2017高技术发展报告_中国科学院_9787030537829_湖南知新文化传播有限公司读者荐购服务

“以科学咨询支撑科学决策、以科学决策引领科学发展”是党和国家赋予中国特色新型智库的光荣使命。中国科学院作为国家自然科学学术机构和科学技术高咨询机构，面向决策组织开展事关国家发展全局和长远的重大问题的咨询研究，面向社会公众传播科学思想和科学理念。全新改版形成的“中国科学院年度报告系列”聚焦国家科学技术发展、创新发展、可持续发展需求，每年向全社会报告相关领域前沿进展，科学解读公众关注的热点问题，为科学决策提供咨询意见，对政府部门、科研院所、大专院校和社会公众具有重要参考价值。

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第*章 2016年高技术发展综述
　　樊永刚张久春（中国科学院科技战略咨询研究院）
　　2016年，面对新一轮科技革命和产业变革的机遇与挑战，世界主要国家持续强化科技创新投入，围绕新一代信息技术、生命与健康、先进制造、先进材料、能源资源、空天海洋等新兴技术和战略高技术的竞争日趋激烈。美国发起寻找癌症治愈疗法的“登月计划”、“全民联网”的宽带网普及计划及“国家微生物组计划”等，以确保其头号科技强国地位。英国在“脱欧”公投后提出启动“国家生产力投资基金”（NPIF），支持科技创新和基础设施，重点支持机器人、人工智能、生物科技、卫星、先进材料等新兴科技领域。德国发布《新高科技战略——德国创新》，重点发展数字经济与社会、可持续经济和能源、健康生活、智能交通等领域。法国调整“新工业法国”战略，聚焦数字经济、智慧物联网、新型能源、未来交通、未来医药等9大领域，并加大投资力度。日本出台《第五期基本计划》，提出加快发展“超智能社会”（“社会5.0”）。中国发布《国家创新驱动发展战略纲要》，启动实施《中国制造2025》，高技术在推动产业结构转型升级、培育经济发展新动能中发挥着不可替代的作用，有力地支撑了创新型国家和小康社会建设。
　　一、信息技术
　　2016年，信息技术领域取得多项重大突破。集成电路领域，在利用原子和分子自组装复杂组件、DNA“折纸术”等新制造工艺方面取得突破性进展。超算领域，中国再次夺冠且实现核心部件国产化，日本在绿色超算领域继续保持领先。人工智能领域，因“阿尔法狗”（AlphaGo）事件，人工智能领域受到空前关注，人脑结构图谱绘制、运动转换成语言、识别银行黑客系统、车对车（V2V）网络等进展也值得关注。云计算和大数据方面，五维存储技术、DNA存储技术、相变存储技术、12U微型数据中心技术等令人印象深刻。网络与通信领域，太赫兹激光器、实用高性能硅激光器、适用于边远地区的移动宽带新技术都有不同程度进展。量子计算和通信领域，量子叠加延长、一维量子超材料、“薛定谔的猫”同时两地的发现、量子计算机模拟实验、量子光学结构集成到芯片上、超导传输量子自旋信息等成就尤为突出。
　　1.集成电路
　　2016年1月，美国麻省理工学院开发出一种全新的芯片制造技术［1］，可将两种晶格大小非常不一致的材料（二硫化钼和石墨烯）集成在同一芯片层上，得到一个横向的异质结构，从而制造出通用计算机的电路元件芯片。与二硫化钼类似的任何材料都可以和石墨烯集成在同一芯片层上，而此前只有晶格非常匹配的材料才能被整合在同一芯片层。新技术有助于将光学元件整合到计算机芯片内，制备出超低能耗的隧穿晶体管处理器，从而制造出功能更强大的计算机。
　　2016年3月，美国杨百翰大学研究人员提出一种用于制造芯片的DNA“折纸术”［2］。DNA体积非常小，具有碱基配对和自组装的能力，可用于构筑更小规模的芯片。新技术将一条长的DNA单链与一系列经过设计的短DNA片段进行碱基互补，从而可控地构造出高度复杂的纳米结构。研究人员采用新技术组装了一个三维管状结构，并让它竖立在芯片底层的硅基底上，然后尝试着用额外的短链DNA将金纳米粒子等其他材料“系”在管子内特定位点上，zui终形成了一个电路。传统芯片制造由于生产设施昂贵、生产步骤多，所以成本高。以往获得速度更快、价格更便宜的芯片通常采用削减生产成本或者缩小元件尺寸的方法，而DNA“折纸术”可以更快、更便宜地制造出计算机芯片。
　　2016年4月，德国亥姆霍兹联合会下属卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）与其他机构合作，开发出一种创造无线数据传输记录的新技术［3］。新技术在太赫兹频率范围内无线传送信号20米的速度是100吉比特/秒。以这个速度可以在2秒内把一张蓝光光碟的内容传送到另一台设备上，速度是此前的数百倍。该技术下一步将朝低成本和实用化的方向发展，未来可显著提高笔记本电脑和其他移动通信设备无线网的接入速度，也可以在卫星上和不值得安装光导纤维的偏远地区进行数据传输。
　　2016年7月，荷兰代尔夫特理工大学成功研制出单原子存储芯片［4］。研究者用扫描式隧道显微镜（STM）的针尖推动材料表面的单原子，制作出比特编码字母的信息，zui终制造出“原子级”存储器，把存储空间缩小到极限。新存储器的存储密度高达500太比特/平方英寸1平方英寸=6.4516平方厘米。（Tbpsi），是目前世界上zui好硬盘技术的500倍，未来可能会大大地推动计算机特别是数据存储器的发展。
　　2016年11月，德国亥姆霍兹联合会下属德累斯顿罗森多夫实验室和帕德博恩大学在开发遗传物质电路方面，通过加入镀金纳米粒子，首次在单链DNA自组装纳米线中检测到电流［5］。传统芯片的制造工艺是把较大尺寸逐步剪切成小尺寸，已达物理极限。而利用原子和分子自组装复杂组件可以替代传统芯片的制造工艺，有可能获得比现有zui小计算机芯片组件小很多的元件，并用来制造非常小的电路。但DNA电线不能很好地导电，新方法将镀金纳米颗粒键合到DNA电线上，再利用电子束光刻技术让每条纳米电线通过电极相连，这样DNA电线内就能精确地检测到电流。该技术未来将不断改进，以获得更好的导电性。
　　2.高性能计算
　　2016年1月，美国推出一台运算速度达5340万亿次/秒的新型超级计算机“夏延”［6］。该计算机的计算能力是目前在美国国家大气研究中心（NCAR）“服役”的超级计算机“黄石”的两倍多，未来将安装在NCAR位于怀俄明州的超级计算中心。它将在GPS和其他传感器技术的协助下，在极端天气、地磁风暴、地震活动、空气质量及火山等诸多领域发挥作用。此外，它还可以更好地模拟大气变化，为美国政府的政策制定和资源管理提供决策支持。
　　2016年6月，中国国家并行计算机工程技术研究中心成功研制出“神威·太湖之光”［7］。该计算机以每秒9.3亿亿次的浮点运算速度在2016年内两次在全球超级计算机500强（TOP500）中夺冠，其速度是原冠军中国“天河二号”的近三倍。特别值得强调的是，“神威·太湖之光”实现了包括处理器（核心处理器“申威26010”）在内的所有核心部件的国产化。
　　2016年6月，日本理化学研究所（RIKEN）的液浸冷却式超级计算机“菖蒲”（Shoubu）蝉联全球节能超级计算机“Green500”排行榜第*名［8］。“菖蒲”的浮点运算能力为6673.84MFLOPS/Watt，已连续3年在“Green500”排名中位居第*。RIKEN的超级计算机“皐月”（Satsuki）位列“Green500”排行榜第二名，运算能力为6195.22 MFLOPS/Watt。这两台超级计算机都采用了英特尔的Xeon处理器和PEZY集团的加速器。中国的“神威·太湖之光”超级计算机位列该排行榜第三位。
　　2016年8月，英特尔公司宣布其海法团队采用14纳米工艺开发出目前公司zui先进的Intel第七代酷睿处理器Kaby Lake［9］。Kaby Lake是处理器Skylake的升级，相比后者，其运行速度提高70%以上，3D图形处理性能提高3.5倍，电池使用寿命更长，安全性更好。此外，它可满足网络用户对高质量视频、超高清高阶标准、360度视频格式、虚拟现实和数字体育内容等的需求。采用Kaby Lake处理器的计算机不需要安装风扇，仅需搭配小型电池，有助于显著减小计算机的厚度和重量。
　　3.人工智能
　　2016年2月，以色列初创企业Nexar推出世界首*V2V网络，以检测道路危险情况并防止撞车事故［16］。V2V网络采用前车防撞预警等实时预警技术，当用户加入网络后，智能手机传感器会分析周围车辆的行进方向、速度、加速度和路况等，然后绘制出交通图，再把信息共享给网络中的用户，以提醒用户躲避危险，防止撞车。至11月该网络已汇聚超过5万名来自旧金山、纽约和特拉维夫用户的数据，利用它可深入了解任何给定时间内的路况。该网络对所有加入网络的用户开放，加入网络的用户越多，发生的交通事故就越少。数据表明，在超过2000万英里1英里≈1.609千米。的全球驾驶里程内，借助该网络避开的危险驾驶事件超过50万起。
　　2016年3月，由美国艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）、哈佛医学院（HMS）和弗兰德斯神经电子学研究中心（NERF）组成的国际小组，公布了神经学领域里程碑式的研究成果——当时zui大的大脑皮层神经元连接网络［10］。多年来，科学家一直在孤立地研究大脑活动和布线。新成果以前所未有的细节在这两个领域之间架起了桥梁，揭示了大脑中有关网络组织机制的几个关键要素，将神经电活动与它们彼此之间的纳米级突触联系起来。
　　2016年3月，美国谷歌的人工智能程序“阿尔法狗”以4∶1击败了围棋世界冠军李世石，成为机器深度学习领域的zui大事件［11］。围棋一向被认为是人工智能领域具有标志性的大挑战。传统的人工智能算法几乎不可能赢得比赛。因此，此次比赛结果表明了人工智能的新飞跃，也给本领域里其他看似难以实现的高级别人类智力项目带来巨大希望。
　　2016年6月，中国科学院自动化研究所脑网络组研究中心与国内外其他科学家合作，历时6年成功绘制出全新人类脑图谱——脑网络组图谱，首次建立了新的脑区亚区尺度上的活体全脑连接图谱［12］。该图谱包括246个精细脑区亚区，以及脑区亚区间的多模态连接模式。研究人员突破了传统脑图谱的绘制思想，利用脑结构和功能连接信息对脑区进行了精细划分和脑图谱的绘制，这比传统的布洛德曼图谱精细4～5倍。这项研究会加深对人类精神和心理活动的认识，为理解人脑结构和功能开辟新途径，有利于治疗临床神经精神疾病，并为类脑智能系统的设计提供重要的启示。
　　2016年9月，美国艾伦脑科学研究所在官网上公布了当时zui完整的数字版人脑结构图谱［13］。该图谱来自对一位因事故离世的34岁健康女性大脑的深入研究，是zui清晰的脑部微观解剖学结构图谱。其zui突出的特点是将宏观高清人脑成像数据和能解释大脑结构的细胞水平的数据集合在一张图中，可为大脑研究人员开展相关研究进行“导航”，帮助他们从大脑的宏观层面进入细胞层面更深刻地认识人类的大脑。
　　2016年11月，法国国家科学研究中心设计出一套全新系统，可直接将人体主要语音发音器（舌、颚、口和嘴唇）的运动转换成智能语音［14］。

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