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【文/ 觀察者網(wǎng) 孫武】影響了人類(lèi)半個(gè)世紀(jì)的國(guó)際計(jì)量體系，將在2018年發(fā)生重大變革。利用量子技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，國(guó)際單位制中科學(xué)家假設(shè)的數(shù)值，將全部改由自然界的基礎(chǔ)常數(shù)來(lái)定義。國(guó)際度量衡委員會(huì)（CIPM）的新草案一旦在明年的國(guó)際度量衡大會(huì)上通過(guò)，世界測(cè)量技術(shù)規(guī)則將被重構(gòu)。 包括“千克”（質(zhì)量）、“開(kāi)爾文”（溫度）、“安培”（電流）、“摩爾”（物質(zhì)的量）在內(nèi)的4項(xiàng)國(guó)際單位定義在明年初改變，對(duì)計(jì)量學(xué)家是千載難逢的機(jī)會(huì)，卻急壞了臺(tái)灣媒體，因?yàn)榕_(tái)灣引以為傲的IC半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)良率恐將大幅拉低。 為什么國(guó)際單位要重新定義？ 國(guó)際單位制的核心是7個(gè)基本單位，即時(shí)間單位“秒”、長(zhǎng)度單位“米”、質(zhì)量單位“千克”、熱力學(xué)溫度“開(kāi)爾文”、電流單位“安培”、發(fā)光強(qiáng)度單位“坎德拉”和物質(zhì)的量單位“摩爾”。自1971年以來(lái)，這7個(gè)基本量，一直作為國(guó)際單位制的基本單位。 
新舊國(guó)際單位定義對(duì)比 在7大國(guó)際單位制當(dāng)中，有6個(gè)單位是由沒(méi)有實(shí)體的自然現(xiàn)象所定義，只有1個(gè)單位可以用實(shí)際物體來(lái)表示，那就是“千克”。定義千克的，是一塊放在法國(guó)巴黎近郊的國(guó)際標(biāo)淮局（BIPM）保險(xiǎn)箱的標(biāo)準(zhǔn)砝碼——國(guó)際千克原器（International Prototype of the Kilogram，簡(jiǎn)稱(chēng)IPK）。高爾夫球大小的IPK由90%鉑和10%銥打造，平時(shí)放在真空封存的三層玻璃罩內(nèi)。全球還有許多IPK復(fù)制品，作為各國(guó)自己校正單位的標(biāo)淮。
國(guó)際千克原器件 實(shí)物基準(zhǔn)易受環(huán)境影響，巴黎的IPK已經(jīng)微量發(fā)胖了，過(guò)去100年飄移了50微克，相當(dāng)于一顆直徑0.4毫米的小沙粒，準(zhǔn)確度產(chǎn)生偏差。預(yù)計(jì)到2018年第26屆國(guó)際度量衡大會(huì)，科學(xué)界將放棄末代小金屬圓柱，改用普朗克常數(shù)定義“千克”。 普朗克常數(shù)描述電磁波能量和頻率之間的關(guān)系（E=hν，其中，E是能量，ν是頻率和h是普朗克常數(shù)），但測(cè)量非常困難。也正是因?yàn)榱坎粶?zhǔn)的困難，質(zhì)量單位一直無(wú)法自然定義。 任職于美國(guó)國(guó)家標(biāo)淮與技術(shù)研究院（NIST）的物理學(xué)家史蘭明格（Stephan Schlamminger）團(tuán)隊(duì)近期宣布，已取得初步成果：他們把已知質(zhì)量的物體擺在瓦特天平（Watt Balance）的一端，另一端則對(duì)線圈施加電流產(chǎn)生機(jī)械力，與物體因重力下拉的力達(dá)到平衡。從電磁力算出普朗克常數(shù)的值后，再透過(guò)質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式E＝mc2，算出質(zhì)量，精度可達(dá)3.4×10-8。
美國(guó)國(guó)家標(biāo)淮與技術(shù)研究院的瓦特天平 該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)2017年7月會(huì)再次公布他們獨(dú)立測(cè)量的結(jié)果。到2018年國(guó)際度量衡大會(huì)，從各團(tuán)隊(duì)測(cè)量值中挑出最準(zhǔn)確的最終值，IPK就可以退休了。 別的單位也將重新定義。如測(cè)量電流的單位“安培”，目前定義為：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1米的平行而無(wú)限長(zhǎng)的圓直導(dǎo)線內(nèi)，通以等量恒定電流，導(dǎo)線間相互作用力在1米長(zhǎng)度上為2×10－7牛時(shí)，則每根導(dǎo)線中的電流為1安培。 這樣假想的導(dǎo)線在現(xiàn)實(shí)中根本不存在，因此，也將改用可以真正被測(cè)量的基本電荷�，F(xiàn)在的納米科技裝置已能計(jì)算在導(dǎo)線中流動(dòng)的個(gè)別帶電粒子，所以可藉由電子的電荷量來(lái)重新定義安培。 同理，開(kāi)爾文和摩爾，也將分別從水的三相點(diǎn)及相對(duì)原子質(zhì)量，改由明確的波茲曼常數(shù)（Boltzmann constant）和阿佛加德羅常數(shù)（Avogadro constant）來(lái)定義。
科學(xué)家制造了世界上最精確的單晶硅球 另外幾項(xiàng)國(guó)際單位，未來(lái)也將變革。加拿大主導(dǎo)此項(xiàng)工作的計(jì)量學(xué)家史提爾（Alan Steele）說(shuō)：“如果預(yù)想下一次重新定義，可能會(huì)以量子力學(xué)方法定義發(fā)光強(qiáng)度，秒的定義也許會(huì)從微波改成光學(xué)方式。不過(guò)這至少還要等15年，甚至可能更久�！倍x的原則在于，無(wú)論是在地球上或在仙女座上，任何地方的智慧生物都能夠理解這些新單位。 臺(tái)灣半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將受沖擊 面對(duì)即將到來(lái)的變革，臺(tái)灣卻沒(méi)有做好準(zhǔn)備。臺(tái)灣倚仗的半導(dǎo)體業(yè)，由于制程精細(xì)，若出現(xiàn)單位制度上的誤差，很可能影響良率。 《中國(guó)時(shí)報(bào)》報(bào)道稱(chēng)，若無(wú)法在明年跟上最新制度，對(duì)半導(dǎo)體業(yè)恐造成影響，因?yàn)榛瘜W(xué)溶液量測(cè)誤差會(huì)導(dǎo)致降低良率。提升檢測(cè)設(shè)備的費(fèi)用高達(dá)6億臺(tái)幣，“經(jīng)濟(jì)部標(biāo)檢局”目前經(jīng)費(fèi)仍無(wú)著落。 隸屬臺(tái)灣“經(jīng)濟(jì)部”的“國(guó)家度量衡標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室”傳出消息，目前仍籌不到經(jīng)費(fèi)，無(wú)法跟進(jìn)，千克量測(cè)校正標(biāo)準(zhǔn)將降為二級(jí)。這樣一來(lái)，將沖擊講求精準(zhǔn)度的“納米”晶圓制程校正，生產(chǎn)機(jī)器、設(shè)備校正都會(huì)受影響，因國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)拉高，相對(duì)地，臺(tái)灣半導(dǎo)體良率會(huì)被拉低。 臺(tái)灣標(biāo)檢局官員指出，四項(xiàng)改變中最重要的是“千克”定義的改變。臺(tái)灣1995年引進(jìn)IPK，放在新竹工研院的“國(guó)家度量衡研究室”。由于“經(jīng)濟(jì)部標(biāo)檢局”面臨“無(wú)錢(qián)可編”的窘境，將無(wú)法在明年跟上國(guó)際腳步。而在半導(dǎo)體制程中，晶圓表面的清洗、蝕刻與研磨皆要仰賴(lài)特定化學(xué)溶液，這些化學(xué)溶液量測(cè)如果有一點(diǎn)點(diǎn)誤差，都會(huì)影響良率。 以先進(jìn)的臺(tái)積電與聯(lián)電晶圓制程來(lái)說(shuō)，良率均高達(dá)95%，新標(biāo)準(zhǔn)改變將被拉低多少良率？據(jù)臺(tái)灣標(biāo)檢局官員分析，這將視不同生產(chǎn)線與產(chǎn)品而定，但千克新標(biāo)準(zhǔn)會(huì)比舊的精準(zhǔn)2到4倍，將有一定程度影響。 大陸做好準(zhǔn)備了嗎？ 那么，面對(duì)明年的計(jì)量變革，大陸做好準(zhǔn)備了嗎？可以說(shuō)，關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)有了突破。 據(jù)中國(guó)計(jì)量網(wǎng)報(bào)道，今年3月，由中國(guó)計(jì)量院承擔(dān)的國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目“高準(zhǔn)確度真空質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)的建立”項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收。項(xiàng)目首次在我國(guó)建立了最大量程1kg的高準(zhǔn)確度真空質(zhì)量測(cè)量裝置，真空質(zhì)量測(cè)量重復(fù)性、靈敏度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，成功解決了2018年國(guó)際質(zhì)量單位千克重新定義后質(zhì)量量值傳遞技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題。 由于未來(lái)的質(zhì)量單位將在真空中實(shí)現(xiàn)，而日常生活的質(zhì)量工作標(biāo)準(zhǔn)——砝碼仍是在空氣中使用的，這給質(zhì)量量值的傳遞方式帶來(lái)了一系列問(wèn)題——除了需要將保存在真空中的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞到空氣中外，還必須對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和實(shí)時(shí)修正。 從2013年起，中國(guó)計(jì)量院圍繞質(zhì)量單位新定義之后質(zhì)量量值傳遞關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了系列研究。經(jīng)過(guò)多年努力，項(xiàng)目組在真空質(zhì)量測(cè)量、真空質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的傳遞，以及異型砝碼表面吸附測(cè)量和修正等方面取得了一系列創(chuàng)新成果，建立了測(cè)量靈敏度優(yōu)于0.1μg、滿載重復(fù)性?xún)?yōu)于0.47 μg、測(cè)量擴(kuò)展不確定度25 μg（k=2）的高準(zhǔn)確度真空質(zhì)量測(cè)量裝置；形成了不同材料砝碼表面吸附率測(cè)量、不確定度評(píng)估和吸附修正，空氣密度測(cè)量，砝碼交換稱(chēng)量等一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。 項(xiàng)目建立的高準(zhǔn)確度真空質(zhì)量測(cè)量裝置成功解決了砝碼真空質(zhì)量測(cè)量時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性和保持高真空度之間的矛盾；采用的非接觸式分子泵散熱方法和多點(diǎn)位多參數(shù)循環(huán)監(jiān)測(cè)方法，顯著提高了裝置的測(cè)量重復(fù)性和穩(wěn)定性。此外，項(xiàng)目還實(shí)現(xiàn)了多種砝碼表面吸附與其逆過(guò)程的精確分析，吸附測(cè)量擴(kuò)展不確定度0.0011 μg/cm2（k=2），達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。 科學(xué)家早已開(kāi)始行動(dòng)，不過(guò)，相比臺(tái)媒的先知先覺(jué)，對(duì)世界測(cè)量技術(shù)規(guī)則的改變，相關(guān)產(chǎn)業(yè)如何應(yīng)對(duì)，截止觀察者網(wǎng)發(fā)稿，大陸主流媒體并未進(jìn)行專(zhuān)門(mén)報(bào)道和宣傳。 |
