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吕跃广院士:超材料——信息与电子工程共性颠覆性技术之一

06月10日

党的十九大报告提出,要“加强应用基础研究,拓展实施国家重大科技项目,突出关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、颠覆性技术创新,为建设科技强国、质量强国、航天强国、网络强国、交通强国、数字中国、智慧社会提供有力支撑”,将颠覆性技术创新提升至国家战略层面。

颠覆性技术是一种另辟蹊径、对已有传统或主流技术产生颠覆性效果的技术。美国国防部、新美国安全中心、美国国家科学基金会、麦肯锡全球研究院、德国弗郎恩霍夫协会等均对颠覆性技术进行研究,均强调可通过新的轨道产生新的技术,对原有技术体系产生破坏,对相关领域产生根本性变革。从国家视角来看,“以科学技术的新原理、新组合和新应用为基础开辟的全新技术轨道,导致传统产业归零或价值网络重组,并对社会技术体系升级跃迁产生决定性影响,或重构国家现有基础、能力、结构等的战略性创新技术”的定义体现了颠覆性技术的深刻内涵。对行业而言,颠覆性技术是重塑行业竞争格局的重要驱动力,与渐进性技术相比,颠覆性技术对产业格局的冲击力更强、破坏性更大,有可能在短时间内彻底改变行业格局,如数码相机的出现颠覆了相机和胶片制造业,智能手机的出现颠覆了传统手机行业等。

信息与电子工程领域是当前全球研发最集中、创新最活跃、辐射带动作用最强的科技创新领域,是世界科技大国推动经济发展、谋求竞争优势战略必争领域,该领域以信息的产生、传输、处理、利用为主线,建立在基础理论、材料与工艺等基础上,通过多学科深度融合应用于生产、生活、国防等行业,以“润物细无声”的方式影响着人类社会。

信息与电子工程领域颠覆性技术的特点及预测

在信息与电子工程领域,颠覆性技术呈现出以下几种特点。第一是基础性,一方面,基础学科的突破催生信息与电子领域的颠覆性技术,另一方面,信息与电子领域的颠覆性技术又衍生出包括控制科学与工程、微电子学与固体电子等在内的大量交叉学科。如麦克斯韦的电磁波理论已成为当今电子信息领域的共同基础,衍生出大量的学科和颠覆性技术。第二是全局性,如互联网技术,其应用覆盖多个领域, 渗透几乎所有应用方向,影响社会生活的各个方面——包括人工智能、农业、机器、电子商务、航空航天、船舶工程和汽车制造等。第三是爆发性,如互联网技术突破应用拓展和产业爆发, 2003 年我国仅有0.79 亿网民,到2020 年底则翻了10 倍。互联网技术的应用如电子商务、网络支付等在国际上遥遥领先,体现了其颠覆性应用。第四是交叉融合,信息感知处理和高速通信等技术的交叉融合,推动了物联网、人工智能等技术的创新应用,也推动着未来社会从信息化迈向智能化。

科学的发现难以预料,但技术的突破和应用却有据可循,特别是在大数据驱动下的科学预测, 可为颠覆性技术的预测提供一些技术支撑。在谈到颠覆性技术的预测时,人们经常会提到“颠覆性技术的地平线”,即一项技术从潜在研究到走进大众视野、被公认为具有颠覆性价值的分界线。研究颠覆性技术在地平线之下的特征,能够为其未来发展的预测提供科学依据,尽早识别具有颠覆性潜力的技术。

在信息与电子工程领域,预测颠覆性技术主要依据以下四个方面:一是要有先进的理论基础及需求背景;二是新技术中没有现有技术的一些瓶颈,突破了现有技术的天花板,能够提供更高的生产力和效率;三是出现非线性的爆发性增长;四是新技术会辐射到多个应用方向,甚至催生新的应用模式。此外,很多新技术都由政府和大型企业率先进行研究或推动。

信息与电子工程领域颠覆性技术的分类及初探

在信息与电子工程领域,颠覆性技术分三类:一是基理和基础研究的创新,将催生新兴科学技术和颠覆性应用的出现,如电磁波理论,集成电路和量子科学等;二是新兴技术和技术的突破将引发大规模工程和产业应用,对生产、生活产生重大影响,如未来新一代高速通信,6G 技术等;三是交叉融合和颠覆性应用技术,能够改变现有应用方式,形成超乎想象的新的应用模式,如天地一体化网络和大数据智能等。

当前,人类世界正处于第四次工业革命的前夜,是继蒸汽技术革命、电力技术革命、计算机和信息技术革命之后的再一次科技革命。在第四次工业革命的推动下,未来,万物互联、广域覆盖、宽带实时和智能泛在将成为智能社会对信息技术的愿景与需求,如网络通信和感知处理是未来信息化社会的共同基础,要从人、网的二元互联,发展到人、网、物三元甚至多元互联。从地面互联发展到空间的三维互联,连接数量起码要达到千亿以上;在通信方面,要全谱段、超宽带、随遇接入和实时在线,传输延时要从毫秒到微秒, 甚至有些应用将达到皮秒量级;在感知处理方面, 要具备超高精度、超高灵敏度和多维实时感知能力,同时还要具备超越想象的数据处理、存储和计算能力。

目前来看,信息与电子工程领域的共性颠覆性技术,一是器件,二是材料。在器件方面,碳基材料的CMOS 技术已到达3 纳米的技术节点, 芯片性能已接近物理极限。从体系结构来看,存算一体和可逆计算功能需要的可逆存算一体器件对传统的硅基CMOS 材料结构提出了挑战,以碳基材料为代表的二维材料具备极小的体积和极低的功耗,且易于与其他薄膜的异质集成,非常有利于实现可逆的存算一体器件。

从碳基器件发展来看,除了集成电路,碳基在传感、存储、计算方面都有相当的应用前景。现在的碳纳米管和石墨烯,比硅基器件更快速、更低功耗,被公认为是最有希望替代硅的材料。碳基器件技术给我国未来科技和电子产业发展带来了希望,同时也将在人工智能、物联网、国防、健康等领域产生颠覆性影响。

在材料方面,超材料主要通过对微结构单位的几何形状、尺寸大小及排列方式进行精密设计,呈现出传统材料不具备的电磁、光、声等宏观物理特征,特别是有些突破,引发了通信、隐身、成像探测和信息处理等多个领域的颠覆性变革。信息超材料可以对电磁波进行快速调控,包括幅值调控、偏振调控、相位调控等各方面;此外,通过信息超构材可以进行多种卷积操作,为通信提供全新架构,有望突破AD/DA 瓶颈,实现极简高速通信系统,通过空间编码、时间编码和频域编码实现不同的高速调制通信;在雷达领域,可对雷达成像提供全新架构,有望突破现有雷达成像体制复杂度高的瓶颈,实现极简的高分辨率雷达成像系统。

未来,超材料将向可认知超材料、人工智能超材料、信息超材料、传感器、反馈系统、数据库、机器学习算法等方向发展。

此外,在感知处理方面,微波光子学技术在电子领域的前景广阔。未来,带宽越来越宽将造成全域器件性能无法达到一致,如果将射频微波和光波技术进行结合,微波光子学利用光子技术优势来完成微波、毫米波、THz 波系统中复杂甚至是无法完成的信号产生、处理、传输与控制,这被认为是解决信息技术瓶颈的关键技术。

再者,大数据驱动下的人工智能是当前解决语音识别、机器翻译等专用智能和深度学习训练的主要手段。大数据驱动下的人工智能计算范式通过大数据进行深入分析,探究其隐含的模式和规律,实现从数据到知识、从知识到决策的过程。对信息空间、物理空间、人类社会来说,三元大数据正在改变我们实验、模型归纳和模拟仿真的计算方式,推动建立数据密集型计算的新的范式。人工智能发展的另一新趋势是场景渗透,从初期的基础计算,到视觉、听觉感知判断,再到对特定场景的认知,最后到技术的通用,目前人工智能领域技术已经在从特定场景认知向通用过渡。

如今,我国已经初步形成了云(云端智能计算能力:高通量、速度快)、网(网端:物联网和无线(移动)通讯将连接数以亿计终端设备)、端(终端:低延迟、高效、隐私保护) 、芯(AI芯片:软件加速、硬件加速、模型与硬件协同、神经形态计算)的人工智能生态。可以说,大数据、智能体和人机共融已经成为了新的生产资料、生产力和生产关系。目前,我们研究了大数据的相关性,在弱人工智能方面有所突破,可以进行简单的行为交互。未来,我们需要找到数据中的因果关系,实现强人工智能,在因果逻辑方面达到深层思维交互。

信息与电子工程领域颠覆性技术的思考与启示

一是持续开展信电领域新兴和颠覆性技术的预测研究。找准战略方向,超前系统布局。加强颠覆性技术预见方法研究,以持续组织开展颠覆性技术预见作为贯彻落实习近平总书记关于要加快科技安全预警监测体系建设的重要措施,在充分研究未来的基础上,分析应用需求,建立长效技术预警体制、建立科学评估指标体系,持续性筛选颠覆性技术领域并培育发展。

二是进一步加强信电领域基础研究的布局攻关。加大力度持续支持关系未来发展的基础理论、基础材料、基础软硬件、制造工艺和设备,重点推进。瞄准世界科技前沿,积极探索新概念、新原理,高度关注人工智能技术、生物技术等最新发展,集智攻关,力图掌握自主知识产权,实现源头创新和跨越式发展,抢夺战略主动权,占领未来科技发展制高点。

三是加强顶层设计,打通管理机制扶持和培育颠覆性技术。坚持以创新为导向优化预研项目评审机制,鼓励广泛开展探索;以颠覆性应用需求为牵引,采用集合竞争方式选择多家高校或企业同时开展研究,在技术发展不同阶段开展颠覆性影响评估;在颠覆性技术向高新装备产品转化过程中加强先期技术演示验证,提高费效比;充分发挥体系融合优势,打破行业和部门壁垒,推动军民融合和技术双向交流发展,扩大颠覆性技术来源。

(来源:高科技与产业化,作者:吕跃广院士)

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