘1等于0，或者1乘0等于0。但如果两扇门都开了，这条路就通了，相当于1乘1等于1。因此，我们可以用二极管的开关状态实现乘法运算。如果在一个集成电路上集成很多个二极管，就可以用来对数据进行计算，这就是处理器。

计算机的两大核心——存储器和处理器，都是用半导体二极管做出来的。量子力学的一个最重要的应用就是制造二极管，如果没有量子力学，就不会有计算机了。

第一代计算机是电子管计算机，这种计算机又大又笨重，运算速度也慢，造价还特别贵。

第二代计算机叫晶体管计算机。

第三代计算机是用中小规模的集成电路做出来的。

第四代计算使用大规模和超大规模集成电路做出来的。

这些都是经典计算机，他们的工作原理满足经典力学。而量子计算机的工作原理满足量子力学。

经典计算机包括存储器和处理器两大部分，它们最基本的元器件都是二极管，二极管的主要功能就是开和关，一个经典的二极管，要么是100%的开，要么是100%的关，不会有第三种可能。

可是量子计算机不一样。前面的不确定性原理讲过，一个微观粒子可以即出现在一个地方，同时又出现在另一个地方。类似的，一个量子计算机中的元器件，也可以既处于开的状态，也处于关的状态。比如，它可能50%是开的，50%是关的；也可能30%是开的，70%是关的；还可能45.5%是开的，54.5%是关的。总之，最后加起来总共是100%。

这与我们的日常经验完全不符。不过在量子力学里，这就是世界的本来面目。

我们说“薛定谔的猫”处于50%的活着和50%死掉叠加的状态，这被称为量子力学的哥本哈根解释。

量子计算机的主要元件是一种奇特的开关，它可以同时处于开和关叠加的状态。但为什么有了这种开关，量子计算机就特别厉害呢？

量子计算机与经典计算机最核心的区别是，量子计算机基本元件构成的开关既可以是开的，同时也是关的。换句话说，它可以同时表示0和1这两个数字。这样的量子开关被称为量子比特。

一个经典开关，它能存储的数字只有0或1，存了一个就不能再存另一个。而一个量子开关，它有50%的几率存储0，还有50%的几率存储1，存了一个后还能再存另一个；换言之，一个量子开关就可以表示0和1这两个数字。

两个经典开关，一次还是只能表示一个数字；但如果是两个量子开关，一次就能表示00、01、10、11这四个数字。以此类推，随着开关数的增加，经典系统一次表示的数字依然是一个，但量子系统一次表示的数字将会以指数方式快速增加。当量子开关达到20个时候，它一次能表示的数字就会超过100万。这就是为什么量子计算机的计算能力会如此强大。

人类大脑有着我们目前所知的宇宙中最复杂的结构。目前的脑科学研究表明，人类大脑其实很像一台计算机，它也有存储器和处理器，其中存储器是帮助我们记忆的，而处理器是帮助我们思考的。人脑的最基本单元，也就是它的开关，是神经元。

神经元的中间像一个复杂的开关，外面的部分像很多根接出来的电线，几个神经元连在一起的样子，像一个小规模的集成电路。人脑中大概有860亿个神经元，像一个超大规模的集成电路。

神经元是可以放电的，大量神经元一起放电时就会向外辐射脑电波。

彭罗斯坚信人类大脑是一台量子计算机。

---