第548章 科技入侵，材料先行
第548章 科技入侵，材料先行
休斯頓的空氣中都瀰漫著金錢的味道。
這裡是不亞於矽谷的企業聚集中心。
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過去這裡的企業享受盡了NASA發展和聯邦政府大手筆撥款帶來的紅利。
無論是阿波羅登月還是後續的星球大戰計劃，又或者是GPS和空間站，這些都讓這裡的企業和民眾吃的盆滿缽滿。
林燃來休斯頓的次數很少，微乎其微。
但每次他來，都會受到熱烈的歡迎，這種歡迎程度甚至超過了他的第二故鄉：紐約。
紐約的歡迎是基於理念的，是種族熔爐對一個身居高位華裔的推崇，是一種精神上的贏麻。
精神上的贏麻終究比不過物質上的贏麻。
沒人會討厭為他們爭取利益的金主，就像全球有無數人反對阿美莉卡，但沒人會反對美金一個道理。
會反對美元這個概念，但不會反對到手的美金這個實體。
林燃對休斯頓而言，就意味著發展，意味著金錢，意味著狂飆突進。
而在外星人出現的這個時間點，休斯頓人比阿美莉卡任何一個城市的民眾都更清楚，教授的威力，以及未來休斯頓的發展會以比原先還要更快的速度不斷前進。
至於外星人和地球人開戰之後，首先要炸的目標就是休斯頓，誰在乎？
除了科幻作者和電影從業人士們會用這個作為背景，被外星文明摧毀的休斯頓，身處這裡的人們都更關心實打實的薪水上漲幅度和大幅度基建帶來的便利。
在賴斯酒店最大的宴會廳，會議即將召開。
台下坐著密密麻麻的研發人員，來自全聯邦航空航天、能源、化工、半導體等領域頭部企業的首席科學家和研發主管。
舞台背後幕布上赫然寫著這次會議的標題：聯邦下一代材料科學與工業標準閉門研討會。
林燃站在投影幕布前，身後並沒有展示傳統的PPT，而是一張手繪的材料研發加速流程圖。
他是來給台下各位上課的。
「先生們，讓我們面對現實。」
林燃的聲音在麥克風中迴蕩：「從發現一種新材料到它真正商業化應用，無論是當年的尼龍還是現在的矽晶圓，平均需要多久？18年。」
他伸出兩根手指：「如果我們想在這個世紀結束前飛出太陽系，或者僅僅是為了擋住那些可能到來的威脅，我們等不起這18年。我們的目標是減半，把這漫長的周期壓縮到9年，甚至更短。」
台下，通用電氣的材料研發主管哈里森博士舉起了手，他的表情充滿了懷疑：「教授，這是一個物理規律。我們需要合成、表徵、測試、老化實驗這些步驟是無法省略的，上帝創造鈦合金也花了億萬年。」
「上帝沒有計算機，哈里森博士。」林燃回應道，轉身在黑板上寫下了三個詞：計算、實驗、數據。
「這就是我要推行的綜合材料行動計劃。」
林燃指著第一個詞計算：「現在，矽谷的那幫年輕人，比如英特爾的諾伊斯和摩爾，正在把電晶體集成度推向一個新的數量級。我們當下已經擁有每秒運算速度數百萬次的微處理器，未來這個數字只會不斷地增長，這意味著什麼？」
他看向IBM的代表：「意味著我們不再需要像鍊金術士一樣，把元素扔進爐子裡碰運氣。我們可以在原子層面上模擬材料的性質。密度泛函理論不再只是理論物理學家的玩具，它將是工程師的鏟子。在熔煉第一爐金屬之前，我要求你們先在大型機上跑完一千次模擬。」
「但是，模擬會有誤差。」杜邦的首席化學家反駁道，「高分子鏈的摺疊非常複雜，目前的算力...」
「誤差是可以修正的，只要有足夠的數據。」林燃打斷了他，切入了今天最核心、也最激進的議題：「我可以肯定地告訴各位，對外星文明而言，二進位的計算機一定是他們的工具，為什麼我們在外星棋局上潰敗？不是因為我們的棋手不夠聰明，而是因為外星文明的人工智慧太過於強大。」
「這種強大是建立在硬體基礎上，只是我們不知道他們的硬體是不是叫計算機，他們的計算機是不是用矽基晶片，他們會不會用生物細胞進行計算？」
「面對外星文明我們需要跳出我們過去的思維定式。過去我們眼中的硬體，是冷冰冰的矽片，是銅線，是需要用風扇散熱的集成電路。」
「但在宇宙的尺度上，這也許是最低級的形式。」
「我們不知道他們的硬體是不是叫計算機，不知道他們是用矽基晶片，還是用生物細胞。」
台下響起了一陣討論聲。
來自矽谷的工程師們面露疑惑。
「先生們，在座的都是懂計算機的。讓我們回到阿蘭·圖靈的原本定義。什麼是計算機？一個讀寫頭，一條無限長的紙帶，以及一套處理規則。」
「看看人類關於生物的新發現，也就是最近這十多年來，被業界所津津樂道的DNA。」
「這不正是宇宙中最古老、最緻密、最高效的存儲磁帶嗎？」
「A、T、C、G，這就是四進位的代碼。而酶，就是那個每秒鐘能進行數百萬次剪切、複製、粘貼操作的讀寫頭。」
1953年發現DNA結構，1961—1966年破譯遺傳密碼，1967年發現DNA連接酶，1970年發現限制性內切酶，簡單來說，林燃所說的是最前沿的生物學知識，也是近年來生物領域最震撼的發現。
「我們在矽片上蝕刻電路，把0和1變成電流。而外星文明，或者是更高級的某種存在，他們也許早就跨越了這個階段。」
「想像一下，外星人的超級計算機不是放在機房裡需要靠風扇散熱的大柜子。它可能是一片苔蘚。」
「什麼？」台下的what聲此起彼伏。
「苔蘚？」
「是的，一種經過基因編輯的、遍布在荒涼行星表面的生物膜。」
「這台計算機不需要發電廠，它利用恆星的光芒作為能源，它不需要工程師去維護，因為它具備自我修復的功能。如果一個電晶體，也就是細胞壞了，它會自己分裂出一個新的來替代。」
「這在熱力學上是可行的。」西屋電氣的首席科學家喃喃自語，他的思維開始跟上林燃的節奏，「生物體的能效比確實比真空管和電晶體高出億萬倍。」
「正是如此。」林燃點頭，「想像這片苔蘚覆蓋了一顆星球的表面。數以億兆計的細胞通過化學信號和生物電進行並行計算。它們在計算什麼？也許是在計算飛船的軌道，也許是在破解宇宙的規律。而計算的結果，不需要列印在紙上。」林燃指了指頭頂：「這些生物體能夠合成某種特殊的結晶蛋白，形成類似生物天線的結構。當計算完成，它們會將數據編碼成高頻電磁波，直接射向太空，傳回它們的母星。」
「也許這就是我們要面對的對手。」林燃的聲音沉了下來，「我們還在用鏟子挖沙子燒玻璃的時候，他們可能已經在用蛋白質編寫程序了。他們的探測器扔到地球上，可能看起來就像一塊不起眼的真菌，但這塊真菌正在實時分析我們的大氣成分，並把數據發回去。」
現場一片死寂。這種生物計算的概念，對於1971年的人來說，既像科幻小說，又完全符合他們對DNA和細胞功能的理解。
它把生物學變成了一門工程學。
「所以，當我說材料學的時候，」林燃收回目光，重新看向那些工業巨頭，「我指的不僅僅是合金和塑料。」
「杜邦公司，你們的高分子研究，未來必須向生物高分子靠攏，我要你們研究如何用合成材料模擬生物膜的自癒合特性。」
「IBM，別只盯著矽，去研究一下神經網絡，不是電子管模擬的那種，而是真正的、基於化學遞質傳遞的邏輯門。」
在這個休斯頓的下午，濕件的概念就這樣不經意間被提出。
林燃隨口提出的概念，被在座的高管們奉為圭臬。
一方面是說這話的人是誰。
另外一方面，則是在觀念上超前了最少三十年，生物計算和合成生物學起碼是21世紀的概念，但聽上去卻又無比合理。
堪稱是把天階功法放到他們面前，只給看封面不給看內容的那種。
林燃沒有管下面的竊竊私語，他的神情變得嚴肅，甚至帶著壓迫感：「這就引出了我的第三點數據，這也是我今天召集大家來的真正目的。」
林燃雙手撐在講台上，目光掃過在座的每一個工業巨頭：「在過去，通用的失敗數據鎖在通用的保險柜里，西屋的失敗數據爛在西屋的垃圾桶里。當杜邦在某種聚合物上碰得頭破血流時，陶氏化學可能正在重複同樣的錯誤。這是對國家資源的極大浪費。」
「從今天起，這種日子結束了。」
林燃語氣不容置疑：「根據特別工業振興委員會的第07號行政令，我要求在座的所有企業，建立統一標準的材料屬性數字檔案庫。」
台下瞬間炸開了鍋。
「這不可能！」西屋電氣的代表激動地站了起來，「這是商業機密！我們的配方、我們的工藝參數，那是我們生存的根本！」
「請坐下，聽我說完。」林燃壓了壓手，聲音不大，卻有著絕對的控制力，「我沒有要你們現在的核心配方。我的規則是這樣的：」
林燃在黑板上畫了一條線：
關於成功：「在專利註冊保護期內，你們可以保留核心工藝，但在專利公開後，必須將所有相關的材料晶體結構、相變溫度、電子能帶結構的原始實驗數據，上傳到聯邦工業資料庫，格式必須統一，無論是打孔卡還是磁帶。」
「更重要的是失敗數據。如果你們嘗試了某種鎳錸合金配方，發現它在800度時會脆斷，你們必須共享這個失敗的結果。我要讓所有的美國企業都知道這條路走不通，別再往這個坑裡填錢了。」
「這是一場強制性的全行業協作。」林燃看著那位西屋代表，「作為交換，你也能看到通用和杜邦的失敗清單，你們知道這會為你們省下多少研發經費嗎？
至少40%。」
現場陷入了沉默。
這是一種博弈。雖然共享失敗數據會暴露部分研發方向，但如果能看到競爭對手的避坑指南，這筆帳算下來不僅不虧，反而能極大地提升整個行業的疊代速度。
「但這需要極高的標準化。」貝爾實驗室的卓以和博士推了推眼鏡，切中了要害，「我們需要統一的數據描述語言，統一的測試標準，甚至統一的計算軟體接口。」
「非常敏銳，卓博士。」林燃讚許地點頭，「這就是為什麼NASA會牽頭，聯合國家標準局，制定一套材料基因組標準。」
林燃走下講台，來到人群中間，像布道的先知：「先生們，我們正在進入一個矽與鐵融合的時代，未來的材料學家，一半時間在實驗室，一半時間在計算機前，我們將不再是發現材料，而是在原子級別設計材料。」
「特別工業振興委員會將提供第一筆5億美元的數位化轉型基金，用於補貼各家企業購買最新的大型機和建立資料庫。同時，NASA的阿波羅後續項目訂單，將優先發給那些加入了數據共享協議的企業。」
林燃停下腳步，回頭看著哈里森博士：「通用電氣最近在搞高溫陶瓷葉片，對吧？如果我告訴你，洛克希德在秘密項目中已經測試了三百種陶瓷配方並全都沒法用，你是不是覺得這套數據共享機制突然變得可愛起來了？」
哈里森博士的喉結滾動了一下，最終，他緩緩坐下，點了點頭：「如果是這樣我們願意加入討論。」
「很好。」
林燃重新走回講台，目光變得深邃：「我們不僅是在造飛船，我們是在為人類文明編寫材料百科全書。在這個體系下，我們將消滅重複勞動，消滅盲目試錯。哪怕是外星人的技術，只要我們能解析出數據，扔進這個體系，我們就能逆向設計出來。」
「現在，讓技術委員會的人發給你們具體的《數據交換協議草案》。我們有大量的時間來討論細節一關於接口，關于格式，關於未來。」
在70年代之前，材料學的研究是煉丹，把東西丟進爐子裡，看能煉出什麼來。
但從70年代初開始，因為MBE，也就是分子束外延技術的成熟，人類第一次擁有了上帝之手，可以按照原子層進行材料的堆疊。
這項技術由貝爾實驗室的卓以和和約翰·亞瑟在1960年代末至1970年代初完善。
（卓以和，阿美莉卡華裔物理學家，MBE之父）
1971年正是這項技術從實驗室走向應用的爆發前夜。
它允許你在真空中，把原子一層一層地鋪上去。
沒有MBE，就沒有後來的人造微結構，就沒有現代的高速電晶體，沒有雷射二極體，也沒有量子級聯雷射器。
MBE技術催生了諸多全新半導體器件，它是現代半導體技術的根基。
另外就是計算材料學的逐漸成熟，60年代就有的定理，一直到今天，隨著計算機算力的增加，計算材料和密度泛函理論開始廣泛應用，從第一性原理出發的逆向設計變得可能。
這直接導致了後來0bama政府時期的材料基因組計劃。
簡單來說，構成工程材料的眾多重要階段、缺陷和過程，構成了材料科學的基因組。
希望能夠節約材料領域的研發時間，提高研發效率。
類似我發現阿爾法元素有什麼效果，那麼未來我想要實現這一效果，就試著往材料中增加阿爾法元素。
貝塔元素有什麼副作用，那麼我就要儘可能的避免。
這裡的元素又可以叫做基因。
只是阿美莉卡材料學會主導的這一計劃，進展不太順利，一方面是因為白宮高官的變動，2016年上任的總統顯然不想在前人的構想上繼續投入。
但一直到2018年，NASA都還在默默努力，推動這一計劃，他們把這個叫做《2040願景：材料體系多尺度模擬仿真與集成路徑》。
既然全阿美莉卡的材料基因圖譜做不到，那我NASA單獨出來搞一個NASA材料基因體系總行吧？
NASA希望能夠針對材料基因計算做有效分解，以及設計具體的行動路徑。
他們希望能基於過去10年所發展起來的高速計算方法、新材料表徵測試技術以及近期發展的集成計算材料工程，從體系和基礎設施2個方面著手，打通材料到製造體系全鏈條模型和計算技術。
創建產品定義材料的新範式，我先想明白我要什麼樣的太空飛行器，需要什麼樣的材料，我再去從我的基因體系中具體設計我的材料。
而不是先煉丹，不管這丹有沒有用，我總之先開煉。
通過模型引導材料設計，包括複合基體、晶粒尺寸、編織結構。
依靠多尺度模擬計算預測材料設計對產品機械性能和可靠性的影響，優化工藝模型以獲得微結構、納米結構工藝設計等先進位造工藝參數。
以及採用材料大數據處理以完成材料魯棒性設計。
總之後來NASA又做了嘗試，而且一直在推進這一計劃。
（這是NASA2040願景和2020現實情況的區別。）
但對林燃而言，他的劣勢在於計算能力，現在的計算機和未來的計算機壓根比不了。
現在的計算材料方法和未來的方法同樣不能同日而語。
他的優勢在於，現在的NASA和未來2018年只能蜷縮在自己小小範圍內默默推動材料基因的NASA同樣不能同日而語，前者的權柄可要比後者大得多。
而且技術是會被拉近的，而權柄很難逆轉。
哪怕華國真的從月球背面找到了外星人，並且用菸頭燙他們的腳逼他們交出各種黑科技，原時間線的NASA權柄也不可能和當下NASA權柄比。
所有這些巨頭們的數據，無論是成功的還是失敗的，以及約定出來的規則，摸索出來的標準，都是寶貴的財富。
一旦這套標準體系建立完成，車輪滾滾向前，早晚會把願景實現。
無非是十年和二十年的區別罷了。
這些數據同樣會反哺2025年的材料領域人工智慧。
根據元素特性推導材料性質（詳見210章）。
材料科學領域的數據非常非常有限，數據共享也好獲取也好都面臨著空前的障礙。
不同實驗室產出的實驗數據除非刊登到論文裡，不然各家的數據是不會進同一個池子。
現在好了，在NASA的強壓之下，數據必須要進一個池子。
只是，誰也不知道，這些數據還會被同步到2025年的華國數據池中去。
當天下午，會議繼續，和上午圍繞著企業讓渡權力給NASA的爭論不同，下午就純是講課了。
林燃脫掉了西裝外套，只穿著白襯衫，袖子挽到手肘。
他站在拼接黑板前：「想像力結束了，先生們，現在我們來談談代價。」
林燃轉身，手中的粉筆在黑板上用力寫下了科恩—沈方程的核心算符形式。
「看起來很美，對吧？一個簡單的本徵值問題。」林燃轉過身，指著台下IBM
的首席數學家，「但是在座的都知道，當我們處理含有幾百個原子的合金體系時，這個方程就是噩夢。」
「目前的做法是什麼？你們選取一組基函數，構建哈密頓矩陣$H$，然後調用標準的線性代數庫進行全對角化。」
林燃在黑板上寫下了一個新的的複雜度公式：「三次方，這意味著如果原子數量增加10倍，計算時間就要增加1000倍。以現IBM計算機的可憐算力，你們算個氫分子還行，想算鈦合金的晶界？可能需要等到下個世紀。」
台下一片沉默。
這是所有計算物理學家的痛點。
「所以，我們必須在數學上彎道超車。
我要給你們三個能夠把計算速度提升幾個數量級的算法方向。
記下來，這是價值無法用美元估量的數學課。」
此時的會議廳已經沒有了說話聲，甚至連呼吸聲都壓低了，頂級大師講課，眾人屏氣凝神。
林燃只覺得台下有華裔沒華國人有些可惜。
林燃在黑板左側畫了一個原子的示意圖，內層電子密密麻麻，外層價電子稀疏。
「我們為什麼要浪費算力去計算芯電子？」林燃問道，「在化學反應和材料結合中，芯電子就像死人一樣不動，參與工作的只有價電子。」
「貝爾實驗室的菲利普斯和克萊因曼在59年就提過贗勢的概念，但你們做得太粗糙了。我要你們開發一種範數守恆贗勢。」
林燃快速寫下了積分公式。
「在截斷半徑Rc之外，贗波函數必須和真實波函數完全重合；在半徑之內，我們要把那個劇烈震盪的波函數抹平，變成一個平滑的函數。」
他猛地敲擊黑板：「聽懂了嗎？平滑意味著什麼？意味著我們在傅立葉空間展開時，只需要很少的平面波基組就能描述它。這能把你們的矩陣維度直接砍掉三分之二！」
「解決了基組大小，現在我們看矩陣求解。」林燃的目光掃向一位來自洛斯阿拉莫斯的數值分析專家。
「你們還在用Householder變換做全對角化？愚蠢，我們只需要最低能量的那幾十個本徵態，為什麼要算出所有的本徵值？」
林燃在黑板中央寫下了：克雷洛夫子空間。
「不要解整個矩陣，我們要用疊代法，在這個子空間裡，把哈密頓算符投影上去，只對角化一個小得多的矩陣，然後擴充子空間，直到收斂。」
他快速寫下了算法的殘差向量修正公式，這實際上是直到1975年才會被化學家ErnestDavidson正式發表的算法核心。
「這叫做預處理，通過這個修正，我們不需要0（N^3）的時間，我們只需要0
（N^2）甚至接近0（N）的時間就能找到基態，對於大體系，這是生與死的區別。
」
「最後，自洽場的收斂。」林燃擦掉了右邊的板書。
台下的研究人員手在筆記本上的記錄速度已經要快出殘影了。
「現在的DFT計算，每一次疊代產生的輸出電荷密度P—out，你們是怎麼混合到輸入Pin里的？簡單的線性混合？」
林燃發出輕蔑的笑聲：「這簡直是幼兒園水平，如果系統處於金屬—絕緣體相變的邊緣，線性混合會讓電荷密度像鐘擺一樣永遠震盪，永遠不收斂。」
「我們需要把這看作一個尋找函數零點的優化問題。」
「用牛頓法？太貴，雅可比矩陣太難算。所以，我們要用擬牛頓法，或者叫布羅伊登混合。」
他寫下了著名的更新公式，利用前幾次疊代的歷史數據來近似雅可比矩陣的逆，「利用過去的數據來修正前進的方向。這能把原本需要100步才能收斂的疊代，壓縮到10步以內。」
寫完這三個部分，黑板已經被密密麻麻的數學符號填滿。
林燃扔掉手中的粉筆頭，粉筆灰在空中劃出一道弧線。
他轉身面對台下目瞪口呆的工業界頂尖科學家們。
「先生們，總結一下：用範數守恆贗勢減小矩陣維度，用戴維森疊代提取低能本徵態，用布羅伊登混合加速自洽循環。」
「這不是物理學，這是應用數學的勝利。」
「這就是為什麼我敢說，只要按照這個範式，哪怕是現在的計算機，去計算未來的材料也勉強夠用。」
IBM的專家們此時已經站了起來，他們作為行家，一眼就看穿了這套「組合拳」的恐怖之處。
它完美地避開了內存小、速度慢的所有短板。
「教授」IBM代表問，「子空間疊代的預處理算子，你建議用對角占優的近似嗎？」
「對，」林燃點了點頭，眼神中流露出讚許，「對角占優，如果是平面波基組，就在動能算符上做文章，看來你懂了。
「回去寫代碼吧。給你們六個月時間，把這套算法寫進FORTRAN庫里，誰先做出來，我就把第一台Cray原型機的訂單給誰。」
此時，偌大的會議廳里，沒有問題，只有掌聲，掌聲從台下往後蔓延，席捲了整個會議廳。
所有人的腦海中閃過的念頭大差不差：盛名之下無虛士，不愧是教授，輕而易舉地將計算材料學推到了全新的範疇。
（還有更新耶）