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2016年4月19日 星期二
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裘槎科研獎:陳冠華助電腦加速 研「幻境」尋新物料


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■陳冠華透過研究薛丁格方程式的數值解法,為發現新物料和研究新系統帶來突破,成果得到肯定,榮獲本年裘槎優秀科研者獎。 劉國權 攝

電子產品體積愈出愈小,效能愈出愈強,但隨�茈b導體晶體管的尺寸迎來物理極限,未來恐面臨樽頸。香港大學化學系系主任陳冠華與其團隊,透過電腦模擬化學材料中原子的運作,研究量子力學中薛丁格方程式(Schrodinger equation)的數值解法,為發現新物料和新的電子計算系統帶來突破。有關成果備受肯定,讓他獲得本年度裘槎「優秀科研者獎」。

陳冠華解釋,理論上半導體晶體管尺寸愈小,電子運算速度便愈快,大概為晶體管每細小一半計算速度就提高一倍的程度;隨�茯鴔瑑o展,目前市面所見最小的晶體管已小至14納米,實驗室更可以造到7納米。

不過他指,由於原子跟原子之間大約只得0.1納米距離,如果製作的晶體管小於7納米,裡面的原子將難以控制,簡言之目前的技術已經接近物理極限,不出10年將會面臨樽頸,為此有必要設計全新物料,讓電腦發展得以延續。

軟件模擬 免重本實際打造

他指,現代電子器件更多是透過電腦軟件設計,然而在設計新物料的前提下,現有電腦軟件設計已經不再適用,所以要讓器件設計有突破,必先從電腦模擬軟件�茪漶C他與團隊遂針對量子力學中著名的薛丁格方程式進行解構,致力開發出新一代電腦模擬軟件,為發現新物料和研發新電子計算系統帶來突破,有能力把方程式應用於數十納米級系統,極大的拓展了量子力學計算方法的應用範圍。

這計算上的突破,有助實現對新興納米電子器件及新興電子材料的計算模擬與探索,讓科學家在此基礎上,尋找新物料及設計新運作系統。

陳冠華進一步解釋電腦模擬的好處,「如果建廠實際去造7納米小的晶體管,投資少說數十億美金;電腦模擬花費不了多少,亦能嘗試各種不同可能性。」對於未來發展,陳冠華認為晶體管未必再往小發展,而是轉為利用不同新物料繼續發展,創造更多可能。

解構上述方程式後原則上足以解決問題,但仍有技術問題需要處理。「即使利用號稱運算速度全球最快的超級電腦『天河二號』運算,都需要足足兩個星期才能算出一種可能性」,而且有關運算過程非常複雜,穩定性仍有不足。未來將�茪O進一步優化軟件,加強可靠度及運算速度,目標從幾周縮短至數小時完成。

模擬運算析新太陽能電池

團隊另一個研究方向是研發新一代太陽能電池,他指目前常用的太陽能電池物料矽,對環境產生很多污染。陳教授團隊首次從量子力學計算出發,直接模擬太陽能電池的光電過程。團隊透過模擬計算,深入了解太陽能轉化電能的機制,有助在矽以外探索新物料,開發下一代太陽能電池。 ■記者 姜嘉軒

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