2021高技术发展报告/中国科学院年度报告系列

**章 2020年高技术发展综述 Overview of High Technology Development in 2020 2020年高技术发展综述 张久春 （中国科学院科技战略咨询研究院） 2020年，面对席卷全球的新冠肺炎疫情，以及世界经济深度衰退和贸易保护主义等不利因素的影响，主要国家高度重视科技创新，围绕新冠病毒疫苗开发、战略高技术发展以及新的科技革命与产业变革可能取得突破的重要方向展开激烈竞争。美国发布《关键和新兴技术国家战略》（National Strategy for Critical and Emerging Technologies），重新确定20项关键和新兴技术，全力保持并强化美国在人工智能、量子信息科学和技术、通信网络技术、半导体和微电子技术、航天技术等领域的全球领导地位；推出《无尽前沿法案》（Endless Frontier Act），明确在未来5 年投入1000亿美元，推进人工智能与机器学习、半导体和先进计算机硬件、 量子计算和信息系统、先进通信技术等十大关键技术领域的研究。欧盟发布《2021—2027年度财务框架》（EU Multiannual Financial Framework For 2021-2027）、《人工智能白皮书》（White Paper on Artificial Intelligence）、《欧洲数据战略》（A European Strategy for Data）和《欧洲氢能战略》（EU Hydrogen Strategy）等一系列战略举措，投入资金重点支持人工智能、超级计算、量子通信和计算、网络安全工具、新冠病毒疫苗研发及治疗、数字技术、核能、空间技术等战略性技术的发展。英国重视发展5G、量子技术、新冠病毒疫苗和药物、数字技术和人工智能等领域，在国防部的《2020年科学技术战略》（MOD Science and Technology Strategy 2020）中提出，至少将国防预算的1.2%直接投资于科技。德国修订《德国联邦政府人工智能战略》（Artificial Intelligence Strategy of the German Federal Government），通过《国家氢能战略》（National Hydrogen Strategy）、《国家生物经济战略》（National Bioeconomy Strategy）、《德国联邦政府可信与可持续的微电子学研究和创新框架计划2021—2024》（Microelectronics Trustworthy and Sustainable for Germany and Europe-The German Federal Government’s Framework Programme for Research and Innovation 2021-2024），重点支持发展人工智能、氢能、生物技术和微电子等领域。日本发布《综合创新战略2020》（Integrated Innovation Strategy 2020），阐述日本2020年的创新战略，重点推进先进计算、人工智能、生物技术、量子技术、材料等基础技术领域以及防灾、传染病应对、网络安全等应用技术领域的发展。中国持续深入实施科教兴国战略、人才强国战略和创新驱动发展战略，立足科技自立自强，强化国家战略科技力量，加快建设科技强国，取得了抗击新冠肺炎疫情科技攻关、“天问一号”、“嫦娥五号”、“奋斗者”号和北斗系统全面建成等突破性成果。 一、信息和通信技术 2020年，以5G、人工智能、量子计算和量子通信技术等为代表的信息和通信技术取得许多突破。在集成电路方面，制备出高密度、高纯度、高度定向的半导体碳纳米管阵列，世界上首块10层增材制造（3D打印）电路板，高效超小型电光调制器，首*微芯片内集成式液体冷却系统，二维黑磷材料制造的防逆向工程的场效应晶体管，碳纳米场效应晶体管接近商业化应用。在先进计算方面，出现了非冯 诺依曼体系结构的光子计算机、性能强大的NVIDIA A100 GPU芯片、高容量可重写的生物存储器、神经元规模*大的类脑计算机、高性能“天枢”系列处理器。在人工智能方面，生成式预训练模型、高准确率把脑电波译成英文的人工智能解码系统、含19个类脑神经元和7.5万个参数的小型神经网络、神经网络加速器IMG Series4相继诞生；TikTok公布其推荐算法，人工智能系统精确预测蛋白质的三维结构。在云计算和大数据方面，提供关键气候、环境和农业信息的大数据工具“Earth Map”、Azure Orbital服务和超大容量的新存储磁带值得关注。在网络与通信方面，主要围绕速率、距离和安全问题，突破了常规电话线传输超高频信号、网络传输速率的世界纪录，研发出超高速等离子芯片、世界上通信距离*远的NFC系统和“Air-Fi”无线数据窃取技术。在量子通信与量子计算方面，量子保密通信实现了大量数据的实时传输，刷新了长距离量子纠缠的世界纪录，发现了将量子态的持续时间延长1万倍的新方法，构建出8用户无可信节点的中继量子网络、5米长的微波量子链路、量子计算机原型机“九章”，完成了量子互联网的测试实验。在传感器方面，开发出可检测物体内部温度的“深度热成像”技术、超精确形变传感器、可缩小量子设备的“超表面光学芯片”、微型防撞传感器、灵敏度超高的新型微波辐射传感器、使数据传输速度提高100倍的光纤传感器。 1. 集成电路 5月，中国北京大学与湘潭大学、浙江大学等机构合作，制备出高密度、高纯度、高度定向的半导体碳纳米管阵列。批量化制备碳纳米管集成电路需要先制造出超高纯度、高度定向、高密度、大面积均匀的半导体碳纳米管阵列薄膜。研究者首先利用聚合物多次分散和提纯（multiple dispersion and sorting process）技术，获得超高纯度碳纳米管溶液；再结合维度限制自排列法（dimension-limited self-alignment，DLSA），在10厘米晶圆上制备出高密度、高纯度、高度定向的半导体碳纳米管阵列，并以此为基础首次制备出性能超越相同尺寸传统硅晶体管的碳纳米场效应晶体管。新成果突破了长期以来碳纳米管电子学发展的瓶颈，首次在实验中展示出碳纳米管器件和集成电路优于传统技术的性能，这有利于碳基集成电路走向实用化。 5月，德国HENSOLDT公司与Nano Dimension公司合作，利用3D打印技术，采用介电聚合物油墨和导电油墨，成功组装出两面可焊接高性能电子结构的世界上首块10层3D打印电路板。电子电路的3D打印是一种高度敏捷和个性化的工程方法，比传统印刷电路板（printed circuit board，PCB）工艺有很多优势，可大大缩短开发的时间和降低开发的成本，提高产品质量。新技术不仅打印出10层的电路板，而且使电路板实现了电子元器件的双面焊接，是利用3D打印技术开发高性能电子元器件的里程碑式的突破。 6月，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）与亚德诺半导体公司（Analog Devices，Inc.）等机构合作，通过优化碳纳米管沉积制造技术，使碳纳米场效应晶体管接近商业化应用。与硅晶体管相比，碳纳米场效应晶体管具有很多优势。然而，碳纳米场效应晶体管一直无法实现大规模量产。研究者通过优化碳纳米管的沉积制造技术，使碳纳米管的沉积和分解的速率保持相对平衡，成功将碳纳米场效应晶体管的制造速率提高1150倍以上，同时降低了生产成本。新技术未来可在工业环境中用于构建不同类型的集成电路，有助于探索3D芯片的新功能。 8月，美国罗切斯特大学（University of Rochester）利用铌酸锂开发出高效超小型电光调制器。光子集成电路比传统的电子电路有更高的速度、更大的带宽和更高的能源效率，但其体积不够小，因而无法与传统电子电路竞争。调制器是光芯片的关键部件。研究者在光子晶体纳米束谐振器的基础上，把一层薄薄的铌酸锂粘在层状二氧化硅上，构建出超小体积的电光调制器。新器件具有更快的数据传输速度、更低的能耗和成本，有助于缩小光芯片的体积，为实现大规模光子集成电路奠定了基础，进而促进光子通信、量子光子学等的发展。 9月，瑞士洛桑联邦理工学院（école Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）研发出世界**个微芯片内集成式液体冷却系统。电子电路的冷却是未来电子产品的*主要挑战之一。此前的冷却方法通常需要消耗巨大的能量和水，且对环境产生很大的影响。新系统采用一种全新的集成式微流控冷却方法，把基于微流体的散热器与电子器件设计在一起，并在同一个半导体衬底内制造，使液体冷却功能直接嵌入电子芯片的内部，以有效控制芯片产生的热量，其*高冷却功率达到此前*先进的传统冷却技术的50倍。新系统应用前景可观且可降低成本，有利于缩小电子设备的体积进而扩展摩尔定律。 12月，美国普渡大学（Purdue University）与圣母大学（University of Notre Dame）合作，用黑磷（black phosphorus）伪装成高效、低电压二维场效应晶体管，来阻止黑客对芯片展开逆向工程。对于包含数百万个晶体管的芯片，黑客可采用施加电压的方式来判断晶体管的类型，再通过分析其工作原理复制出芯片。研究者利用片状黑磷制造晶体管，并在晶体管中建立起安全密钥，使黑客无法采用电压检测的方式获知晶体管的类型。黑磷是原子级材料，实现隐藏电路所需的黑鳞晶体管数量较少，因而占用空间更少、功耗更低且可在室温、低电压下工作，在芯片安全领域有很好的应用潜力。 2. 先进计算 1月，中国上海交通大学与中国科学技术大学、南方科技大学合作，构建出一种结合集成芯片、光子概念和非冯 诺依曼体系结构的光子计算机。经典计算机的计算能力不足以解决子集和问题（subset sum problem，SSP），寻求潜在新型计算方式是进一步提高其计算能力的重要途径，光计算就是其中之一。在新构建的光子计算机中，研究者利用飞秒激光直写技术将SSP映射到三维光波导网络中，使光子芯片内作为计算载体的光子在光波导网络中演化，并通过并行搜索所有可能的演化路径来寻求解，*终完成计算过程。新光子计算机不依赖脆弱的量子特性，而是借助光子的优势，在特定计算问题上表现出超越经典计算机的潜力，为发展超越经典计算机的计算能力提供了新思路。 5月，美国英伟达（Nvidia）公司推出当时性能*强大的NVIDIA A100 GPU芯片。训练AI模型越大，需要芯片的计算性能越高。英伟达采用其通用的负载加速器A100重构GPU，以其第八代NVIDIA Ampere架构为基础，采用弹性计算方法，将每个芯片分为多达7个独立的实例，以执行推理任务。NVIDIA A100 GPU芯片是一种端到端的机器学习加速器，可以把人工智能的训练和推理能力提高20倍以上，这是巨大的性能飞跃，使人类首次可在单个架构中对横向扩展和纵向扩展的负载进行加速。此外，NVIDIA A100 GPU芯片还可以降低数据中心的成本，非常适合应用在人工智能、数据分析、科学计算和云图形等领域。 8月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所与中国科学院大学、上海科技大学、美国石溪大学（Stony Brook University）和得克萨斯大学（University of Texas）等机构合作，首次实现了基于蚕丝蛋白的高容量可重写的生物存储。蚕丝蛋白如果用于制造存储器，可以很容易掺杂各种功能分子从而增加信息存储的维度，因而有望用于制备下一代高容量、高可靠的信息存储器。研究人员以生物兼容性良好、易于掺杂功能分子、降解速率可控的天然蚕丝蛋白为信息的存储介质，以先进的近场红外纳米光刻技术为数字信息的写入方式，验