回看剛過去的2021年半導體和新興產業,維科網在新舊交替之際,維科網電子工程梳理總結了十大前沿技術及其展望:

一、量子計算

量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。對照于傳統的通用計算機,其理論模型是通用圖靈機;通用的量子計算機,其理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。

從可計算的問題來看,量子計算機只能解決傳統計算機所能解決的問題,但是從計算的效率上,由于量子力學疊加性的存在,某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的通用計算機。

2016年中國科學技術大學的量子信息重點實驗室李傳鋒教授研究組首次研制出非局域量子模擬器,并且模擬了宇稱—時間(Parity-time, PT)世界中的超光速現象。

這一實驗充分展示了非局域量子模擬器在研究量子物理問題中的重要作用。

量子模擬器是解決特定問題的專用量子計算機,這一概念最早由費曼于1981年提出。費曼認為自然界本質上是遵循量子力學的,只有用遵循量子力學的裝置,才能更好地模擬它,這個力學裝置就是量子模擬器。量子模擬器研究中,人們更多關注的是它的量子加速能力,通常情況下,一個量子模擬器所操控的量子比特數越多,它的運算能力就越強。

2021年10月,中科院量子信息與量子科技創新研究院科研團隊在超導量子和光量子兩種系統的量子計算方面取得重要進展,使中國成為世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。

據媒體報道,2022年1月23日,我國首個量子計算全球開發者平臺正式上線。該平臺前身為國內首個以“量子計算”為主要特色的雙創平臺,目前正式升級為2.0版,更新為“量子計算全球開發者平臺”,旨在將量子計算全球開發者平臺打造成國內首個“經典-量子”協同的量子計算開發和應用示范平臺,推進量子計算產業落地。

二、邊緣計算

邊緣計算,是指在靠近物或數據源頭的一側,采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺,就近提供最近端服務。

其應用程序在邊緣側發起,產生更快的網絡服務響應,滿足行業在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。邊緣計算處于物理實體和工業連接之間,或處于物理實體的頂端。

邊緣計算著重要解決的問題,是傳統云計算模式下存在的高延遲、網絡不穩定和低帶寬問題。舉一個現實的例子,幾乎所有人都遇到過手機APP 出現404錯誤的情況 ,這樣的一些錯誤出現就和網絡狀況、云服務器帶寬限制有關系。

由于資源條件的限制,云計算服務不可避免收到高延遲、和網絡不穩定帶來的影響,但是通過將部分或者全部處理程序遷移至靠近用戶或數據收集點,邊緣計算能夠大大減少在云中心模式站點下給應用程序所帶來的影響。

僅在2021年上半年,就有12家邊緣計算企業完成融資,數額從千萬至上億不等。

根據市場研究機構IDC最新的《全球邊緣計算支出報告》指出,到2022年,全球在邊緣計算上的支出預計將達到1760億美元,比2021 年成長14.8%。企業和服務提供商在邊緣解決方案的硬件、軟件和服務上的支出預計將在2025 年保持此成長速度,屆時支出將達到近2740億美元。

三、自動駕駛

自動駕駛汽車,又稱無人駕駛汽車、電腦駕駛汽車,為一種運輸動力的無人地面載具。作為自動化載具,自動駕駛汽車不需要人類操作即能感測其環境及導航。

完全的自動駕駛汽車仍未全面商用化,大多數均為原型機及展示系統,僅有部分可靠技術下放至量產車型,逐漸成為現實。

自動駕駛相關的關鍵技術,包括環境感知、邏輯推理和決策、運動控制、處理器性能等。隨著機器視覺、模式識別軟件和光達系統的進步,車載計算機可以通過將機器視覺、感應器數據和空間數據相結合來控制汽車的行駛。

技術的進步為各家汽車廠商“自動駕駛”的發展奠定了基石。另一方面,普及還存在一些關鍵技術問題需要解決,包括車輛間的通信協議規范,有人無人駕駛車輛共享車道的問題,通用的軟件開發平臺建立、多種傳感器之間信息融合以及視覺算法對環境的適應性問題等。

按照我國《汽車駕駛自動化分級標準》中有明確規定,基于駕駛自動化系統能夠執行動態駕駛任務的程度,根據在執行動態駕駛任務中的角色分配以及有無設計運行條件限制,將駕駛自動化分成L0-L5級。

目前各大汽車廠商追求的技術評級為L4級,即高度自動化;汽車的自動化系統幾乎已經能夠替代駕駛員,由車輛完成所有駕駛操作,但限定道路和環境條件。

但相關業界人士也表示,目前L4級別自動駕駛實際驗證不充分,尚需要大量的運行實例測試系統,各汽車廠商比拼的其實是在開放路段跑了多少里程。

四、腦機接口

腦機接口技術是在人或動物腦部與外部設備間建立的直接連接通道。在單向腦機接口的情況下,電腦接受腦部傳來的命令,或者發送信號到腦部,但不能同時發送和接收信號 。而雙向腦機接口允許腦部和外部設備間的雙向信息交換。在該定義中,"腦"一詞意指有機生命形式的腦部或神經系統 ,而并非僅僅是抽象的" 心智 "。"機"意指任何處理或運算的設備。

2008年,匹茲堡大學神經生物學家宣稱利用腦機接口,猴子能用操縱機械臂給自己喂食——這標志著該技術發展已經容許人們將動物腦與外部設備直接相連。

2020年8月29日,埃隆·馬斯克自己旗下的腦機接口公司Neuralink舉行發布會,找來“三只小豬”向全世界展示了可實際運作的腦機接口芯片和自動植入手術設備。

2021年10月腦虎科技成立,并于2022年1月11日宣布完成9700萬元的天使輪及Pre-A輪融資,這是目前國內腦機接口領域最大規模的早期融資,主要投資機構包括盛大、紅杉資本、涌鏵等。

值得關注的是,在學術界因腦機接口技術衍生出的倫理學爭論目前尚未解決。腦機接口技術原本是為修復殘疾人的受損功能,但也不能忽視可能將帶來一系列關于“何為人類”、“心靈控制”等問題。

五、全真互聯網/元宇宙

元宇宙一詞誕生于1992年的科幻小說《雪崩》,小說描繪了一個龐大的虛擬現實世界,在這里,人們用數字化身來控制,并相互競爭以提高自己的地位,到現在看來,描述的還是超前的未來世界。

本質上是對現實世界的虛擬化、數字化過程,需要對內容生產、經濟系統、用戶體驗以及實體世界內容等進行大量改造。但元宇宙的發展是循序漸進的,是在共享的基礎設施、標準及協議的支撐下,由眾多工具、平臺不斷融合、進化而最終成形。它基于擴展現實技術提供沉浸式體驗,基于數字孿生技術生成現實世界的鏡像,基于區塊鏈技術搭建經濟體系,將虛擬世界與現實世界在經濟系統、社交系統、身份系統上密切融合,并且允許每個用戶進行內容生產和世界編輯。

2021年是全真互聯網/元宇宙元年,2021年初,Soul App在行業內首次提出構建“社交元宇宙”。2021年3月,被稱為元宇宙第一股的羅布樂思正式在紐約證券交易所上市;5月,微軟首席執行官薩蒂亞·納德拉表示公司正在努力打造一個“企業元宇宙”;8月,英偉達宣布推出全球首個為元宇宙建立提供基礎的模擬和協作平臺;8月,字節跳動斥巨資收購VR創業公司Pico;10月28日,美國社交媒體巨頭臉書(Facebook)宣布更名為“元”(Meta),來源于“元宇宙”(Metaverse)。

2021年12月21日,百度發布的首個國產元宇宙產品“希壤”正式開放定向內測,用戶憑邀請碼可以進入希壤空間進行超前體驗。

六、云計算

是分布式計算的一種,指的是通過網絡“云”將巨大的數據計算處理程序分解成無數個小程序,然后,通過多部服務器組成的系統進行處理和分析這些小程序得到結果并返回給用戶。

追溯云計算的根源,它的產生和發展與之前所提及的并行計算、分布式計算等計算機技術密切相關,都促進著云計算的成長。但追溯云計算的歷史,可以追溯到1956年,ChristopherStrachey發表了一篇有關虛擬化的論文,正式提出了虛擬化的概念。虛擬化是今天云計算基礎架構的核心,是云計算發展的基礎。而后隨著網絡技術的發展,逐漸孕育了云計算的萌芽。

在2006年8月9日,Google首席執行官埃里克·施密特(Eric Schmidt)在搜索引擎大會(SESSanJose2006)首次提出“云計算”(Cloud Computing)的概念。這是云計算發展史上第一次正式地提出這一概念,有著巨大的歷史意義。

2007年以來,“云計算”成為了計算機領域最令人關注的話題之一,同樣也是大型企業、互聯網建設著力研究的重要方向。因為云計算的提出,互聯網技術和IT服務出現了新的模式,引發了一場變革。

在2008年,微軟發布其公共云計算平臺(Windows Azure Platform),由此拉開了微軟的云計算大幕。同樣,云計算在國內也掀起一場風波,許多大型網絡公司紛紛加入云計算的陣列。

2009年1月,阿里軟件在江蘇南京建立首個“電子商務云計算中心”。同年11月,中國移動云計算平臺“大云”計劃啟動。到現階段,云計算已經發展到較為成熟的階段。

一直到2021年,我國云計算整體市場規模將達到2308億元左右 ,到2025年市場規模有望突破5400億元。

七、AIoT

AIoT意為智聯網,由AI(人工智能)+IoT(物聯網)兩部分融合而成。AIoT融合AI技術和IoT技術,通過物聯網產生、收集來自不同維度的、海量的數據存儲于云端、邊緣端,再通過大數據分析,以及更高形式的人工智能,實現萬物數據化、萬物智聯化。

隨著AI、IoT、云計算、大數據等技術的快速發展,和在眾多產業中的垂直產業落地應用,AI與IoT在實際項目中的融合落地變得越來越多。AIoT作為一種新的IoT應用形態存在,與傳統的IoT區別在,傳統的物聯網是通過有線和無線網絡,實現物-物、人-物之間的相互連接。

而AIoT不僅是實現設備和場景間的互聯互通,還要實現物-物、人-物、物-人、人-物-服務之間的連接和數據的互通,以及人工智能技術對物聯網的賦能進而實現萬物之間的相互融合。使得用戶獲得更加個性化的更好的使用體驗、更好的操作感受。最終目的是讓用戶或使用方獲得:“安全、簡單、便捷、舒適的體驗”。

數據是萬物互聯、人機交互的基礎。AI的介入讓IoT有了連接的“大腦”。同樣,歸功于當前存儲技術發展,讓數據有了基本的“后勤保障”。云服務的快速擴張,則讓數據有了發揮價值的物質基礎。

AI、IoT“一體化”后,“人工智能”逐漸向“應用智能”發展。深度學習需要物聯網的傳感器收集,物聯網的系統,也需要靠人工智能做到正確的辨識、發現異常、預測未來,由此可見,人工智能結合物聯網(AIoT)是接下來的重大發展,而這樣的發展,影響到各行各業,甚至會進行產業顛覆,也就是說,接下來AIoT服務,將在我們身邊大量出現。

八、5G/6G

5G與6G其實也是相輔相成的,如果沒有5G的快速發展,那么6G自然很難推廣,所以要談6G,必須得先說5G。

2013年4月,工信部、發展改革委、科技部共同支持成立IMT-2020(5G)推進組,作為5G推進工作的平臺,推進組旨在組織國內各方力量、積極開展國際合作,共同推動5G國際標準發展。2013年4月19日,IMT-2020(5G)推進組第一次會議在北京召開。

2016年1月,中國5G技術研發試驗正式啟動,于2016-2018年進行實施,分為5G關鍵技術試驗、5G技術方案驗證和5G系統驗證三個階段。

2016年5月31日,第一屆全球5G大會在北京舉行。本次會議由中國、歐盟、美國、日本和韓國的5個5G推進組織聯合主辦。工業和信息化部部長苗圩出席會議并致開幕詞。苗圩指出,發展5G已成為國際社會的戰略共識。5G將大幅提升移動互聯網用戶業務體驗,滿足物聯網應用的海量需求,推動移動通信技術產業的重大飛躍,帶動芯片、軟件等快速發展,并將與工業、交通、醫療等行業深度融合,催生工業互聯網、車聯網等新業態。

在5G基礎設施建設上,截至2021年11月底,我國累計建成5G基站139.6萬個,覆蓋全國所有地級以上城市市區,超過97%的縣區以及50%的鄉鎮鎮區。

5G智能終端中以5G智能手機最具代表性,據中國信通院發文稱,截至2021年12月底,我國共有671款5G終端獲得進網許可,其中491款5G手機、161款無線數據終端、19款車載無線終端。

從出貨量上看,2021年1-12月,我國5G手機出貨量達2.66億部,同比增長63.5%,占同期手機出貨量的75.9%,遠高于全球40.7%的平均水平。

近日有媒體公布了一份相關機構的調查結果,根據6G核心技術占有率榜單顯示,中國的6G技術專利占比達到40.3%。

按照排名其他國家和地區占比依次為美國35.2%、日本9.9%、歐盟8.9%、韓國4.2%、其他1.5%。

除了與美國拉開5%的差距外,與其他國家相比6G技術幾乎不在一個量級。

6G網絡將是一個地面無線與衛星通信集成的全連接世界,通過將衛星通信整合到6G移動通信,實現全球無縫覆蓋,網絡信號能夠抵達任何一個偏遠的鄉村。

所以,未來對地面基站無線寬度等指標的要求會越來越高,中國所申請的6G專利大都關于移動基站等基礎設施,優先研究6G地面移動基站。

這其中既有“國家隊”國家電網、中國航天科技集團,又有華為、中興等民營企業的貢獻。

如華為在2017年便在5G的基礎上先人一步開展了6G相關技術的研究,在加拿大、法國成立了研發中心,而那時5G相關標準專利還未清楚劃分。

中國國在6G技術方面的探索,需要也必須保持專利技術領先的地位。因為6G領域的競爭將更加激烈,它涉及到航空航天、太空組網,也涉及到了國家信息安全。

對于中國的“國家隊”和“民營隊”而言,都將面臨諸多挑戰。

九、AR/VR

增強現實技術(AR),是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術,是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術,這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。

虛擬現實技術(VR),又稱靈境技術,是20世紀發展起來的一項全新的實用技術。虛擬現實技術囊括計算機、電子信息、仿真技術于一體,其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感。

簡單來說,虛擬現實是把真實的你帶進虛擬世界里,看到的一切都是假象,而增強現實則是將虛擬影像在真實世界中呈現,你可以分辨哪些是真的,哪些是假的。

十、硅光芯片

在半導體上,與電子相比,光子作為信息載體有其獨特優勢:光子沒有靜止質量,光子之間的干擾相對更弱,光的不同波長可用于多路同時通信,使其帶寬更大、速率更高。

早在1985年,被譽為“硅基光電子之父”的理查德·索里夫,首次提出并驗證了單晶硅作為通信波長的導波材料。這意味著在硅基平臺上成功“捕獲”了光子,實現了光子器件集成于硅片之上。

因技術上的原因,直到21世紀初,以Intel和IBM為首的企業與學術機構才率先重點發展硅芯片光學信號傳輸技術,期望能用光通路取代芯片之間的數據電路。

硅光芯片制造技術是基于硅和硅基襯底材料,利用互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝進行光器件開發和集成的技術,其結合了集成電路技術超大規模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢,與現有的半導體晶圓制造技術是相輔相成的。

我國十分重視硅光芯片產業的發展。但剛開始時,國內的高端硅光芯片以設計為主,流片主要還是在國外,芯片制備的周期長、成本高,制約了我國硅光子技術的發展。

盡管硅光技術日趨成熟,硅光芯片即將進入規模化商用階段,但是仍存在需要突破的技術瓶頸,如設計工具非標準化、硅光耦合工藝要求較高以及晶圓自動測試及切割等存在技術性挑戰。

我國在硅光芯片的研發上已經取得了技術突破,但在產業化方面,國產硅光芯片產業化技術還存在一些問題,包括結構設計、制造工藝、器件封裝和應用配套等,需要不斷發展成熟。

2017年11月28日,工信部正式批復同意武漢建設國家信息光電子創新中心,該中心由光迅科技、烽火通信、亨通光電等國內多家企業和研發機構共同參與建設,匯聚了國內信息光電子領域超過60%的創新資源,承載著解決我國信息光電子制造業“關鍵和共性技術協同研發”及“實現首次商業化”的戰略任務,著力破解信息光電子“缺芯”的局面。

2017年,上海市政府將硅光子列入首批市級重大專項,投入大量經費,布局硅基光互連芯片的研發和生產,旨在打造硅光芯片全產業鏈,掌握關鍵核心技術,讓國內企業擺脫對國外供應商的依賴。

2018年10月,由重慶市政府重磅打造的國家級國際化新型研發機構聯合微電子中心有限責任公司在重慶注冊成立,首期投資超100億元。

工信部2017年底發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖(2018—2022年)》指出,目前高速率光芯片國產化率僅3%左右,要求2022年中低端光電子芯片的國產化率超過60%,高端光電子芯片國產化率突破20%。

2021年12月27日,來自國家信息光電子創新中心消息顯示,中國信息通信科技集團光纖通信技術和網絡國家重點實驗室聯合國家信息光電子創新中心(NOEIC)、鵬城實驗室,在國內率先完成了1.6Tb/s硅基光收發芯片的聯合研制和功能驗證。

硅基光電子技術利用大規模半導體制造工藝這一平臺,可在絕緣體薄膜硅片上,集成信息吞吐所需的各種光子、電子、光電子器件,包括光源、光波導、調制器、探測器和晶體管集成電路等,從而在一個小小的芯片上實現光電子技術和微電子技術的高效整合。在量子通信、數據中心、智能駕駛、消費電子等對尺寸更加敏感的領域,有很大的應用空間,將會顛覆性改變人們未來生活方式。