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快充怎麼做到又小又快? 半導體材料氮化鎵,突破工作頻率極限

PanSci_96
・2023/03/11 ・2703字 ・閱讀時間約 5 分鐘

除了線材,市場上也到處可看到標榜使用氮化鎵、可支援大電流快充的充電頭。但為什麼之前充電速度一直快不起來呢?為什麼現在要改用氮化鎵呢?快充能變得更快更快更快嗎?

快充加速了充電速度

在快充出來以前,我們的智慧型手機充電器,功率大約是 5 瓦特(W)或是 2.5 瓦特,現在最夯的的氮化鎵快充頭功率則高達 65 瓦特,相差了 13 倍,理想上充電時間也會縮短為十三分之一。

實際上,這幾年快充的發展速度可能比想像的還要快上許多。

還記得在 21 世紀的 Nokia 3310 嗎?其功率僅 4.56 瓦特,而蘋果一直到 2014 年的 iPhone6 才支援更快的 10 瓦特快充。然而,現在不僅已經出現不少支援 50 瓦特以上快充的手機,今年二月中國手機品牌 realme 推出的 GT Neo5,甚至出現 240 瓦特的超快充技術,是目前充電最快的智慧型手機。

提升充電器功率的關鍵

從過去到現在,充電器不僅功率大幅提升,充電器的大小同時也縮小了許多。過去的線性充電器,除了有條細細長長的尾巴外,最大的特徵就是不僅大、充電時還會發熱的變壓器;為了將市電的 110V 交流電轉為手機可以使用的 5V 直流電,就需要變壓器協助降壓。

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變壓器的發熱來源來自內部占了絕大部分體積的線圈,在電路學中被稱為「電感器」。輸入與輸出的線路會以線圈的形式綑在一組鐵芯上,兩端的線圈數量十分關鍵,線圈數量的比值就是兩側電壓的放大大小;若想從 110V 變成 5V,則為輸入的線圈圈數是輸出的 22 倍,那麼輸出的電壓就會減少 22 倍。

在變壓的過程中,輸入端的線圈與鐵芯就像一顆大電磁鐵,讓磁通量通過鐵芯,將能量傳到輸出線圈,輸出線圈則會因為電磁感應,產生相同頻率但電壓不同的交流電,完成降壓。只要再把 5V 交流電轉成 5V 的直流電,就可以幫手機充電啦。

過去的線性充電器最大的特徵就是體積大、充電時還會發熱。圖/Envato Elements

聰明的你應該已經想到,提升充電功率的關鍵就在於——線圈數量

如果希望變壓器的輸出提升,必須在維持線圈比值的情況下,等比例增加輸入與輸出端的線圈數量;更多的線圈就意味更多的磁通量能透過鐵芯傳到另一端,更多的能量也隨之傳遞。但如此一來,早已被塞滿的變壓器,為了塞進更多的線圈就只能繼續增加充電器的體積,還會因能量耗損放出大量的熱。

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若想提升功率,又能減少電感器大小,最好的方法就是——增加工作頻率

透過「高頻變壓器」的幫忙,將原先市電 60 赫茲的頻率提升到 50K 赫茲,被轉為高頻的交流電再進行變壓,如此一來就能降低能量損耗,所需的電感器大小也會大幅降低。

然而,要注意的是,要想改變交流電的頻率,是無法直接轉換的。要先將交流電轉為直流電,再經由特殊的「開關」電路將直流電轉為特定頻率的交流電;這類型的充電器就被稱為「開關充電器」,現在的智慧型手機就是使用開關充電器。

救世主材料

但隨著手機電池容量不斷增加,手機充電效率的需求永無止盡,充電器又開始一個比一個大。

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智慧型手機所使用得充電器為開關充電器。圖/Envato Elements

不是繼續提升工作頻率就好了嗎?那是因為,我們遇到了「矽的極限」。

開關電路中將直流轉為交流的關鍵,就是我們熟知的半導體元件電晶體。裡頭的原料過去都以我們熟知的矽為主,然而以矽為材料的半導體工作頻率極限僅在 100k 以下,如果超過 100k,轉換效率會大幅下降,更有嚴重的能量浪費問題。

解決的方法就是:尋找下一個材料。沒錯,就是最近最夯半導體的——氮化鎵(GaN);其能隙是矽的 3 倍,電子遷移率為 1.1 倍,崩潰電壓極限則有 10 倍。

顯然,氮化鎵擁有更良好的電特性,還能在高頻、高電壓的環境下工作,使用氮化鎵為材料的快充頭因此誕生!氮化鎵最高的工作頻率是 1000K,是矽的 10 倍,除了讓變壓器的電感線圈能再次縮小,連帶縮小充電頭的體積;亦能降低能耗並減少電容與散熱器的大小,成為好攜帶的快充豆腐頭。

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到這裡,或許你會想問,提高充電效率應該不只有換材料一條路吧?還會有更快的充電技術出現嗎?

當然會的;和矽相比,氮化鎵仍有很大的研究性。

而且不僅手機,就以現在市面上正夯的電動車來說,也需要快充技術支援,來減少充電時所需要的時間;為應對龐大的充電市場需求,綜觀整個半導體材料的發展歷史,已經有許多材料問世。除了氮化鎵,還包括矽、鍺、三五族半導體「砷化鎵」(GaAs)、「磷化銦」(InP),以及化合物半導體「碳化矽」(SiC);在能源產業中,又以氮化鎵和碳化矽的發展最令人期待。

電動車也需快充技術的支援,來縮短充電所需時間。圖/Envato Elements

氮化鎵與碳化矽的未來與挑戰

不論以技術發展還是成本考量,這兩位成員還不會那麼快取代矽的地位。

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兩者應用的範圍也不完全相同。氮化鎵擁有極高的工作頻率,在高頻的表現佳,並且耐輻射、耐高溫,除了運用在充電技術內外,在高功率 5G 基地台、航空通訊、衛星通訊也都將大展身手。碳化矽則在高溫及高電壓下擁有良好的穩定性,尤其在未來電動車快充的需求增加,1000 伏特以上的充電需求,將使得僅能承受 600 伏特的矽半導體無法負荷,預期將接手電動車中的關鍵元件。

兩者看來潛力無窮,但目前在製程上仍需克服許多問題;如:材料介面的晶格缺陷及成本考量;在它們能像矽材料應用在各方領域之前,還需要投入更多研發能量。

但令人興奮的是,駛向下個半導體世代的鳴笛聲已經響起,不論是台積電、晶圓大廠環球晶,國內外各家半導體大廠,都早以搭上這班列車。不同的材料也意味著,從磊晶、製程、元件設計、晶圓製造都將迎來改變,陸續也有廠商開始使用 AI 輔助設計氮化鎵半導體元件。

未來半導體與科技產業將迎來何種轉變,就讓我們拭目以待吧!

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半導體未來的發展令人興奮!圖/GIPHY

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「別來無恙」不只是招呼
顯微觀點_96
・2025/04/12 ・2349字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖/照護線上

我最親愛的 你過的怎麼樣  沒我的日子 你別來無恙   -張惠妹《我最親愛的》

常常聽到「別來無恙」的問候,其中的「恙」就是指「恙蟲」。在唐朝顏師古的《匡謬正俗》一書中便提到:「恙,噬人蟲也,善食人心。古者草居,多移此害,故相問勞,曰無恙。」用以關心久未見面的朋友沒有染讓恙蟲病、一切安好。

而清明節一到,衛福部疾管署便會提醒民眾上山掃墓或是趁連假到戶外踏青,要小心「恙蟲病」,就是因為每年恙蟲病的病例數從4、5月,也就是清明假期左右開始上升;到6、7月達最高峰。

Qingming Or Ching Ming Festival, Also Known As Tomb Sweeping Day In English, A Traditional Chinese Festival Vector Illustration.
圖/照護線上

但恙蟲病到底是什麼樣的疾病呢?恙蟲病古時被稱為沙虱,早在晉朝葛洪所著的醫書《肘後方》提及,「初得之,皮上正赤,如小豆黍米粟粒;以手摩赤上,痛如刺。三日之後,令百節強,疼痛寒熱,赤上發瘡。」

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恙蟲病是一種病媒傳播的人畜共通傳染病,致病原為恙蟲病立克次體(Orientia tsutsugamushi或Rickettsia tsutsugamushi),被具傳染性的恙蟎叮咬,經由其唾液使人類感染立克次體。而感染立克次體的恙蟎,會經由卵性遺傳代傳立克次體,並在每個發育期中,包括卵、幼蟲、若蟲、成蟲各階段均保有立克次體,成為永久性感染。

感染恙蟲病可能引起危及生命的發燒感染。常見症狀為猝發且持續性高燒、頭痛、背痛、惡寒、盜汗、淋巴結腫大;恙蟎叮咬處出現無痛性的焦痂、一週後皮膚出現紅色斑狀丘疹,有時會併發肺炎或肝功能異常。 恙蟲病的已知分佈範圍不斷擴大,大多數疾病發生在南亞和東亞以及環太平洋地區的部分地區;台灣則以花東地區、澎湖縣及高雄市為主要流行區。

比細菌還小的立克次體

立克次體算是格蘭氏陰性菌,有細胞壁,無鞭毛,革蘭氏染色呈陰性。但它雖然是細菌,但是嚴格來說,更像是細胞內寄生生命體,生態特徵多和病毒一樣。例如不能在培養基培養、可以藉由陶瓷過濾器過濾、只能在動物細胞內寄生繁殖等。大小介於細菌和病毒之間,呈球狀或接近球形的短小桿狀直徑只有0.3-1μm,小於絕大多數細菌。

最早發現的立克次體感染症的是洛磯山斑疹熱(Rocky mountain spotted fever);由美國病理學家立克次(Howard Taylor Ricketts,1871-1910)所發現。

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1906年立克次到蒙大拿州度假,發現當地正在流行一種叫做洛磯山斑疹熱的傳染病,病患會出現頭痛、肌肉痛、關節疼痛的症狀,之後皮膚會出現出血性斑塊。當時沒有人知道是什麼原因造成這個疾病。

立克次一開始以顯微鏡觀察病患血液,發現一種接近球形的短小桿菌,但卻無法體外培養。而他將帶有「短小桿菌」的血液注射進天竺鼠體內,或是以壁蝨吸食患者血液再咬天竺鼠,發現天竺鼠也會染病。另外,他試驗各種節肢動物來做為媒介,發現只有壁蝨能夠成為傳染窩進行傳播。

立克次釐清了洛磯山斑疹熱的成因與傳染途徑,但因為無法在體外培養基培養這個病原菌,他並未加以命名。

後來其他研究者從斑疹傷寒等其他疾病也發現無法在培養基生長、必須絕對寄生宿主細胞的類似細菌,並為了紀念立克次的貢獻,而命名為「立克次體」。

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而立克次體不只一種,因此引起的疾病也不只有恙蟲病。在台灣列為法定傳染病的還有由普氏立克次體(Rickettsia prowazekii )引起的流行性斑疹傷寒,透過體蝨在人群間傳播;由斑疹傷寒立克次氏體(Rickettsia typhi)造成的地方性斑疹傷寒,由鼠蚤傳播至人體。另外還有由立氏立克次體(Rickettsia rickettsii)所引致的洛磯山斑疹熱等。

立克次體透過傳統革蘭氏染色的效果非常弱;因此常用一種對卵黃囊塗片中立克次體進行染色的方法,以利光學顯微鏡觀察。現在,這項技術常用於監測細胞的感染狀態。

受限於光學顯微鏡的解析度,許多科學家也使用電子顯微鏡來對立克次體與宿主細胞相互作用的精細結構進行分析。例如分別引起流行性斑疹傷寒、洛磯山斑疹熱和恙蟲病的立克次體,外膜組織就能透過電子顯微鏡看到些許的差別,有的外膜較厚,有的則是外膜內葉和外葉倒置。

立克次
卵黃囊塗片立克次體的顯微影像,其尺寸範圍為 0.2μ x 0.5μ 至 0.3μ x 2.0μ。立克次體通常需要使用特殊的染色方法,例如Gimenez染色。圖片來源:CDC Public Health Image Library

做好預防就能別來無「恙」

根據疾管署統計,今(2024)年至 4 月 1 日恙蟲病確定病例已累計至 2 8例,高於去年同期。

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立克次菌無法在一般培養基培養,雖然可用接種天竺鼠或雞胚胎來分離病原確診,但基於實驗室生物安全操作規定,通常以免疫螢光法、間接血球凝集、補體結合等檢查抗體的方式來檢驗。

恙蟲病可用抗生素治療,若不治療死亡率達 60%。但最好的預防方式還是避免暴露於恙蟎孳生的草叢環境,掃墓或是戶外活動最好穿著長袖衣褲、手套、長筒襪及長靴等衣物避免皮膚外露。離開草叢後也要盡速沐浴和更換全部衣物,以防感染。

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一顆科技巨星的隕落(下)—英特爾的沒落
賴昭正_96
・2025/03/20 ・4190字 ・閱讀時間約 8 分鐘

商業上的成功蘊含著自身毀滅的種子:成功會滋生自滿,自滿會導致失敗。只有偏執狂才能生存。
-Andrew Grove(英特爾首席執行官)

話說英特爾於 1986 年冒著丟掉大客戶百年 IBM 的危險,轉向成立僅 3 年多的小電腦公司推銷其最新微處理器的賭博,得到了回報:康柏電腦公司一炮而紅的成功加速客戶對新 80386 晶片的要求。90 年代中後期英特爾更大力投資新的微處理器設計,促進了個人電腦產業的快速成長,成為市場佔有率高達 90% 的微處理器主要供應商,使其自 1992 年以來一直保持半導體銷售額排名第一的地位,於 1999 年將英特爾推上代表美國 30 主要工業的道瓊指數之一成員。

但到了 2000 年代,特別是 2010 年代末期,英特爾面臨日益激烈的競爭,導致其在 PC 市場的主導地位和市場佔有率下降。儘管如此,截至 2024 年第三季度,英特爾仍以 62% 的市佔率遙遙領先 x86 市場、更是筆記型電腦的明顯贏家(72%)。可是為什麼今天英特爾股價竟然倒退了 28 年,回到 1996 年底的價位呢(註一)?為什麼它已經不能再代表美國主要工業,於 2024 年 11 月 8 日被踢出道瓊工業指數,為英偉達(Nvidia,臺灣與香港譯為「輝達」)取代呢?

是什麼原因讓英特爾失去產業龍頭的位置? 圖/pixabay

英特爾的失足

在回答此問題之前,筆者得先指出:個人電腦到了 2000 年初已不再是一高利潤的高科技,而是一種日用商品。當初將英特爾培養壯大的 IBM 於 2004 年年底完全退出了個人電腦的市場;而避免侵權透過逆向工程、製造出第一台 IBM 個人電腦相容機的康柏公司,也在個人電腦市場的價格競爭日益激烈、及想打入主機電腦市場的錯誤政策下,於 2002 年被惠普 ( Hewlett-Packard ) 收購「消失」了。

冰凍三尺,非一日之寒。Google 的人工智慧謂:「英特爾在晶片產業落後的主要原因是多種因素」,包括:
(1)未能洞悉智慧型手機的崛起,在行動晶片市場明顯落後,錯失創新機會給高通(Qualcomm Inc.)等競爭對手;
(2)依賴過時的製造流程,未能像台積電、AMD、和英偉達(註二)一樣採用更靈活晶片設計和外包製造,來應付快速不斷變化的市場需求,導致失去了高效能運算和人工智慧等關鍵領域的市場;
(3)一些分析師認為英特爾在個人電腦市場長期佔據主導地位可能導致高階主管自滿,不願適應不斷變化的產業動態。

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筆者認為前述的(1)及(2)都是果,真正的原因只有(3)一個。80 年代,當英特爾的晶片和微軟的軟體成為快速發展之個人電腦行業的雙引擎時,公司充滿活力,專注於其在個人電腦和資料中心伺服器的特殊領域。英特爾高層曾半開玩笑地將公司描述為「地球上最大的單細胞有機體」:一個孤立的、獨立的世界。像 IBM 一樣,數十年的成功和高利潤也催生了英特爾目中無人及自大之企業文化!這種開會又開會、討論又討論、開不完的會、討不完的論正是公司成熟的標註。

英特爾企業文化

想當初英特爾剛成立時,諾伊斯只聽了幾秒鐘霍夫有關微處理器的激進想法後,就立即說:「做吧」!真是不可同日而語。又如到了 1983 年,其主要記憶體晶片業務受到日本半導體製造商加劇競爭而大大降低獲利能力時,格羅夫立即迅速地不怕「…微處理器是個非常大的麻煩」,脫胎換骨成為微處理器主要供應商━又豈是 90 年代不遺餘力地捍衛其微處理器市場地位而與 AMD 鬥爭的英特爾所能比?

事實上英特爾也曾多次嘗試成為人工智慧晶片領域的領導者,但都以失敗告終(註三):專案被創建、持續多年,然後要麼是因為英特爾領導層失去耐心,要麼是技術不足而突然被關閉。為了保護和擴大公司的賺錢支柱(x86 的數代晶片),英特爾對新型晶片設計的投資總是退居二線。史丹佛大學電機工程教授、英特爾前董事普盧默 ( James Plummer ) 曾謂:「這項技術是英特爾皇冠上的寶石——專有且利潤豐厚——他們會盡一切努力來維持這一點的」。英特爾的領導者有時也承認這個問題,例如英特爾前執行長巴雷特 ( Craig Barrett ) 就曾將 x86 晶片業務比作一種毒害周圍競爭植物的雜酚油灌木叢。

微軟 Copilot AI

英特爾能再放光芒嗎?

在一連串的機會錯失,決策錯誤及執行不力下,英特爾於 2021 年任命曾經主導其發展人工智慧晶片、2009 年離職去擔任 EMC 總裁的基辛格(Patrick Gelsinger)回來當執行長,積極嘗試透過其所謂的「五年、四個節點」進程追趕台積電。這位浪子回頭,被請回來拯救公司的基辛格於去年 4 月 25 日宣稱:即將推出的英特爾 3 奈米製程伺服器晶片的需求很高,可以贏得那些轉找競爭對手的客戶,謂『我們正在重建客戶信任。他們現在看著我們說:「哦,英特爾回來了。」』…但半年後,董事會對他的扭虧為盈計畫完全失去了信心,給了他辭職或被解僱的選擇。基辛格於 12 月 1 日辭職,現由領導英特爾全球財務部門和投資者關係的津斯納 ( David Zinsner ) 擔任臨時聯合執行長,正在務色下一任執行長。

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英特爾現在的處境事實上很像 1993 年的 IBM:在官僚體制、大型電腦利潤下滑,及失去個人電腦的主導權後,其股票從 1987 年 7 月的最高點倒退了 26 年!當總裁兼執行長阿克斯(John Ackers ) 於當年元月宣布首次下調股息 55% 及離職後,遴選委員會竟然找不到任何人願意來收拾這個爛攤子━曾幾何時 IBM 執行長還是眾人夢寐以求的職位呀!最後選委會只好推薦自告奮勇、完全外行(註四)、銷售菸草和食品的 RJR Nabisco 公司的首席執行官郭士納(Louis Gerstner Jr.)!郭士納在自傳中回憶說:重振 IBM 所面臨的最嚴峻挑戰是改變其企業文化。現 IBM 雖然不再像以前在科技界一言九鼎,但其股票已「趕上時代」屢創歷史新高,為道瓊工業指數中歷史最悠久的高科技成員(1979 年起);郭士納也被視為美國商界的偶像,IBM 轉型和重拾技術領導地位的救星。

IBM 和英特爾的股價走勢圖。圖/作者提供

股票名嘴克萊默(Jim Cramer)在年初謂:「我們需要將英特爾視為資產負債表非常糟糕的國寶」,因此有必要幫助英特爾公司渡過難關。美國政府顯然也同意,商務部根據 CHIPS 激勵計劃的商業製造設施資助機會,已經給英特爾公司提供高達 78.65 億美元的直接資助。但如前面所提到的 IBM 如何啟動發展個人電腦,錢真的是萬能嗎?英特爾能重新燃燒發光嗎?

英特爾不像 1993 年的 IBM 具有百年的歷史,各方面人才濟濟:多項技術創新和最多的專利,包括自動櫃員機、動態隨機存取記憶體 、軟碟、硬碟、磁條卡、關聯式資料庫、Fortran 和 SQL 程式語言、UPC 條碼、以及本文所提到之個人電腦等;其研究部是世界上最大的工業研究機構,員工因科學研究和發明而獲得了各種認可,包括六項諾貝爾獎和六項圖靈獎(Turing Award,註五)。因此筆者懷疑英特爾能夠重新奪回業界領先地位;CFRA Research 技術分析師齊諾 ( Angelo Zino ) 表示:「目前來看,它們重返輝煌的可能性非常渺茫。」

以目前來看,英特爾技術劣勢難以逆轉,重返業界領導地位機會渺茫。圖/unsplash

結論

這顆科技巨星真的要隕落了嗎?真的是「一失足成千古恨,再回頭已百年身」嗎?英特爾第三任首席執行官(1987-1998)格羅夫真的不幸言中了嗎:「商業上的成功蘊含著自身毀滅的種子」?當然,像英特爾這麼有成就的公司要徹底消失是不太可能,因此最可能的命運應該是分割拍賣或像仙童半導體公司一樣被其它公司收購(註六)。事實上去年高通公司就曾與英特爾洽談收購事宜,但最終放棄了這個想法。

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最後讓我們在這裡以同時被 IBM 培養狀大、在個人電腦上一起嘯吒風雲的微軟公司,其創辦人蓋茨(Bill Gates)元月 8 日的美聯社訪談來結束本文吧。蓋茨聲稱:如果英特爾沒有在 70 年代初期取得技術突破,創造出能夠驅動個人電腦的微型晶片,他的職業道路可能會有所不同。他接著表示:微軟也像英特爾一樣,在 18 年前錯過了從個人電腦到智慧型手機的轉變,但微軟已經恢復元氣,而英特爾的困境卻惡化到需要尋找新執行長的地步(註七),他說:

他們錯過了人工智慧晶片革命,(因為晶片設計和製造方面落後)其製造能力達不到英偉達和高通等公司認為是簡單的標準。我認為基辛格非常勇敢,他敢說:「不,我要解決設計方面的問題,我要解決晶圓廠方面的問題。」我(曾)希望為了他自己、為了國家,他能夠成功。我希望英特爾能夠復甦,但目前看來它們的處境相當艱難。

今天微軟公司已是全美市值最大的前三名公司之一,而英特爾卻淪落至此,能不讓人感嘆造化弄人嗎?

(2025 年 2 月 3 日補註)本文完稿於元月 15 日;英特爾元月 30 日第四季業績報告謂:營收連續三季下滑,較去年同期下降 7%;本季淨虧損總計 1.26 億美元(即每股 3 美分),而去年同期的淨收入為 26.7 億美元(即每股 63 美分)。今年第一季的業績指引令分析師失望!

備註

  • (註一)同一期間道瓊股指上升了 7 倍多。
  • (註二)這三家公司現在全是中國人在主導。在英特爾全盛時期,這三家全是在後者的陰影下求生存;而現今這三家的市值均遠遠超過英特爾!
  • (註三)2005 年,當英特爾的晶片在大多數個人電腦中充當了大腦時,執行長歐德寧( Paul Otellini)就已經意識到了圖形晶片最終可能會在資料中心承擔重要的工作,向董事會提出了一個令人震驚的想法:以高達 200 億美元收購電腦圖形晶片的矽谷新貴英偉達(英偉達的市值現已超過 3 兆美元)。但因英特爾在吸收公司方面的記錄不佳,董事會拒絕了這個提議,歐德寧退縮了!反觀 AMD 於 2006 年收購英偉達對手 Array Technology Inc. 後,現正挑戰英偉達的圖形晶片市場。
  • (註四)在 1993 年三月宣布將擔任執行長的記者招待會上,被問及用什麼牌子的計算機時,新執行長說他有一台筆記本電腦,但不記得是什麼牌子。
  • (註五)公認為計算機科學領域的最高榮譽,被稱為「計算機界的諾貝爾獎」。
  • (註六)仙童半導體公司於 2016 年 9 月被安森美(ON)半導體收購,品牌已不存在。
  • (註七)英特爾於 2025 年 3 月任命陳立武出任新執行長。

延伸閱讀:圖形處理單元與人工智能

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賴昭正_96
47 篇文章 ・ 59 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此獲有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪,IBM顧問研究化學家退休 。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲它轉載我的科學月刊上的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」。

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任意添加光學元件 為研究打開大門的無限遠光學系統
顯微觀點_96
・2025/01/30 ・1763字 ・閱讀時間約 3 分鐘

本文轉載自顯微觀點

圖 / 顯微觀點

顯微鏡在科學發展中扮演關鍵的角色,讓人們得以突破肉眼的限制,深入微觀的世界探索。而隨著時間推進,顯微技術也日新月異,其中現代顯微鏡設計了所謂的「無限遠光學系統」(Infinity Optical Systems),更是提升了顯微鏡性能和突破過去的觀察瓶頸。因此主要的顯微鏡製造商現在都改為無限遠校正物鏡,成為顯微鏡的技術「標配」。

1930 年代,相位差顯微技術出現,利用光線在穿過透明的樣品時產生的微小的相位差造成對比,使透明樣本需染色就能更容易被觀察。1950 年左右,則出現使用兩個 Nomarski 稜鏡,將光路分割再合併產生 干涉效應的 DIC 顯微技術,讓透明樣本立體呈現、便於觀察。

在傳統「有限遠系統」中,單純的物鏡凸透鏡構造,會直接將光線聚焦到一個固定距離處,再經過目鏡放大成像。也因此過去顯微鏡的物鏡上通常會標示適用的鏡筒長度,通常以毫米數(160、170、210 等)表示。

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而在過渡到無限遠校正光學元件之前,選用的物鏡和鏡筒長度必須匹配才能獲得最佳影像,且大多數物鏡專門設計為與一組稱為補償目鏡的目鏡一起使用,來幫助消除橫向色差。

但是問題來了!當這些光學配件要添加到固定鏡筒長度的顯微鏡光路中,原本已完美校正的光學系統的有效鏡筒長度大於原先設定,顯微鏡製造商必須增加管長,但可能導致放大倍率增加和光線減少。因此廠商以「無限遠」光學系統來解決這樣的困境。

德國顯微鏡製造商 Reichert 在 1930 年代開始嘗試所謂的無限遠校正光學系統,這項技術隨後被徠卡、蔡司等其他顯微鏡公司採用,但直到 1980 年代才變得普遍。

無限遠系統的核心在於其物鏡光路設計。穿透樣本或是樣本反射的光線透過無限遠校正物鏡,從每個方位角以平行射線的方式射出,將影像投射到無限遠。

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有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別
有限遠(上)和無限遠(下)光學系統的光路差別。圖 / 擷自 Optical microscopy

透過這種方法,當使用者將 DIC 稜鏡等光學配件添加到物鏡、目鏡間鏡筒的「無限空間」中,影像的位置和焦點便不會被改變,也就不會改變成像比例和產生像差,而影響影像品質。

但也因為無限遠系統物鏡將光線平行化,因此這些光線必須再經過套筒透鏡在目鏡前聚焦。有些顯微鏡的鏡筒透鏡是固定的,有些則設計為可更換的光學元件,以根據不同實驗需求更換不同焦距或特性的透鏡。

除了可以安插不同的光學元件到光路中而不影響成像品質外,大多數顯微鏡都有物鏡鼻輪,使用者可以根據所需的放大倍率安裝和旋轉更換不同的物鏡。

傳統上一旦更換物鏡,樣本可能就偏離焦點,而須重新對焦。但在無限遠光學系統的設計中,物鏡到套筒透鏡的光路長度固定,也就意味著無論更換哪個物鏡,只要物鏡設計遵循無限遠系統的標準,光路長度和光學路徑的一致性得以保持。

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因此無限遠光學系統也有助於保持齊焦性,減少焦距偏移。這對需要頻繁切換倍率的實驗操作來說,變得更為便利和具有效率。

不過使用上需要注意的是,每個顯微鏡製造商的無限遠概念都有其專利,混合使用不同製造商的無限遠物鏡可能導致不正確的放大倍率和色差。

改良顯微技術,使研究人員能夠看到更精確的目標;以及如何讓更多光學配件進入無限遠光學系統中的可能性仍然在不斷發展中。但無限遠光學系統的出現已為研究人員打開了大門,可以在不犧牲影像品質的情況下輕鬆連接其他光學設備,獲得更精密的顯微影像。

  1. M. W. Davidson and M. Abramowitz, “Optical microscopy”, Encyclopedia Imag. Sci. Technol., vol. 2, no. 1106, pp. 120, 2002.
  2. C. Greb, “Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port,” Opt. Photonik 11(1), 34–37 (2016).
  3. Infinity Optical Systems: From infinity optics to the infinity port
  4. Basic Principle of Infinity Optical Systems
  5. Infinity Optical Systems

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