2021十大科技前沿趨勢(shì)

2020年，新冠疫情席卷全球，世界處于百年未有之大變局，風(fēng)云激蕩。2020年，科技之光閃耀中國(guó)。中國(guó)將科技自立自強(qiáng)作為國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，圍繞保障人民生命健康加強(qiáng)疫情防控科研攻關(guān)，“充分發(fā)揮科技對(duì)疫情防控的支撐作用”，以科技實(shí)現(xiàn)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，助力經(jīng)濟(jì)，打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)、污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，成為2020年全球唯一正增長(zhǎng)的主要經(jīng)濟(jì)體。

2021年，科學(xué)技術(shù)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用將大大加快。為更好地預(yù)知未來(lái)科技趨勢(shì)，掌握科技前沿動(dòng)態(tài)，《科技智囊》編輯部結(jié)合騰訊研究院《變量——2021數(shù)字科技前沿應(yīng)用趨勢(shì)》、阿里達(dá)摩院《2021年十大科技趨勢(shì)》、貝恩公司《2021年十大科技趨勢(shì)》、TrendForce集邦咨詢《2021年十大科技趨勢(shì)》、《IEEE全球CIO、CTO訪問(wèn)調(diào)研：2021年的機(jī)遇和挑戰(zhàn)以及關(guān)鍵的科技趨勢(shì)》、智利《第三版時(shí)報(bào)》網(wǎng)站《2021年企業(yè)的十大科技趨勢(shì)》、智源研究院《2021年十大人工智能技術(shù)趨勢(shì)》、李鐵夫《前沿科技·芯片技術(shù)10講》等研究報(bào)告，整理出2021年十大科技前沿趨勢(shì)。

一、人工智能（AI）向縱深發(fā)展

人工智能使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬人腦的運(yùn)轉(zhuǎn)，并將科學(xué)和邏輯流程結(jié)合在一起。多家研究機(jī)構(gòu)在2021年的科技趨勢(shì)中均提及了人工智能（AI），經(jīng)濟(jì)學(xué)人智庫(kù)預(yù)測(cè)，至2025年，銀行和保險(xiǎn)公司的AI投資將增加86%。在新冠肺炎疫情的沖擊下，AI技術(shù)加速發(fā)展，2021年將繼續(xù)成為企業(yè)、政府、科研機(jī)構(gòu)及資本和市場(chǎng)等各方關(guān)注的熱點(diǎn)。

智源研究院專門針對(duì)人工智能技術(shù)，發(fā)布了《2021年十大人工智能技術(shù)趨勢(shì)》。

趨勢(shì)1：科學(xué)計(jì)算中的數(shù)據(jù)與機(jī)理融合建模;趨勢(shì)2：深度學(xué)習(xí)理論迎來(lái)整合與突破;趨勢(shì)3：機(jī)器學(xué)習(xí)向分布式隱私保護(hù)方向演進(jìn);趨勢(shì)4：大規(guī)模自監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練方法進(jìn)一步發(fā)展;趨勢(shì)5：基于因果學(xué)習(xí)的信息檢索模型與系統(tǒng)成為重要發(fā)展方向;趨勢(shì)6：類腦計(jì)算系統(tǒng)從“專用”向“通用”逐步演進(jìn);趨勢(shì)7：類腦計(jì)算從散點(diǎn)獨(dú)立研究向多點(diǎn)迭代發(fā)展邁進(jìn);趨勢(shì)8：神經(jīng)形態(tài)硬件特性得到進(jìn)一步的發(fā)掘并用于實(shí)現(xiàn)更為先進(jìn)的智能系統(tǒng);趨勢(shì)9：人工智能從腦結(jié)構(gòu)啟發(fā)走向結(jié)構(gòu)與功能啟發(fā)并重;趨勢(shì)10：人工智能計(jì)算中心成為智能化時(shí)代的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

二、“云”技術(shù)多樣化發(fā)展

受新冠疫情、封鎖措施和隨時(shí)隨地辦公模式驅(qū)動(dòng)，云需求出現(xiàn)快速增長(zhǎng)。2021年“云”將呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢(shì)。

使用多個(gè)公共云。研究指出，自2019年以來(lái)，多云策略已成為70%公司的通用策略。云數(shù)據(jù)安全成為必選項(xiàng)。公共云可以實(shí)現(xiàn)工作負(fù)載的即時(shí)部署，而無(wú)須準(zhǔn)備裸金屬。使用公共云，可以在幾分鐘之內(nèi)獲得一個(gè)平滑的公共云虛擬機(jī)，或者在某些情況下，獲得平臺(tái)即服務(wù)實(shí)例，公共云立刻為服務(wù)請(qǐng)求做好準(zhǔn)備。

云數(shù)據(jù)安全將迎來(lái)市場(chǎng)和技術(shù)的雙輪爆發(fā)。云數(shù)據(jù)安全已經(jīng)從傳統(tǒng)安全技術(shù)的“伴生”和“保值”，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字經(jīng)濟(jì)形態(tài)下的“原生”和“增值”，將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力。伴隨可信計(jì)算等數(shù)據(jù)安全技術(shù)概念的逐漸清晰，數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)法規(guī)的建設(shè)完善，國(guó)密體系和多方安全、同態(tài)加密等新型密碼軟硬件技術(shù)的逐步成熟，云數(shù)據(jù)安全產(chǎn)品和解決方案將呈現(xiàn)百花齊放的發(fā)展態(tài)勢(shì)，迎來(lái)市場(chǎng)和技術(shù)的雙輪爆發(fā)。

云原生技術(shù)將推動(dòng)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)再次升級(jí)。云原生技術(shù)充分沿用云計(jì)算的設(shè)計(jì)理念，將網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、操作系統(tǒng)、業(yè)務(wù)流程等基礎(chǔ)架構(gòu)層高度抽象化，更高效地應(yīng)用和管理異構(gòu)硬件和異構(gòu)環(huán)境下的各類云計(jì)算資源，向上支撐多種負(fù)載，包括大數(shù)據(jù)計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等創(chuàng)新性的服務(wù)，高效解決部署一致性問(wèn)題，并極大地降低云服務(wù)的使用門檻;為企業(yè)上云用云提供嶄新的技術(shù)方式，幫助企業(yè)快速享受到云計(jì)算帶來(lái)的成本和效率優(yōu)勢(shì)，全面加速企業(yè)數(shù)字化創(chuàng)新升級(jí)進(jìn)程，并終將推動(dòng)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的再次升級(jí)。

三、5G基站建設(shè)加速

5G的運(yùn)行速度最高可比4G快100倍，大大降低了延遲，從而實(shí)現(xiàn)極速共享數(shù)據(jù)，消除處理延遲，同時(shí)其連接的可靠性，為隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接提供了有力保障，確保關(guān)鍵任務(wù)得以持續(xù)、無(wú)障礙執(zhí)行。

2021年全球運(yùn)營(yíng)商加速5G基站建設(shè)，日韓已搶先關(guān)注6G。2021年，電信運(yùn)營(yíng)商將大力推動(dòng)5G獨(dú)立（SA）組網(wǎng)架構(gòu)，除提供高速和大容量通信外，亦可根據(jù)應(yīng)用程序定制網(wǎng)絡(luò)和適用超低延遲網(wǎng)絡(luò)需求。在5G技術(shù)展開(kāi)之余，日本NTT DoCoMo、韓國(guó)SK Telecom（SKT）等已開(kāi)始關(guān)注6G，強(qiáng)調(diào)未來(lái)有更多XR設(shè)備整合（包括VR、AR、MR、8K和更多圖像），使用全像投影（Holography）交流將變得更為真實(shí)，遠(yuǎn)端工作、控制、醫(yī)學(xué)、教育等有望得以推廣。

四、虛擬連接現(xiàn)實(shí)向體驗(yàn)和場(chǎng)景縱深演進(jìn)

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）將個(gè)人沉浸在環(huán)境中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）擴(kuò)大用戶的環(huán)境，混合現(xiàn)實(shí)（MR）通過(guò)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)虛擬場(chǎng)景信息，在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個(gè)交互反饋的信息回路，以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感。

現(xiàn)實(shí)虛擬化主要借助數(shù)字化的感知、AI渲染、NLP等多種技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界在數(shù)字空間的完美重現(xiàn)，還可以形成聽(tīng)、說(shuō)、讀、寫(xiě)、想能力的虛擬人;虛擬真實(shí)化不僅可借助3D打印等技術(shù)，將虛擬設(shè)計(jì)中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體在現(xiàn)實(shí)中呈現(xiàn)，還可以將虛擬信息帶入真實(shí)世界中，讓人們和虛擬角色、物體進(jìn)行交互;全息互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步把分布于世界各地的人、事、物同步“投影”到一起，跨越時(shí)間、地點(diǎn)和語(yǔ)言，甚至跨越虛擬和真實(shí)世界的界限，讓所有人進(jìn)行更真實(shí)和更親密的互動(dòng);未來(lái)，在虛實(shí)集成的世界里，還將出現(xiàn)穿梭于虛擬和真實(shí)之間，改變時(shí)間和游戲規(guī)則的智能執(zhí)行體。

2021年，在企業(yè)和教育機(jī)構(gòu)購(gòu)買帶動(dòng)下，面向企業(yè)和教育機(jī)構(gòu)的VR、AR和MR（統(tǒng)稱為XR或數(shù)字現(xiàn)實(shí)）可穿戴頭盔的銷量將在2021年比2019年增長(zhǎng)100%。

新冠病毒感染風(fēng)險(xiǎn)促使員工和學(xué)生加大應(yīng)用這類頭盔，開(kāi)展虛擬教育而非面對(duì)面教學(xué)，從而拉動(dòng)頭盔在某些市場(chǎng)加速增長(zhǎng)。

五、物聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)化為智聯(lián)網(wǎng)

2021年物聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)化為智聯(lián)網(wǎng)，以深度結(jié)合AI作為提升價(jià)值的主要核心。居家環(huán)境中，物聯(lián)網(wǎng)將家里的設(shè)備連接，例如通過(guò)向智能手機(jī)或電子設(shè)備助手下達(dá)命令，即可打開(kāi)或關(guān)閉家用電器、門鎖或照明設(shè)備。在以制造端來(lái)看，非接觸技術(shù)加速工業(yè)4.0的導(dǎo)入，在智慧工廠追求韌性、彈性及效率下，AI將致力于使Cobot、無(wú)人機(jī)等邊緣端設(shè)備具更高精度及檢測(cè)能量，由自動(dòng)化步入自主化。在醫(yī)療業(yè)方面，AI將數(shù)據(jù)加值于流程優(yōu)化與場(chǎng)域延伸，更快的影像辨識(shí)以支援臨床決策乃至遠(yuǎn)端問(wèn)診與手術(shù)輔助，皆是AI醫(yī)聯(lián)網(wǎng)未來(lái)整合技術(shù)至智慧院所、遠(yuǎn)距醫(yī)療的重要方向。

新冠肺炎疫情中數(shù)字經(jīng)濟(jì)所展現(xiàn)出來(lái)的韌性讓企業(yè)更加重視工業(yè)智能的價(jià)值，加之?dāng)?shù)字技術(shù)的進(jìn)步普及、新基建的投資拉動(dòng)。這些因素將共同推動(dòng)工業(yè)智能從單點(diǎn)智能快速躍遷到全局智能，特別是汽車、消費(fèi)電子、品牌服飾、鋼鐵、水泥、化工等具備良好信息化基礎(chǔ)的制造業(yè)，貫穿供應(yīng)鏈、生產(chǎn)、資產(chǎn)、物流、銷售等各環(huán)節(jié)在內(nèi)的企業(yè)生產(chǎn)決策閉環(huán)的全局智能化應(yīng)用將大規(guī)模涌現(xiàn)。

工業(yè)智能將在多重利好推動(dòng)下取得長(zhǎng)足發(fā)展。首先是信息技術(shù)的進(jìn)步和普及，2019年中國(guó)云基礎(chǔ)架構(gòu)投資首次超過(guò)傳統(tǒng)IT基礎(chǔ)架構(gòu)投資，新舊技術(shù)間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)交替;人工智能在質(zhì)量檢測(cè)等制造業(yè)場(chǎng)景中得到了能力證明;而5G時(shí)代的到來(lái)也將為物聯(lián)網(wǎng)拓展新的應(yīng)用場(chǎng)景。其次，新冠肺炎疫情對(duì)工業(yè)智能的發(fā)展起到了加速作用。疫情下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所展現(xiàn)出來(lái)的韌性，推動(dòng)其成為制造企業(yè)應(yīng)對(duì)未來(lái)不確定性時(shí)的立足之本。最后，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為“新基建”的重要組成部分，將會(huì)迎來(lái)更好的政策環(huán)境和更大的投資力度，促進(jìn)整個(gè)生態(tài)體系不斷壯大完善。

六、產(chǎn)業(yè)區(qū)塊鏈推動(dòng)數(shù)據(jù)要素市場(chǎng)化

美國(guó)政府將使用區(qū)塊鏈技術(shù)或分布式賬本技術(shù)開(kāi)發(fā)新項(xiàng)目作為國(guó)家安全策略，中國(guó)已經(jīng)在推進(jìn)正式采用中央銀行數(shù)字貨幣的項(xiàng)目，將成為世界上第一個(gè)擁有數(shù)字貨幣的國(guó)家。普華永道在發(fā)布的相關(guān)報(bào)告中指出，區(qū)塊鏈技術(shù)有望在2030年使世界國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）增長(zhǎng)1.76萬(wàn)億美元，為衛(wèi)生、金融、物流、分銷或公共部門等不同領(lǐng)域創(chuàng)造價(jià)值。

區(qū)塊鏈在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用可有效加強(qiáng)多方間的協(xié)作信任，提升系統(tǒng)的安全性和可信性，并簡(jiǎn)化流程、降低成本。但區(qū)塊鏈在商業(yè)化場(chǎng)景的真正發(fā)力，需要服務(wù)于數(shù)據(jù)要素的市場(chǎng)化。具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，資產(chǎn)數(shù)字化，即以傳統(tǒng)金融資產(chǎn)為主流開(kāi)始進(jìn)行數(shù)字化遷移，這一過(guò)程對(duì)IOT設(shè)備的普及提出了更高要求，同時(shí)也催生了資產(chǎn)網(wǎng)關(guān)的全新角色。這一角色將成為傳統(tǒng)資產(chǎn)上鏈的樞紐，確保真實(shí)性與可校驗(yàn)。第二，數(shù)字資產(chǎn)化，即以互聯(lián)網(wǎng)原生的產(chǎn)品為資產(chǎn)，如原創(chuàng)的文字、音樂(lè)、圖片作品等。這需要推動(dòng)跨鏈、輔助上鏈及周邊設(shè)施的發(fā)展，基于區(qū)塊鏈的確權(quán)與交易將成為基礎(chǔ)設(shè)施。

七、自動(dòng)駕駛走向規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用

在各地鼓勵(lì)政策支持下，自動(dòng)駕駛測(cè)試和智能網(wǎng)聯(lián)先導(dǎo)示范在全國(guó)數(shù)十個(gè)城市全面鋪開(kāi)。支持在限定場(chǎng)景脫手的自動(dòng)駕駛輔助巡航和自主泊車系統(tǒng)，已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化落地，預(yù)計(jì)2021年滲透率會(huì)有大幅攀升。開(kāi)放區(qū)域完全的自動(dòng)駕駛落地，需要百億公里級(jí)別的測(cè)試數(shù)據(jù)，只依靠實(shí)際路測(cè)，在效率和成本方面都是無(wú)法完成的挑戰(zhàn)。而仿真測(cè)試平臺(tái)真實(shí)還原測(cè)試場(chǎng)景，高效利用路采數(shù)據(jù)生成仿真場(chǎng)景，結(jié)合云端大規(guī)模并行加速等能力，能滿足自動(dòng)駕駛感知、決策規(guī)劃和控制全棧算法的閉環(huán)，符合汽車V字開(kāi)發(fā)流程。隨著仿真技術(shù)水平的提高和應(yīng)用普及，仿真平臺(tái)有望完成99.9%的行業(yè)測(cè)試量，有力推動(dòng)自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟。

5G網(wǎng)絡(luò)具有大連接、低時(shí)延和高可靠等特點(diǎn)，是推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力之一。當(dāng)前，5G-V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用前景逐漸明朗，相關(guān)研究、標(biāo)準(zhǔn)和落地工作不斷提速，汽車、信息通信和道路交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的連接與融合持續(xù)深化，推動(dòng)著“人-車-路-網(wǎng)-云”互聯(lián)互通的應(yīng)用體系加速形成。隨著中國(guó)、美國(guó)等更多的國(guó)家和地區(qū)采用5G-V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，更加完善的汽車、通信與交通行業(yè)能力配套，以及跨界測(cè)試與示范活動(dòng)進(jìn)入公眾視野，我國(guó)5G-V2X進(jìn)入了從應(yīng)用示范走向規(guī)模商用的關(guān)鍵階段。

八、腦機(jī)接口幫助人類超越生物學(xué)極限

腦機(jī)接口是新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的關(guān)鍵核心技術(shù)。腦機(jī)接口是科學(xué)技術(shù)改變生活的一大里程碑。腦機(jī)接口是人腦與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備之間建立的連接通路和控制渠道。通過(guò)計(jì)算機(jī)接收信號(hào)，人腦可以直接表達(dá)想法或者控制其他設(shè)備，而不需要通過(guò)語(yǔ)言或肢體工作，不依賴于外周神經(jīng)和肌肉——用“意念”控制設(shè)備，解放四肢。

腦機(jī)接口對(duì)神經(jīng)工程的發(fā)展起到了重要支撐與推動(dòng)作用，幫助人類從更高維度空間進(jìn)一步解析人類大腦的工作原理。腦機(jī)接口現(xiàn)在已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，目前主要方向是提升腦電信號(hào)采集信噪比、高帶寬雙向讀寫(xiě)、無(wú)創(chuàng)/微創(chuàng)植入等。在恢復(fù)感覺(jué)方面，腦機(jī)接口的研究比較成熟，商品化的“神經(jīng)義肢”已經(jīng)問(wèn)世。植入式腦機(jī)接口可以恢復(fù)感官系統(tǒng)喪失的功能，如仿生耳（植入人工耳蝸恢復(fù)聽(tīng)力）、仿生眼（植入人工視網(wǎng)膜芯片恢復(fù)視覺(jué)）。

借助腦機(jī)接口，結(jié)合AI可以對(duì)神經(jīng)工程的發(fā)展起到重要支撐與推動(dòng)作用，幫助解決神經(jīng)工程研究中遇到的類似精準(zhǔn)控制等諸多難題，從更高維度空間解析人類大腦的工作原理。今后，腦機(jī)接口的應(yīng)用突破有賴于多學(xué)科合力推進(jìn)、軟硬件技術(shù)協(xié)同發(fā)展，包括硬件方面更精密的電極、更生物友好的材料、更豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)、更明確統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)更強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)算法以及腦科學(xué)研究的關(guān)鍵性進(jìn)展等。

九、量子計(jì)算成為和平時(shí)代的核武器

潘建偉團(tuán)隊(duì)制造的量子計(jì)算機(jī)“九章”實(shí)現(xiàn)了全球領(lǐng)先的算力，超過(guò)谷歌2019年發(fā)布的兩字計(jì)算機(jī)一百億倍。在計(jì)算力方面，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算力將呈現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。比如現(xiàn)在普通計(jì)算機(jī)需要100年計(jì)算出來(lái)的方程組，利用量子計(jì)算機(jī)只需要0.01秒。在潘建偉看來(lái)，量子計(jì)算可以稱為和平時(shí)代的核武器，各個(gè)大國(guó)都無(wú)法承受在量子技術(shù)革命競(jìng)爭(zhēng)中失敗的代價(jià)。

量子計(jì)算是利用量子物理特性高效進(jìn)行信息處理任務(wù)的新型計(jì)算方式，是人類探究微觀世界的重大成果。量子比特的制備和操作，計(jì)算信息的存儲(chǔ)和測(cè)量，都需要特殊環(huán)境和工藝，而目前的技術(shù)還有不容忽視的差錯(cuò)率。因此近期的量子計(jì)算機(jī)有規(guī)模小，含噪聲的特點(diǎn)。為了在當(dāng)前不完美的量子計(jì)算機(jī)上，也能完成一些有意義的計(jì)算任務(wù)，中短期內(nèi)有可能通過(guò)改變過(guò)去相對(duì)獨(dú)立的軟硬件研究，把軟硬件結(jié)合到一起進(jìn)行專有化設(shè)計(jì)。同時(shí)，未來(lái)幾年將有更多的量子算法被發(fā)現(xiàn)，更多的量子系統(tǒng)特點(diǎn)被揭示，以及更多的硬件設(shè)計(jì)加工工藝在精進(jìn)。

2021量子計(jì)算開(kāi)源項(xiàng)目將以廣泛和深入的貢獻(xiàn)，大大降低學(xué)習(xí)和研究的成本，加速創(chuàng)新，并消減非科學(xué)因素撕裂量子社區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。量子計(jì)算還屬于科學(xué)和工程并重的研究階段，各個(gè)地區(qū)的科學(xué)家需要繼續(xù)開(kāi)放性研究。

十、芯片技術(shù)從微型化向智能化轉(zhuǎn)變

2020年，美國(guó)針對(duì)華為等中國(guó)企業(yè)的“芯片斷供”，使國(guó)人深刻體會(huì)到“卡脖子”的痛楚，關(guān)鍵核心技術(shù)必須掌握在自己手中，所以對(duì)芯片技術(shù)的未來(lái)發(fā)展尤為關(guān)注。芯片技術(shù)正在從微型化向智能化的轉(zhuǎn)變。未來(lái)芯片技術(shù)有以下四個(gè)趨勢(shì)：

第一，新原理器件。硅半導(dǎo)體的晶體管技術(shù)已接近極限，環(huán)繞柵結(jié)構(gòu)用柵極把整個(gè)溝道完全包裹起來(lái)，達(dá)到了最強(qiáng)的控制力?？梢猿焦璋雽?dǎo)體晶體管的器件結(jié)的就是新原理器件，比較有希望的是碳納米管或者石墨烯這類低維材料，它們最大的優(yōu)勢(shì)是電子在其中的傳輸速度比在硅材料當(dāng)中要快得多。除了這些新型的低維材料，自旋器件也值得關(guān)注。自旋是電子天然具有的一個(gè)物理維度，是量子計(jì)算的核心。自旋器件是很有希望實(shí)現(xiàn)高速低功耗的器件。不過(guò)這些新材料和新結(jié)構(gòu)的工藝難度非常大，尤其是如果想要做出幾億，甚至幾十億個(gè)器件規(guī)模的集成電路，還要保證均勻性、可靠性，非常困難。這些技術(shù)今天還只是在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模研究階段，但未來(lái)會(huì)有很大的發(fā)展空間。

第二，可重構(gòu)芯片。專用芯片是人工智能技術(shù)在這幾年爆發(fā)的一個(gè)主要原因。在未來(lái)，為了滿足萬(wàn)物互聯(lián)的需求，還需要更多種類，像是小批量的專用芯片，專用芯片的困境就是成本高。一顆芯片若能針對(duì)各種不同類型的問(wèn)題、各種應(yīng)用軟件都能自適應(yīng)地形成一個(gè)最優(yōu)的架構(gòu)，則其對(duì)于任何問(wèn)題都是定制芯片，都能夠高效地解決問(wèn)題。可重構(gòu)芯片技術(shù)就要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。對(duì)于新的問(wèn)題，軟件改變了，硬件能夠在幾十納秒的時(shí)間里面針對(duì)軟件需求進(jìn)行改變。因?yàn)橐活w芯片就可以應(yīng)對(duì)大量不同的場(chǎng)景，就有足夠的銷量來(lái)攤平開(kāi)發(fā)成本，可重構(gòu)芯片技術(shù)是當(dāng)今最前沿的領(lǐng)域之一，未來(lái)十年，這個(gè)領(lǐng)域一定會(huì)有很大的突破。

第三，經(jīng)典芯片和量子計(jì)算混合。經(jīng)典加量子的混合計(jì)算方案，可以用來(lái)解決實(shí)際的人工智能問(wèn)題。將人工智能用于芯片設(shè)計(jì)，就是用芯片研發(fā)出更好的芯片，換句話說(shuō)就是芯片的自我進(jìn)化。谷歌團(tuán)隊(duì)在2020年ISSCC大會(huì)上透露，正在把自家的TPU芯片用在集成電路設(shè)計(jì)中，比如電路布局這個(gè)環(huán)節(jié)。最新的結(jié)果是AI僅用6小時(shí)就完成了以往需要幾周才能完成的工作量，而且還做得更好，減少了布線數(shù)量，提高了面積使用率。在未來(lái)，基于經(jīng)典芯片的人工智能EDA軟件，或者是經(jīng)典加量子混合計(jì)算的人工智能EDA都會(huì)逐步成熟，給芯片技術(shù)帶來(lái)前所未有的推動(dòng)。

第四，類腦芯片。2020年7月15日，英國(guó)公司Graphcore發(fā)布了一款A(yù)I芯片，采用臺(tái)積電7納米加工工藝，上面集成了594億個(gè)晶體管。這可是非常大的一個(gè)數(shù)目，人的大腦也就是900億個(gè)神經(jīng)元?，F(xiàn)在芯片通用的運(yùn)算模式叫做馮諾依曼體系，它的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算是分開(kāi)進(jìn)行的?？梢哉f(shuō)99%的計(jì)算時(shí)間和能耗都花在了數(shù)據(jù)的傳輸上，真正用于計(jì)算的只有1%，效率非常低。大腦的運(yùn)算模式大腦的運(yùn)算模式叫做“存算一體”，都是在神經(jīng)元里面進(jìn)行的。所以大腦進(jìn)行如此復(fù)雜的抽象和推理運(yùn)算，只有20瓦的功耗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的CPU芯片。類腦芯片，就是要仿照大腦的模式進(jìn)行運(yùn)算。類腦芯片的關(guān)鍵點(diǎn)就是存算一體。利用這種新的器件結(jié)構(gòu)和運(yùn)算模式，類腦芯片很有希望實(shí)現(xiàn)高性能低功耗的智能運(yùn)算，甚至達(dá)到一定規(guī)模后，會(huì)不會(huì)有新的智能現(xiàn)象涌現(xiàn)出來(lái)。