第548章  科技入侵，材料先行

    休斯顿的空气中都弥漫著金钱的味道。

    这里是不亚于矽谷的企业聚集中心。

    过去这里的企业享受尽了NASA发展和联邦政府大手笔拨款带来的红利。

    无论是阿波罗登月还是后续的星球大战计划，又或者是GPS和空间站，这些都让这里的企业和民众吃的盆满钵满。

    林燃来休斯顿的次数很少，微乎其微。

    但每次他来，都会受到热烈的欢迎，这种欢迎程度甚至超过了他的第二故乡：纽约。

    纽约的欢迎是基于理念的，是种族熔炉对一个身居高位华裔的推崇，是一种精神上的赢麻。

    精神上的赢麻终究比不过物质上的赢麻。

    没人会讨厌为他们争取利益的金主，就像全球有无数人反对阿美莉卡，但没人会反对美金一个道理。

    会反对美元这个概念，但不会反对到手的美金这个实体。

    林燃对休斯顿而言，就意味著发展，意味著金钱，意味著狂飙突进。

    而在外星人出现的这个时间点，休斯顿人比阿美莉卡任何一个城市的民众都更清楚，教授的威力，以及未来休斯顿的发展会以比原先还要更快的速度不断前进。

    至于外星人和地球人开战之后，首先要炸的目标就是休斯顿，谁在乎？

    除了科幻作者和电影从业人士们会用这个作为背景，被外星文明摧毁的休斯顿，身处这里的人们都更关心实打实的薪水上涨幅度和大幅度基建带来的便利。

    在赖斯酒店最大的宴会厅，会议即将召开。

    台下坐著密密麻麻的研发人员，来自全联邦航空航天、能源、化工、半导体等领域头部企业的首席科学家和研发主管。

    舞台背后幕布上赫然写著这次会议的标题：联邦下一代材料科学与工业标准闭门研讨会。

    林燃站在投影幕布前，身后并没有展示传统的PPT，而是一张手绘的材料研发加速流程图。

    他是来给台下各位上课的。

    「先生们，让我们面对现实。」

    林燃的声音在麦克风中回荡：「从发现一种新材料到它真正商业化应用，无论是当年的尼龙还是现在的矽晶圆，平均需要多久？18年。」

    他伸出两根手指：「如果我们想在这个世纪结束前飞出太阳系，或者仅仅是为了挡住那些可能到来的威胁，我们等不起这18年。我们的目标是减半，把这漫长的周期压缩到9年，甚至更短。」

    台下，通用电气的材料研发主管哈里森博士举起了手，他的表情充满了怀疑：「教授，这是一个物理规律。我们需要合成、表征、测试、老化实验这些步骤是无法省略的，上帝创造钛合金也花了亿万年。」

    「上帝没有计算机，哈里森博士。」林燃回应道，转身在黑板上写下了三个词：计算、实验、数据。

    「这就是我要推行的综合材料行动计划。」

    林燃指著第一个词计算：「现在，矽谷的那帮年轻人，比如英特尔的诺伊斯和摩尔，正在把电晶体集成度推向一个新的数量级。我们当下已经拥有每秒运算速度数百万次的微处理器，未来这个数字只会不断地增长，这意味著什么？」

    他看向IBM的代表：「意味著我们不再需要像炼金术士一样，把元素扔进炉子里碰运气。我们可以在原子层面上模拟材料的性质。密度泛函理论不再只是理论物理学家的玩具，它将是工程师的铲子。在熔炼第一炉金属之前，我要求你们先在大型机上跑完一千次模拟。」

    「但是，模拟会有误差。」杜邦的首席化学家反驳道，「高分子链的折叠非常复杂，目前的算力...」

    「误差是可以修正的，只要有足够的数据。」林燃打断了他，切入了今天最核心、也最激进的议题：「我可以肯定地告诉各位，对外星文明而言，二进位的计算机一定是他们的工具，为什么我们在外星棋局上溃败？不是因为我们的棋手不够聪明，而是因为外星文明的人工智慧太过于强大。」

    「这种强大是建立在硬体基础上，只是我们不知道他们的硬体是不是叫计算机，他们的计算机是不是用矽基晶片，他们会不会用生物细胞进行计算？」

    「面对外星文明我们需要跳出我们过去的思维定式。过去我们眼中的硬体，是冷冰冰的矽片，是铜线，是需要用风扇散热的集成电路。」

    「但在宇宙的尺度上，这也许是最低级的形式。」

    「我们不知道他们的硬体是不是叫计算机，不知道他们是用矽基晶片，还是用生物细胞。」

    台下响起了一阵讨论声。

    来自矽谷的工程师们面露疑惑。

    「先生们，在座的都是懂计算机的。让我们回到阿兰·图灵的原本定义。什么是计算机？一个读写头，一条无限长的纸带，以及一套处理规则。」

    「看看人类关于生物的新发现，也就是最近这十多年来，被业界所津津乐道的DNA。」

    「这不正是宇宙中最古老、最致密、最高效的存储磁带吗？」

    「A、T、C、G，这就是四进位的代码。而酶，就是那个每秒钟能进行数百万次剪切、复制、粘贴操作的读写头。」

    1953年发现DNA结构，1961—1966年破译遗传密码，1967年发现DNA连接酶，1970年发现限制性内切酶，简单来说，林燃所说的是最前沿的生物学知识，也是近年来生物领域最震撼的发现。  

    「我们在矽片上蚀刻电路，把0和1变成电流。而外星文明，或者是更高级的某种存在，他们也许早就跨越了这个阶段。」

    「想像一下，外星人的超级计算机不是放在机房里需要靠风扇散热的大柜子。它可能是一片苔藓。」

    「什么？」台下的what声此起彼伏。

    「苔藓？」

    「是的，一种经过基因编辑的、遍布在荒凉行星表面的生物膜。」

    「这台计算机不需要发电厂，它利用恒星的光芒作为能源，它不需要工程师去维护，因为它具备自我修复的功能。如果一个电晶体，也就是细胞坏了，它会自己分裂出一个新的来替代。」

    「这在热力学上是可行的。」西屋电气的首席科学家喃喃自语，他的思维开始跟上林燃的节奏，「生物体的能效比确实比真空管和电晶体高出亿万倍。」

    「正是如此。」林燃点头，「想像这片苔藓覆盖了一颗星球的表面。数以亿兆计的细胞通过化学信号和生物电进行并行计算。它们在计算什么？也许是在计算飞船的轨道，也许是在破解宇宙的规律。而计算的结果，不需要列印在纸上。」林燃指了指头顶：「这些生物体能够合成某种特殊的结晶蛋白，形成类似生物天线的结构。当计算完成，它们会将数据编码成高频电磁波，直接射向太空，传回它们的母星。」

    「也许这就是我们要面对的对手。」林燃的声音沉了下来，「我们还在用铲子挖沙子烧玻璃的时候，他们可能已经在用蛋白质编写程序了。他们的探测器扔到地球上，可能看起来就像一块不起眼的真菌，但这块真菌正在实时分析我们的大气成分，并把数据发回去。」

    现场一片死寂。这种生物计算的概念，对于1971年的人来说，既像科幻小说，又完全符合他们对DNA和细胞功能的理解。

    它把生物学变成了一门工程学。

    「所以，当我说材料学的时候，」林燃收回目光，重新看向那些工业巨头，「我指的不仅仅是合金和塑料。」

    「杜邦公司，你们的高分子研究，未来必须向生物高分子靠拢，我要你们研究如何用合成材料模拟生物膜的自愈合特性。」

    「IBM，别只盯著矽，去研究一下神经网络，不是电子管模拟的那种，而是真正的、基于化学递质传递的逻辑门。」

    在这个休斯顿的下午，湿件的概念就这样不经意间被提出。

    林燃随口提出的概念，被在座的高管们奉为圭臬。

    一方面是说这话的人是谁。

    另外一方面，则是在观念上超前了最少三十年，生物计算和合成生物学起码是21世纪的概念，但听上去却又无比合理。

    堪称是把天阶功法放到他们面前，只给看封面不给看内容的那种。

    林燃没有管下面的窃窃私语，他的神情变得严肃，甚至带著压迫感：「这就引出了我的第三点数据，这也是我今天召集大家来的真正目的。」

    林燃双手撑在讲台上，目光扫过在座的每一个工业巨头：「在过去，通用的失败数据锁在通用的保险柜里，西屋的失败数据烂在西屋的垃圾桶里。当杜邦在某种聚合物上碰得头破血流时，陶氏化学可能正在重复同样的错误。这是对国家资源的极大浪费。」

    「从今天起，这种日子结束了。」

    林燃语气不容置疑：「根据特别工业振兴委员会的第07号行政令，我要求在座的所有企业，建立统一标准的材料属性数字档案库。」

    台下瞬间炸开了锅。

    「这不可能！」西屋电气的代表激动地站了起来，「这是商业机密！我们的配方、我们的工艺参数，那是我们生存的根本！」

    「请坐下，听我说完。」林燃压了压手，声音不大，却有著绝对的控制力，「我没有要你们现在的核心配方。我的规则是这样的：」

    林燃在黑板上画了一条线：

    关于成功：「在专利注册保护期内，你们可以保留核心工艺，但在专利公开后，必须将所有相关的材料晶体结构、相变温度、电子能带结构的原始实验数据，上传到联邦工业资料库，格式必须统一，无论是打孔卡还是磁带。」

    「更重要的是失败数据。如果你们尝试了某种镍铼合金配方，发现它在800度时会脆断，你们必须共享这个失败的结果。我要让所有的美国企业都知道这条路走不通，别再往这个坑里填钱了。」

    「这是一场强制性的全行业协作。」林燃看著那位西屋代表，「作为交换，你也能看到通用和杜邦的失败清单，你们知道这会为你们省下多少研发经费吗？

    至少40%。」

    现场陷入了沉默。

    这是一种博弈。虽然共享失败数据会暴露部分研发方向，但如果能看到竞争对手的避坑指南，这笔帐算下来不仅不亏，反而能极大地提升整个行业的叠代速度。

    「但这需要极高的标准化。」贝尔实验室的卓以和博士推了推眼镜，切中了要害，「我们需要统一的数据描述语言，统一的测试标准，甚至统一的计算软体接口。」

    「非常敏锐，卓博士。」林燃赞许地点头，「这就是为什么NASA会牵头，联合国家标准局，制定一套材料基因组标准。」

    林燃走下讲台，来到人群中间，像布道的先知：「先生们，我们正在进入一个矽与铁融合的时代，未来的材料学家，一半时间在实验室，一半时间在计算机前，我们将不再是发现材料，而是在原子级别设计材料。」

    「特别工业振兴委员会将提供第一笔5亿美元的数位化转型基金，用于补贴各家企业购买最新的大型机和建立资料库。同时，NASA的阿波罗后续项目订单，将优先发给那些加入了数据共享协议的企业。」  

    林燃停下脚步，回头看著哈里森博士：「通用电气最近在搞高温陶瓷叶片，对吧？如果我告诉你，洛克希德在秘密项目中已经测试了三百种陶瓷配方并全都没法用，你是不是觉得这套数据共享机制突然变得可爱起来了？」

    哈里森博士的喉结滚动了一下，最终，他缓缓坐下，点了点头：「如果是这样我们愿意加入讨论。」

    「很好。」

    林燃重新走回讲台，目光变得深邃：「我们不仅是在造飞船，我们是在为人类文明编写材料百科全书。在这个体系下，我们将消灭重复劳动，消灭盲目试错。哪怕是外星人的技术，只要我们能解析出数据，扔进这个体系，我们就能逆向设计出来。」

    「现在，让技术委员会的人发给你们具体的《数据交换协议草案》。我们有大量的时间来讨论细节一关于接口，关于格式，关于未来。」

    在70年代之前，材料学的研究是炼丹，把东西丢进炉子里，看能炼出什么来。

    但从70年代初开始，因为MBE，也就是分子束外延技术的成熟，人类第一次拥有了上帝之手，可以按照原子层进行材料的堆叠。

    这项技术由贝尔实验室的卓以和和约翰·亚瑟在1960年代末至1970年代初完善。

    （卓以和，阿美莉卡华裔物理学家，MBE之父）

    1971年正是这项技术从实验室走向应用的爆发前夜。

    它允许你在真空中，把原子一层一层地铺上去。

    没有MBE，就没有后来的人造微结构，就没有现代的高速电晶体，没有雷射二极体，也没有量子级联雷射器。

    MBE技术催生了诸多全新半导体器件，它是现代半导体技术的根基。

    另外就是计算材料学的逐渐成熟，60年代就有的定理，一直到今天，随著计算机算力的增加，计算材料和密度泛函理论开始广泛应用，从第一性原理出发的逆向设计变得可能。

    这直接导致了后来0bama政府时期的材料基因组计划。

    简单来说，构成工程材料的众多重要阶段、缺陷和过程，构成了材料科学的基因组。

    希望能够节约材料领域的研发时间，提高研发效率。

    类似我发现阿尔法元素有什么效果，那么未来我想要实现这一效果，就试著往材料中增加阿尔法元素。

    贝塔元素有什么副作用，那么我就要尽可能的避免。

    这里的元素又可以叫做基因。

    只是阿美莉卡材料学会主导的这一计划，进展不太顺利，一方面是因为白宫高官的变动，2016年上任的总统显然不想在前人的构想上继续投入。

    但一直到2018年，NASA都还在默默努力，推动这一计划，他们把这个叫做《2040愿景：材料体系多尺度模拟仿真与集成路径》。

    既然全阿美莉卡的材料基因图谱做不到，那我NASA单独出来搞一个NASA材料基因体系总行吧？

    NASA希望能够针对材料基因计算做有效分解，以及设计具体的行动路径。

    他们希望能基于过去10年所发展起来的高速计算方法、新材料表征测试技术以及近期发展的集成计算材料工程，从体系和基础设施2个方面著手，打通材料到制造体系全链条模型和计算技术。

    创建产品定义材料的新范式，我先想明白我要什么样的太空飞行器，需要什么样的材料，我再去从我的基因体系中具体设计我的材料。

    而不是先炼丹，不管这丹有没有用，我总之先开炼。

    通过模型引导材料设计，包括复合基体、晶粒尺寸、编织结构。

    依靠多尺度模拟计算预测材料设计对产品机械性能和可靠性的影响，优化工艺模型以获得微结构、纳米结构工艺设计等先进位造工艺参数。

    以及采用材料大数据处理以完成材料鲁棒性设计。

    总之后来NASA又做了尝试，而且一直在推进这一计划。

    （这是NASA2040愿景和2020现实情况的区别。）

    但对林燃而言，他的劣势在于计算能力，现在的计算机和未来的计算机压根比不了。

    现在的计算材料方法和未来的方法同样不能同日而语。

    他的优势在于，现在的NASA和未来2018年只能蜷缩在自己小小范围内默默推动材料基因的NASA同样不能同日而语，前者的权柄可要比后者大得多。

    而且技术是会被拉近的，而权柄很难逆转。

    哪怕华国真的从月球背面找到了外星人，并且用烟头烫他们的脚逼他们交出各种黑科技，原时间线的NASA权柄也不可能和当下NASA权柄比。

    所有这些巨头们的数据，无论是成功的还是失败的，以及约定出来的规则，摸索出来的标准，都是宝贵的财富。

    一旦这套标准体系建立完成，车轮滚滚向前，早晚会把愿景实现。

    无非是十年和二十年的区别罢了。

    这些数据同样会反哺2025年的材料领域人工智慧。

    根据元素特性推导材料性质（详见210章）。

    材料科学领域的数据非常非常有限，数据共享也好获取也好都面临著空前的障碍。

    不同实验室产出的实验数据除非刊登到论文里，不然各家的数据是不会进同一个池子。  

    现在好了，在NASA的强压之下，数据必须要进一个池子。

    只是，谁也不知道，这些数据还会被同步到2025年的华国数据池中去。

    当天下午，会议继续，和上午围绕著企业让渡权力给NASA的争论不同，下午就纯是讲课了。

    林燃脱掉了西装外套，只穿著白衬衫，袖子挽到手肘。

    他站在拼接黑板前：「想像力结束了，先生们，现在我们来谈谈代价。」

    林燃转身，手中的粉笔在黑板上用力写下了科恩—沈方程的核心算符形式。

    「看起来很美，对吧？一个简单的本征值问题。」林燃转过身，指著台下IBM

    的首席数学家，「但是在座的都知道，当我们处理含有几百个原子的合金体系时，这个方程就是噩梦。」

    「目前的做法是什么？你们选取一组基函数，构建哈密顿矩阵$H$，然后调用标准的线性代数库进行全对角化。」

    林燃在黑板上写下了一个新的的复杂度公式：「三次方，这意味著如果原子数量增加10倍，计算时间就要增加1000倍。以现IBM计算机的可怜算力，你们算个氢分子还行，想算钛合金的晶界？可能需要等到下个世纪。」

    台下一片沉默。

    这是所有计算物理学家的痛点。

    「所以，我们必须在数学上弯道超车。

    我要给你们三个能够把计算速度提升几个数量级的算法方向。

    记下来，这是价值无法用美元估量的数学课。」

    此时的会议厅已经没有了说话声，甚至连呼吸声都压低了，顶级大师讲课，众人屏气凝神。

    林燃只觉得台下有华裔没华国人有些可惜。

    林燃在黑板左侧画了一个原子的示意图，内层电子密密麻麻，外层价电子稀疏。

    「我们为什么要浪费算力去计算芯电子？」林燃问道，「在化学反应和材料结合中，芯电子就像死人一样不动，参与工作的只有价电子。」

    「贝尔实验室的菲利普斯和克莱因曼在59年就提过赝势的概念，但你们做得太粗糙了。我要你们开发一种范数守恒赝势。」

    林燃快速写下了积分公式。

    「在截断半径Rc之外，赝波函数必须和真实波函数完全重合；在半径之内，我们要把那个剧烈震荡的波函数抹平，变成一个平滑的函数。」

    他猛地敲击黑板：「听懂了吗？平滑意味著什么？意味著我们在傅立叶空间展开时，只需要很少的平面波基组就能描述它。这能把你们的矩阵维度直接砍掉三分之二！」

    「解决了基组大小，现在我们看矩阵求解。」林燃的目光扫向一位来自洛斯阿拉莫斯的数值分析专家。

    「你们还在用Householder变换做全对角化？愚蠢，我们只需要最低能量的那几十个本征态，为什么要算出所有的本征值？」

    林燃在黑板中央写下了：克雷洛夫子空间。

    「不要解整个矩阵，我们要用叠代法，在这个子空间里，把哈密顿算符投影上去，只对角化一个小得多的矩阵，然后扩充子空间，直到收敛。」

    他快速写下了算法的残差向量修正公式，这实际上是直到1975年才会被化学家ErnestDavidson正式发表的算法核心。

    「这叫做预处理，通过这个修正，我们不需要0（N3）的时间，我们只需要0

    （N2）甚至接近0（N）的时间就能找到基态，对于大体系，这是生与死的区别。

    」

    「最后，自洽场的收敛。」林燃擦掉了右边的板书。

    台下的研究人员手在笔记本上的记录速度已经要快出残影了。

    「现在的DFT计算，每一次叠代产生的输出电荷密度P—out，你们是怎么混合到输入Pin里的？简单的线性混合？」

    林燃发出轻蔑的笑声：「这简直是幼儿园水平，如果系统处于金属—绝缘体相变的边缘，线性混合会让电荷密度像钟摆一样永远震荡，永远不收敛。」

    「我们需要把这看作一个寻找函数零点的优化问题。」

    「用牛顿法？太贵，雅可比矩阵太难算。所以，我们要用拟牛顿法，或者叫布罗伊登混合。」

    他写下了著名的更新公式，利用前几次叠代的历史数据来近似雅可比矩阵的逆，「利用过去的数据来修正前进的方向。这能把原本需要100步才能收敛的叠代，压缩到10步以内。」

    写完这三个部分，黑板已经被密密麻麻的数学符号填满。

    林燃扔掉手中的粉笔头，粉笔灰在空中划出一道弧线。

    他转身面对台下目瞪口呆的工业界顶尖科学家们。

    「先生们，总结一下：用范数守恒赝势减小矩阵维度，用戴维森叠代提取低能本征态，用布罗伊登混合加速自洽循环。」

    「这不是物理学，这是应用数学的胜利。」

    「这就是为什么我敢说，只要按照这个范式，哪怕是现在的计算机，去计算未来的材料也勉强够用。」

    IBM的专家们此时已经站了起来，他们作为行家，一眼就看穿了这套「组合拳」的恐怖之处。

    它完美地避开了内存小、速度慢的所有短板。

    「教授」IBM代表问，「子空间叠代的预处理算子，你建议用对角占优的近似吗？」

    「对，」林燃点了点头，眼神中流露出赞许，「对角占优，如果是平面波基组，就在动能算符上做文章，看来你懂了。

    「回去写代码吧。给你们六个月时间，把这套算法写进FORTRAN库里，谁先做出来，我就把第一台Cray原型机的订单给谁。」

    此时，偌大的会议厅里，没有问题，只有掌声，掌声从台下往后蔓延，席卷了整个会议厅。

    所有人的脑海中闪过的念头大差不差：盛名之下无虚士，不愧是教授，轻而易举地将计算材料学推到了全新的范畴。


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