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从16世纪文艺复兴开始，人类社会飞速地发展与进步。在这个过程中，根本的驱动力实际上来自于思想解放。思想一旦被解放，我们便彻底敢于想象，新理论、新技术、新事物也层出不穷。
近代科学，在地心说与日心说的冲突中默默蓄力了数百年，最终经过文艺复兴的思想解放，在牛顿力学的闪亮登场下彻底爆发。在牛顿力学的基础上，又进一步衍生了许多科学现象。蒸汽机发明后，第一次科技革命使工业技术取得了质的飞跃。19世纪以来，电磁学、相对论以及量子物理学等划时代的科学领域相继诞生。紧接着，电力的普及使我们进入了新的科技革命。进入二十世纪，科学技术取得了飞跃式发展，集成电路、计算机等科技如雨后春笋般涌现。不过，真正将这一阶段的科技革命推向极致，还是从2000年人类科技研究全面深入纳米领域开始——很多过去只能空想的科技由此得以实现，从而激发了更多的科技构想，包括万物互联的大数据、人工智能等。沙子从俯拾即是的建筑材料，摇身一变成了今天宝贵的半导体材料，应用到计算机、手机等各类电子设施上；大肠杆菌也从一个危害人体健康的罪魁祸首，“弃暗投明”成了一个高效生产糖尿病药物的细胞工厂，帮我们对抗顽疾。另外在能源上，我们也从被动地依赖自然资源（如煤炭、石油、天然气），走到了今天能主动而高效地利用太阳能及其他再生能源。尤其最近，我们又收获了一片新的“金矿”——过去杂乱无章的信息废墟，如今在系统的归纳、统计及分析下变废为宝，成了价值无限的矿场，就等着我们进一步淘洗、提炼。集成电路、人工智能、数据云、量子计算、基因编辑、无人驾驶等等技术，是这几年占据各行各业从业人员视线的热门关键词。当我们一层层揭开这些黑科技的外壳，我们会发现，纳米科技原来在底层默默撑起了整个现代科技的骨架。纳米科技的本质，在于设备、材料的微小型化，同时保持（甚至优化）它的特性——在纳米科技下成功变小的一众设备中，最核心产品莫过于芯片。芯片的制作，关键挑战在于提高晶体管的集成度，即在更小的面积上塞下更多的晶体管。这台仪器异常复杂，重达180吨，涉及逾10万个零件，单是运输就需要40个集装箱，安装调试还需要耗时一年以上。另外，极紫外光源非常容易受到干扰，需要在真空环境下工作。但它难以取代的优势就在于，它能利用13.5nm的极紫外光刻制出今天7nm、5nm芯片的精细结构，接下来或许再继续下探到3nm、1nm。遗憾的是，这台光刻机目前只有荷兰的阿斯麦尔（ASML）公司能够量产。而中国受制于美国政策，虽然早已经订购，但是迟迟无法交付。这也是为什么华为距离国产的顶尖芯片还差临门一脚。目前我们制造的芯片跟国际上最先进的芯片，还有两代以上的差距需要克服。今天的计算机芯片，已经做到了极大规模的集成。最初的个人处理器采用的是10微米工艺，只有2300个晶体管；而现在的英特尔处理器在10nm工艺下，每平方毫米能集成1亿个晶体管，一个芯片有上百亿个晶体管，集成度提升了108倍。这也是今天计算机性能突飞猛进的关键因素之一。回想人类的第一台计算机，每秒只能进行5000次计算，同时消耗当时纽约1/3的电力，一开机，整座城市的灯光都要变得黯淡。而两年前，美国排名第一的超级计算机，由4608台计算机服务器组成，计算速度达到每秒21亿亿次。当然，值得深思的是这台超级计算机的能耗也达到了14兆瓦——如果延续这样的思路去复制超级计算机，世界的能源远远不能满足需求。所以，一种新的计算机——量子计算机，也就横空出世。在仅使用100个光子的情况下，它可以达到每秒1125亿亿次的计算，超过全球现有超级计算力的总和，而能耗只有14千瓦，不到前者的千分之一。涉及微观结构的量子计算，也是纳米科技的重要舞台。而随着我们把存储点越做越小，信息存储密度越来越大，这对读写磁头也提出了越来越高的要求。这时候，纳米巨磁阻效应也就发挥到了极致。(注：巨磁阻物质在磁性存储方式下，即使磁场很小，也能藉由输出足够的电流变化去辨别数据，从而大幅度提高了数据存储的密度。)由此，我们从最初的打孔机存储，渐渐有了后来的软盘，8英寸的直径、81KB的容量，接着有了今天的硬盘，目前市场上可以买到的硬盘容量已经到达了14TB。从81KB到14TB，储存容量跟计算速度同样提升了108倍。未来随着信息不断累积，存储技术进一步微小型化以提升单位的存储容量，将是一个持续的需求。另外，内存技术对计算能力也扮演至关重要的角色，因为演算过程中涉及的大量演算数据，都需要地方存储。人类的第一台计算机，内存涉及了一吨重的水银，同时还需要加热才可以运作。DDD5，现代常见的计算机内存之一，采用了7nm工艺，可以达到32GB的量级。
现代计算能力之所以有了质的飞跃，内存技术也得记上一功。过去的传感器像砖头般大，如果用在汽车、手机上，整体结构必须造得跟楼一样大，才可以实现传感功能，更难称收集更丰富多维的传感数据。
在这样的强烈需求下，传感器也在纳米工艺下实现了微小型化、集成化和数字化。比如纳米金属材料。有别于传统教科书上物质有固定的熔点，纳米金属的熔点是可变的。这是一个可以充分利用的特性，使冶金的温度大幅度的降低。一般上，金的熔化需要1064℃，但如果是2nm的金，两三百度就够了，不需要那么高的能耗。纳米陶瓷材料，有别于一般陶瓷非常脆、掉地上就碎的特性，纳米陶瓷既能补强又能增韧，摔到地上会弹起来，强度大幅提升。结合3D打印的方法，纳米材料可以为我们获得性能更灵活、更强大、更符合需求的材料。不过3D打印的效率问题还有待提升。集齐了强大的芯片、传感器与纳米材料这些先决条件，人工智能与大数据也水到渠成。
20年前，IBM的深蓝跟国际象棋大师卡斯帕罗夫曾有过一场人机大战，战况非常激烈，但以卡斯帕罗夫1：2的失败告终；直到前几年，阿尔法狗在被视为人类智慧顶点的围棋上，压倒性战胜了人类的最强棋手柯洁，人工智能一时造成了世界的一片哗然。经过20年的发展，计算芯片与储存芯片马不停蹄地提升，从根本上撑起计算机的计算能力，再加上算法模型的突破，才迎来了人工智能的春天。
大数据及云端技术背后的物理基础，其实是一件件传感器累积的丰富信息，以及一块块硬盘构成的存储技术。
如果没有微小型的传感器，我们不能收获那么多有用的数据；如果没有高容量的储存芯片，单凭最初81KB的软盘，我们把地球堆满也存不下这些数据。有了它们的支撑，大数据才成为了一种可能。通过芯片和传感器，纳米科技实现了人工智能与大数据；而反过来，人工智能与大数据也为芯片的设计提供了支撑，形成一个有效闭环，开启了一个相互加持、彼此推进的科技爆发期。
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