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新疆农业大学计算机与信息工程学院教师。曾多年从事计算机信息管理和信息组织工作,学术研究兴趣广泛,承担过研究生和本科生计算机科学、图书情报科学和人文社会科学等方面的多门课程教学,现主要从事计算机信息组织与检索、多媒体技术、网页设计与制作和科学思想史等方面的教学和研究,致力于校园网网络教学平台的构建和网络信息资源的开发利用。

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华为为何投资石墨烯,这是真.黑科技...  

2015-11-26 11:59:24|  分类: 科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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来源:网优雇佣军
2015-10-24 01:33 我要评论

华为今日宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯的应用,该项目合作期初定为两年,研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用...


华为为何投资石墨烯,这是真.黑科技... - 张老师 - 电脑课件之家

华为今日宣布与曼彻斯特大学合作研究石墨烯的应用,该项目合作期初定为两年,研究如何将石墨烯领域的突破性成果应用于消费电子产品和移动通信设备。


石墨烯到底是个啥技术?先来看看最新的一则把中东油佬们都吓尿了的新闻。


据《世界报》消息,西班牙Graphenano公司(一家以工业规模生产石墨烯的公司)同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池,其储电量是目前市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。


Graphenano公司计划于2015年将此电池投入生产,并且计划与德国四大汽车公司中的两家(现在还不方便透露公司名称)将在本月和电动汽车进行试验。


是的,一场新的能源革命已经来了!


特斯拉董事长兼产品架构师艾伦·马斯克此前在接受英国汽车杂志《Auto Express》专访时大胆预测,电动汽车未来的续航里程有望达到约800公里。此石墨烯聚合材料电池与汽车联合的投产问世或将引领电动汽车行业的新的续航里程。


石墨烯是世界上最薄、最硬的材料。石墨烯出现在实验室中是在2004年,当时,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷,经过5年的发展,人们发现,将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此,两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。


华为为何投资石墨烯,这是真.黑科技... - 张老师 - 电脑课件之家


那么,华为为啥要投资石墨烯技术呢?


石墨烯是替代硅的理想材料


石墨烯为什么这么重要?


石墨烯是由碳原子组成的单层石墨 ——最早的石墨烯就是用胶带一层一层地把石墨变薄而获得的,是只有一个碳原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。具有非常好的导热性、电导性、透光性,而且具有高强度、超轻薄、超大比表面积等特性,广泛应用于锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏、透明电极等方面。


华为为何投资石墨烯,这是真.黑科技... - 张老师 - 电脑课件之家

石墨烯微观结构示意图


华为为何投资石墨烯,这是真.黑科技... - 张老师 - 电脑课件之家

石墨烯电池示意图


相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能,通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴,研发周期也更短(微结构研发一般要3年),更适合商业推广。


硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。


但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子迁移率,同时具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。


因此,在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随着技术发展,进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还拥有更低的功耗。


石墨烯在通信领域的应用


也许有人要说,华为是做通信的,又不是卖CPU的,芯片性能强关通信什么事啊?


其实,通信产品里有大量芯片,基站设备的DSP,路由器、调制解调器、交换机、手机等产品都需要芯片,而性能更强的芯片也就意味着更强的数据处理能力,意味着更快的通讯速度。


举例来说,目前主流的4G系统基站虽然已经采用了负责基带处理的BBU+负责射频的RRU通过光纤拉远的架构,但由于机房站址资源日益稀缺和高成本,将BBU集中设置以节省机房的需求越来越强烈,同时也要求对基带资源共享、集中调度等功能的实现。


由于基带信号对带宽和各项处理资源的消耗很大,现有芯片和背板处理速度根本无法实现更大规模的基带资源集中调度和共享,同时在散热、功耗等方面也面临很大挑战。


若采用石墨烯材料,不但芯片处理能力、数据交换速率能得到大幅提升,石墨烯良好的导热、导电和耐温特性也使得在散热、功耗方面的要求降低,进而实现处理能力达到上万载频的集中式基带资源池。


未来无线通信技术无疑以满足高速数据业务为主,而传统的宏蜂窝技术已经无法满足应用,必然走向宏微结合的异构网络架构,引入大量smell cell 网元以满足室内以及热点场景的覆盖和容量需求,如微站、Femto。


但随着这些网元的引入,改变了原有宏站的网络拓扑结构,产生大量新的干扰场景,必须通过引入各种站间、宏微协同等技术予以消除,比如采用协同多点传送和接收技术,但会带来各种协同算法加载后的大量复杂计算对资源的消耗,而基于石墨烯材料的基带芯片大量应用,其强悍的运算能力将使这些原本需要海量运算能力的技术和算法具有可操作性。


石墨烯也可以作为天线的材料。美国佐治亚理工学院无线宽带网络实验室提出石墨烯无线天线构想,该构想中,由石墨烯制成的天线以1000GHz的频率正常工作,远超目前常规的天线。如果这个构想成为现实,那么就意味着更多高频段的频谱资源可以被开发出来用于未来的无线通信系统,从而提供更大的系统带宽和吞吐速率。


未来,5G通信的特性就是“万物互联”,具有热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠等特点——在人口密集区为用户提供1Gbps用户体验速率和 10Gbps峰值速率;具备超千亿网络连接的支持能力,满足100万/km2连接数密度指标要求;在车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求,为用户提 供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。


因此,大规模天线阵列、超密集组网、新型多址技术和全频谱接入等技术就成为5G无线技术的发展方向,而这都离不开石墨烯材料的广泛应用。同时,手机要拥有更强的续航能力,更快的运算速度,更好的拍照效果,更快的上网速度,更好的屏幕显示 效果也离不开石墨烯。


新材料作为新兴产业的重要组成,也将纳入“十三五”国家战略性发展规划,而石墨烯又将被列为重点发展对象。


早前,手机巨头三星和苹果公司已经在石墨烯领域激烈竞争已经愈演愈烈。诺基亚也一直以来都在研究石墨烯,这种材料最引人瞩目的一项应用就是制作高性能超薄相机传感器(石墨烯对光线搜索的敏感度超过现在摄像机所使用的成像传感器千倍)。而诺基亚在使用石墨烯制作相机传感器方便拥有自己的专利。


华为总裁任正非很看好石墨烯。他认为,目前一些新技术新商业模式的颠覆还不足以动摇整个时代。这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代。现在芯片有极限宽度,硅的极限是七纳米,已经临近边界。石墨烯已经是技术革命前沿边。可以预见的未来10到20年,这才是真正的变革。但是颠覆需要有继承性发展,不可能完全凭空出来一个小公司,然后就领导了时代脉搏。在硅时代的成功佼佼者最有希望成为石墨烯时代中的佼佼者,而且石墨烯这个新技术在世界上的发展也不是小公司能做到的。而在2014年华为年报中,华为在行业趋势展望的环节再一次着重提及了石墨烯在材料领域的价值。


石墨烯材料对手机意义重大


对于华为这几年的另一项拳头产品——手机来说,石墨烯更能带来翻天覆地的变化:


手机中有大量的芯片,比如音频芯片、视频芯片、电源管理芯片、能够获得更好拍照效果的ISP芯片、WIFI芯片、CPU、GPU、基带(某些厂商可能会将这些芯片集成为SOC)等等,如果这些芯片都使用石墨烯材料制造,那么手机芯片的性能将会大幅提升,同时功耗将大幅下降。


一直以来,智能手机的续航能力饱受诟病。如果将石墨烯用于电池的两极,续航能力会是普通电池的十多倍,智能手机一天一充将成为历史,充电宝也将被新技术所淘汰。如果用石墨烯制作电容装置,它的充放电速度是锂电池100倍——1000倍,几分钟就能完成智能手机充电。


石墨烯具有轻、薄、几乎完全透光、强度大、柔韧性好等特点,和现在的手机屏幕相比,不仅更薄、透光性更好,而且还具有更好的韧性,更不容易破损,甚至还能做成能够卷起的柔性屏幕。因此,石墨烯屏幕比现在用的屏幕拥有更好的用户体验。


石墨烯仅吸收2.3%的光,并使所有光谱的光均匀地通过,具有非常好的透光性。因此它还是优质的感光元件的制造材料,使用石墨烯制造的感光元件,不仅更薄,还更便宜——如果量产,成本仅为传统感光元件的五分之一。据新加坡一个科研团队展示的科研成果,石墨烯感光元件的性能比传统传感器强1000倍——在昏暗的光线环境中, 这类传感器依然能够捕捉到较为清晰的物体影像。


可以想象如果华为手机采用了石墨烯技术,那么,手机将发生一次革命,正如同智能机对功能机的革命。


编辑自 观察者网、世界报等

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