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編者按

 

顛覆性技術(shù)通常指一種另辟蹊徑的、對已有傳統(tǒng)或主流技術(shù)途徑產(chǎn)生顛覆性效果的技術(shù)，可能是基于新概念、新原理的創(chuàng)新技術(shù)，也可能是現(xiàn)有技術(shù)的重大創(chuàng)新應(yīng)用。顛覆性技術(shù)具有強大的破壞性和革命性，會重構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的體系和秩序。在智能社會對信息技術(shù)的需求驅(qū)動下，后摩爾時代的電子信息領(lǐng)域數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等特征愈發(fā)明顯，孕育著對社會帶來巨大變化的顛覆性技術(shù)。

 

中國工程院呂躍廣院士科研團隊在中國工程院院刊《Engineering》2021年第8期發(fā)表《初探智能社會驅(qū)動下的潛在信息與電子工程顛覆性技術(shù)》。文章以碳基材料和信息超構(gòu)材料、跨越光電技術(shù)、存算一體技術(shù)、大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的人工智能技術(shù)為例，淺析了信息與電子工程領(lǐng)域潛在的顛覆性技術(shù)。文章指出，信息與電子領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)具有基礎(chǔ)性、全局性、爆發(fā)性、融合交叉性的鮮明特點，建立在基礎(chǔ)理論、材料與工藝之上，多學(xué)科深度融合，廣泛滲透于不同的科研領(lǐng)域，與其他領(lǐng)域技術(shù)交叉融合，成為科技創(chuàng)新發(fā)展的密集區(qū)，將改變?nèi)祟惿鐣倪\行方式，并醞釀下一次工業(yè)革命。

 

一、引言

 

新世紀(jì)以來，在智能社會發(fā)展驅(qū)動下，信息電子領(lǐng)域加速與各技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)融合，成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的主要驅(qū)動力，推進全球技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和分工格局深刻調(diào)整，正在重塑世界各國的創(chuàng)新能力和競爭實力。信息電子領(lǐng)域作為當(dāng)前全球研發(fā)投入最集中、創(chuàng)新最活躍、輻射帶動作用最強的科技創(chuàng)新領(lǐng)域，成為世界科技大國推動經(jīng)濟發(fā)展、謀求競爭優(yōu)勢的重要戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域。

 

在萬物互聯(lián)、寬帶實時、智能泛在等智能社會對信息技術(shù)的需求驅(qū)動下，后摩爾時代的電子信息領(lǐng)域數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等特征愈發(fā)明顯，孕育著對社會帶來巨大變化的顛覆性技術(shù)。在基礎(chǔ)研究層面，量子電磁學(xué)、突破摩爾定律的集成電路、數(shù)字空間與物理空間相結(jié)合的信息等將為基礎(chǔ)技術(shù)帶來原始創(chuàng)新力；新興技術(shù)的突破，將可能通過引發(fā)大規(guī)模工程和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，對社會生活產(chǎn)生重大影響，如新一代高速計算、6G技術(shù)等；應(yīng)用層面的交叉融合和顛覆性創(chuàng)新，將改變現(xiàn)有應(yīng)用方式，形成超越目前想象的新應(yīng)用模式，如天地一體化網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)人工智能等。

 

信息與電子領(lǐng)域以信息的產(chǎn)生、傳輸、處理與利用為主線，建立在基礎(chǔ)理論、材料與工藝之上，多學(xué)科深度融合，廣泛滲透于不同的科研領(lǐng)域，與其他領(lǐng)域技術(shù)交叉融合，使其更成為科技創(chuàng)新發(fā)展的密集區(qū)，加速推動其他領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。也正因此，信息與電子領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)具有基礎(chǔ)性、全局性、爆發(fā)性、融合交叉性的鮮明特點?；A(chǔ)性，是從基礎(chǔ)理論帶動全新技術(shù)的孕育；全局性，從點擴散到面，覆蓋多個技術(shù)方向，輻射多個應(yīng)用領(lǐng)域；爆發(fā)性，推動快速應(yīng)用拓展和產(chǎn)業(yè)噴發(fā)；融合交叉性，如信息感知、處理和高速通信等技術(shù)的交叉融合，推動了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，推動社會從信息化邁向智能化。

 

本文將以碳基材料和信息超構(gòu)材料、跨越光電技術(shù)、存算一體技術(shù)、大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的人工智能技術(shù)為例淺析潛在的顛覆性技術(shù)（圖1）。

 

 

圖1  信息與電子領(lǐng)域潛在的顛覆性技術(shù)

 

二、碳基材料和數(shù)字信息超構(gòu)材料

 

硅基芯片是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的基石。隨著芯片功能、集成化程度以及工作頻率的不斷提升，傳統(tǒng)硅基芯片正面臨尺寸縮減帶來的芯片性能提升的限制。2018 年，國際器件和系統(tǒng)路線圖將碳基納米材料列為未來集成電路技術(shù)的一個選擇，以延續(xù)摩爾定律所預(yù)測的趨勢。此后，以碳納米管（CNT）為核心的芯片的發(fā)展，為碳基芯片帶來了巨大的潛在發(fā)展空間。與傳統(tǒng)硅基、GaAs 等化合物材料體系相比，碳基材料CNT具有低功耗、高載流子傳輸（高達105cm2·V−1·s−1）和超薄體（一維半導(dǎo)體）的特點。與硅基場效應(yīng)晶體管相比，這些特性使碳納米管場效應(yīng)晶體管（CNFET）的能量效率提高一個數(shù)量級。一個由CNFET組成的超越硅基的微處理器通過一個標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)設(shè)計過程被證明可以克服整個晶圓基板的納米級缺陷。未來通過對碳納米管的精確結(jié)構(gòu)控制與生長實現(xiàn)超長碳納米管結(jié)構(gòu)的精確控制與批量制備，以及通過高密度高純半導(dǎo)體陣列碳納米管使得碳基集成電路實現(xiàn)晶圓級別等將為新一代的芯片帶來極大的性能提升。

 

超材料是一種人造材料，具備天然材料中不存在的特性。東南大學(xué)崔鐵軍院士提出的數(shù)字信息超材料通過精確設(shè)計微結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀、尺寸和排列，控制傳統(tǒng)材料所不具備的宏觀物理特性（如電磁、光學(xué)和聲學(xué)特性）。特別是其基本思想是將數(shù)字控制信號應(yīng)用于每個微結(jié)構(gòu)單元以控制其電磁諧振特性。當(dāng)電磁波與數(shù)字超材料相互作用時，它們會被數(shù)字控制信息所編碼。這樣，電磁波的相位、振幅、波束方向和軌道角動量都可以通過數(shù)字控制信號連續(xù)改變，數(shù)字信息超材料只用一個部件就可以完成調(diào)制、傳輸和波束的敏捷性。因此，數(shù)字信息超材料可以改變成像、無線通信、智能感知系統(tǒng)等的模式。

 

近年來，信息超材料被用來實現(xiàn)時間編碼和空間-時間編碼數(shù)字超材料，并與數(shù)字卷積定理和香農(nóng)信息熵相結(jié)合。其中，研究者提出了360°相位準(zhǔn)連續(xù)調(diào)諧和非線性偏振合成技術(shù)，且電磁波能量可以在數(shù)字控制下在空間和頻域內(nèi)被分離出來。此外，這些材料可以打破互易性，在空間和頻率域隔離波的反射，這些非互易性效應(yīng)可以被動態(tài)地控制。目前，信息超材料已經(jīng)實現(xiàn)了現(xiàn)場可編程的全息成像，可以獨立控制電磁波的近場/遠場模式，以及電磁波在不同偏振下的傳輸和反射模式，有望實現(xiàn)從微波到太赫茲以及光學(xué)頻段的全息成像。更為重要的是，實現(xiàn)了具有極簡結(jié)構(gòu)的無線通信系統(tǒng)，其中信息超材料已被開發(fā)出多種功能，如傳統(tǒng)系統(tǒng)中的信息加載、信息傳輸和通信復(fù)用技術(shù)。信息超材料可以動態(tài)地、任意地操縱電磁波，但需要人工控制在不同的功能之間切換。因此，信息超材料有望實現(xiàn)電子器件的智能化，如圖2 所示。目前，超材料的智能化主要體現(xiàn)在自適應(yīng)超材料和與人工智能的結(jié)合上。

 

 

圖2 數(shù)字信息超材料技術(shù)

 

 

 

三、跨越光電技術(shù)

 

信息與電子工程領(lǐng)域的發(fā)展長期以來都是建立在對電磁頻譜的利用和開發(fā)基礎(chǔ)上，頻譜資源也成為了該領(lǐng)域的核心資源，從微波到紅外，從紅外到可見光、紫外，不同的頻譜對應(yīng)著自己獨有的信息產(chǎn)生和處理方法。然而隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，不同頻譜領(lǐng)域技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出了交叉融合的趨勢，光和電的技術(shù)也在相互不斷地滲透和共同發(fā)展。

 

從技術(shù)層面分析，以光電融合發(fā)展而衍生的微波光子學(xué)技術(shù)不僅將光發(fā)射、調(diào)制和探測與硅基芯片結(jié)合形成以硅光技術(shù)為核心的全新電子器件，同時以“光”傳輸調(diào)控、“電”信息處理的全新模式架構(gòu)形成了新型雷達、成像、通信系統(tǒng)。近年來，微波光子學(xué)技術(shù)取得了系列性突破，2020 年英特爾推出了一體封裝光學(xué)以太網(wǎng)交換機，將1.6 Tbps 的硅光引擎與12.8 Tbps 的可編程以太網(wǎng)交換機進行集成，為未來網(wǎng)絡(luò)帶寬擴展提供了全新技術(shù)；2020 年，中山大學(xué)的一個團隊提出了一種高速硅光控制芯片，首次將鈮酸鋰薄膜和硅基芯片整合在一起。該芯片大大改善了硅光芯片的性能，首次實現(xiàn)了1 Tbps 以上的無線通信速率，創(chuàng)造了無線通信傳輸?shù)氖澜缂o(jì)錄。此外，集成光子學(xué)的發(fā)展使光子處理器具有更高的單位面積計算能力和更好的潛在可擴展性。2021 年，麻省理工學(xué)院林肯實驗室展示了一個使用集成波導(dǎo)和光柵耦合器的表面電極離子捕獲芯片，為量子信息處理系統(tǒng)中更多數(shù)量的離子提供了完整和單獨的控制方法。

 

從頻譜層面分析，位于微波電子學(xué)與紅外光子學(xué)之間的太赫茲頻譜成為跨越光與電的頻譜橋梁，如圖3 所示，其特殊的頻譜位置也決定了太赫茲科學(xué)技術(shù)將成為光、電技術(shù)交叉融合的頻譜區(qū)。近年來，隨著寬帶移動通信、高幀頻高分辨雷達、快速安檢以及物質(zhì)材料、生物分析等需求的增加，太赫茲技術(shù)得到長足發(fā)展。

 

太赫茲通信因其波束寬度適中、易于跟蹤、帶寬極寬、隱私性強等特點，已被確定為未來6G無線通信技術(shù)的八大潛在技術(shù)之一。盡管各種新材料和新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使太赫茲通信器件的性能有了飛躍，但現(xiàn)有的太赫茲器件在實現(xiàn)超高性能太赫茲通信技術(shù)的要求方面仍面臨許多挑戰(zhàn)。首先，分子吸收和自由空間損失，以及太赫茲設(shè)備有限的傳輸功率，限制了長距離地面通信的應(yīng)用。此外，太赫茲通信的發(fā)射端能耗很低，但由于基帶信號處理的高能耗，總能耗仍然很高。同時，在太赫茲通信中，隨著傳輸功率的增加，設(shè)備更容易過熱，因此對設(shè)備的微熱耗散技術(shù)提出了更高的要求。最后，由于太赫茲通信技術(shù)在與新興技術(shù)結(jié)合時仍面臨著材料和傳輸功率等通信標(biāo)準(zhǔn)缺失的問題，跨學(xué)科合作還有很長的路要走。

 

 

圖3 跨越光電技術(shù)在電磁波頻譜中的位置

 

四、基于二維器件的可逆存算一體技術(shù)

 

人工智能與大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，推動社會進入智能時代，而智慧城市、城市大腦等全新信息社會發(fā)展概念的提出，更催生了海量數(shù)據(jù)，帶來海量數(shù)據(jù)高速智能處理的迫切需求，然而傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)存在“存儲墻”以及“能耗墻”的限制，算力以及由此帶來的能量消耗，已成為智能社會進一步發(fā)展的新的瓶頸。最近，存算一體（CIM）作為一種有前途的替代方案出現(xiàn)了，其中的邏輯操作是在存儲器單元內(nèi)進行的。CIM已經(jīng)被證明[13]是易失性存儲器，如靜態(tài)隨機存取存儲器和動態(tài)隨機存取存儲器，以及非易失性存儲器，如閃存、相變存儲器和電阻式隨機存取存儲器。

 

計算效率的持續(xù)提升面臨著另一個重大挑戰(zhàn)：計算的可逆性。馮·諾依曼-蘭道爾（VNL）限制為邏輯運算設(shè)定了一個基本的能量消耗限制：擦除一位信息至少要消耗kBTln2 的能量（kB：玻爾茲曼常量；T：溫度）。對于邏輯門，如"AND"和"OR"，在每個邏輯操作中都會擦除一位信息，導(dǎo)致不可避免的能量消耗。弗雷德金門是一種可逆邏輯門，可以克服VNL 的限制，進行完整的布爾運算，從而提供一種新的數(shù)字計算方法。將可逆邏輯與CIM 結(jié)合起來，可以創(chuàng)造出先進計算的新范式（圖4）。

 

二維材料（包括碳基材料）具有優(yōu)異的電氣和機械性能，因此在構(gòu)建未來的CIM 和可逆計算設(shè)備方面具有很大的前景。這些材料已經(jīng)被用于實現(xiàn)并行內(nèi)存數(shù)據(jù)搜索和內(nèi)存中邏輯器件。這些二維器件具有超小的尺寸和超低的功耗，可以與其他材料和器件集成，因此為創(chuàng)造未來的可逆CIM應(yīng)用提供了更多的機會。

 

然而，用于可逆CIM 的二維材料和器件，想要實現(xiàn)智能社會，在現(xiàn)實世界中的應(yīng)用仍然面臨很多挑戰(zhàn)。首先，不同的二維計算設(shè)備表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢和局限性，因此，最適合這種可逆CIM的二維設(shè)備仍有待確定。其次，雖然二維材料的薄膜生長在晶圓規(guī)模上進展迅速，但這些材料仍然存在均勻性和可靠性問題，這可能會影響器件性能。最后，這種器件的大規(guī)模異質(zhì)集成以及與外部電路的異質(zhì)集成仍然面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，必須繼續(xù)努力研究，以進一步澄清計算機制，優(yōu)化材料生長技術(shù)，并促進集成能力。一旦這些關(guān)鍵的障礙被克服，我們設(shè)想能夠?qū)崿F(xiàn)可逆CIM 的超低功耗和緊湊型二維器件將在未來的智能社會中被廣泛應(yīng)用。

 

 

圖4 可逆CIM示意圖。（a）Fredkin 可以被用于構(gòu)建邏輯電路，A、B和C表示Fredkin 的輸入，而A'、B'和C'則表示Fredkin 的輸出；（b）CIM可以通過結(jié)合2D設(shè)備的獨特功能來實現(xiàn)可逆CIM（c），實現(xiàn)了一種新的計算范式

 

五、大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的人工智能技術(shù)

 

智能社會驅(qū)動下人類社會、物理世界和信息空間這三元空間以不同形式不斷涌現(xiàn)出海量數(shù)據(jù)，刻畫個體和個體之間顯性和隱式交互模式，反映人類生活方式、行為規(guī)律和社會趨勢。三元空間大數(shù)據(jù)正改變科學(xué)實驗、模型歸納、模擬仿真的計算方式，推動建立數(shù)據(jù)密集型計算新范式。大數(shù)據(jù)驅(qū)動下人工智能計算范式是以人工智能手段對大數(shù)據(jù)進行深入分析，探析其隱含模式和規(guī)律的智能形態(tài)，實現(xiàn)從大數(shù)據(jù)到知識、進而決策的理論方法和支撐技術(shù)，如圖5 所示。從數(shù)據(jù)到知識、從知識到?jīng)Q策，有效整合不同來源的知識和數(shù)據(jù)進行服務(wù)，對加工數(shù)據(jù)進行深度分析，實現(xiàn)知識提取和利用，對各類數(shù)據(jù)源進行定位和連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和匯聚。因此，其計算范式具有提升泛化能力、抵抗攻擊、過程可推理、復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)可實現(xiàn)的特點。

 

因此，大數(shù)據(jù)驅(qū)動下人工智能的理論創(chuàng)新，如未知建模、模型魯棒性和可解釋性、不完全信息下的博弈、人在回路等，將有助于人工智能向強人工智能躍進，為自主無人系統(tǒng)、群體協(xié)作智能、混合增強智能提供技術(shù)支撐。由大數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能的發(fā)展，最近被以各種方式用于實現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自進化、安全、可驗證的智能模型和基礎(chǔ)理論算法、超大規(guī)模高性能機器學(xué)習(xí)范式等技術(shù)研究。人工智能可以提高未知模型的性能。例如，我們可以用它來優(yōu)化碳基材料和超材料的設(shè)計過程。此外，它還可以用來幫助實現(xiàn)針對群體智能的游戲，并通過計算架構(gòu)賦予機器學(xué)習(xí)能力。大數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能將促進“數(shù)據(jù)+因果關(guān)系”的科學(xué)研究方法，成為4+范式。4+范式的核心是在知識引導(dǎo)、數(shù)據(jù)驅(qū)動和經(jīng)驗學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上研究模型方法，用知識引導(dǎo)的推導(dǎo)、數(shù)據(jù)驅(qū)動的歸納、環(huán)境反饋的循環(huán)規(guī)劃等新理論和新技術(shù)來支撐智能社會。

 

然而，目前的人工智能技術(shù)仍存在感知智能適應(yīng)性差、認(rèn)知機制不清晰、通用人工智能發(fā)展不力等問題。人工智能亟需在算法上取得突破，形成新一代安全可靠的智能。該領(lǐng)域有以下熱點：如何將數(shù)據(jù)驅(qū)動、知識引導(dǎo)和經(jīng)驗學(xué)習(xí)機制結(jié)合起來，形成更具有可解釋性、穩(wěn)定性、公平性和可操作性的模型，可以追溯模型的輸出結(jié)果（具有可解釋性和因果性），實現(xiàn)對可能錯誤的魯棒性，并實現(xiàn)對未知建模問題的學(xué)習(xí)能力。

 

 

圖5 大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的人工智能技術(shù)示意圖

 

六、結(jié)論

 

在智能社會發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)市場、工業(yè)技術(shù)發(fā)展、智能軍事對抗等的驅(qū)動下，信息與電子工程領(lǐng)域在不同層面、不同技術(shù)領(lǐng)域涌現(xiàn)出了多項新興技術(shù)，圍繞著電子信息基礎(chǔ)理論、電子信息材料和器件制備工藝及信息產(chǎn)生、傳輸、處理、利用等多方面形成了系列創(chuàng)新技術(shù)群，醞釀著顛覆性技術(shù)，從而影響生產(chǎn)、生活的方方面面，具有“潤物細無聲”的效果。本文僅拋磚引玉地列舉了部分可能具有突破性的方向，而具有顛覆性可能的技術(shù)遠不止此，在感知處理方面還有如柔性電磁材料和電子設(shè)備、基于自旋電子學(xué)的器件和設(shè)備、二維材料、智能傳感等技術(shù)，在通信方面還有全新一代6G通信技術(shù)等，在網(wǎng)絡(luò)方面還有天地一體化網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)等，均為顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)提供了肥沃的“土壤”。我們也相信在不久的將來，信息與電子工程領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)出系列顛覆性技術(shù)再次改變?nèi)祟惿鐣倪\行方式，并醞釀下一次工業(yè)革命。