第*章 2016年高技術發(fā)展綜述 
　　樊永剛 張久春（中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院） 
　　2016年，面對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機遇與挑戰(zhàn)，世界主要國家持續(xù)強化科技創(chuàng)新投入，圍繞新一代信息技術、生命與健康、先進制造、先進材料、能源資源、空天海洋等新興技術和戰(zhàn)略高技術的競爭日趨激烈。美國發(fā)起尋找癌癥治愈療法的“登月計劃”、“全民聯(lián)網(wǎng)”的寬帶網(wǎng)普及計劃及“國家微生物組計劃”等，以確保其頭號科技強國地位。英國在“脫歐”公投后提出啟動“國家生產(chǎn)力投資基金”（NPIF），支持科技創(chuàng)新和基礎設施，重點支持機器人、人工智能、生物科技、衛(wèi)星、先進材料等新興科技領域。德國發(fā)布《新高科技戰(zhàn)略——德國創(chuàng)新》，重點發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟與社會、可持續(xù)經(jīng)濟和能源、健康生活、智能交通等領域。法國調(diào)整“新工業(yè)法國”戰(zhàn)略，聚焦數(shù)字經(jīng)濟、智慧物聯(lián)網(wǎng)、新型能源、未來交通、未來醫(yī)藥等9大領域，并加大投資力度。日本出臺《第五期基本計劃》，提出加快發(fā)展“超智能社會”（“社會5.0”）。中國發(fā)布《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，啟動實施《中國制造2025》，高技術在推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、培育經(jīng)濟發(fā)展新動能中發(fā)揮著不可替代的作用，有力地支撐了創(chuàng)新型國家和小康社會建設。 
　　一、信息技術 
　　2016年，信息技術領域取得多項重大突破。集成電路領域，在利用原子和分子自組裝復雜組件、DNA“折紙術”等新制造工藝方面取得突破性進展。超算領域，中國再次奪冠且實現(xiàn)核心部件國產(chǎn)化，日本在綠色超算領域繼續(xù)保持領先。人工智能領域，因“阿爾法狗”（AlphaGo）事件，人工智能領域受到空前關注，人腦結(jié)構(gòu)圖譜繪制、運動轉(zhuǎn)換成語言、識別銀行黑客系統(tǒng)、車對車（V2V）網(wǎng)絡等進展也值得關注。云計算和大數(shù)據(jù)方面，五維存儲技術、DNA存儲技術、相變存儲技術、12U微型數(shù)據(jù)中心技術等令人印象深刻。網(wǎng)絡與通信領域，太赫茲激光器、實用高性能硅激光器、適用于邊遠地區(qū)的移動寬帶新技術都有不同程度進展。量子計算和通信領域，量子疊加延長、一維量子超材料、“薛定諤的貓”同時兩地的發(fā)現(xiàn)、量子計算機模擬實驗、量子光學結(jié)構(gòu)集成到芯片上、超導傳輸量子自旋信息等成就尤為突出。 
　　1.集成電路 
　　2016年1月，美國麻省理工學院開發(fā)出一種全新的芯片制造技術［1］，可將兩種晶格大小非常不一致的材料（二硫化鉬和石墨烯）集成在同一芯片層上，得到一個橫向的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而制造出通用計算機的電路元件芯片。與二硫化鉬類似的任何材料都可以和石墨烯集成在同一芯片層上，而此前只有晶格非常匹配的材料才能被整合在同一芯片層。新技術有助于將光學元件整合到計算機芯片內(nèi)，制備出超低能耗的隧穿晶體管處理器，從而制造出功能更強大的計算機。 
　　2016年3月，美國楊百翰大學研究人員提出一種用于制造芯片的DNA“折紙術”［2］。DNA體積非常小，具有堿基配對和自組裝的能力，可用于構(gòu)筑更小規(guī)模的芯片。新技術將一條長的DNA單鏈與一系列經(jīng)過設計的短DNA片段進行堿基互補，從而可控地構(gòu)造出高度復雜的納米結(jié)構(gòu)。研究人員采用新技術組裝了一個三維管狀結(jié)構(gòu)，并讓它豎立在芯片底層的硅基底上，然后嘗試著用額外的短鏈DNA將金納米粒子等其他材料“系”在管子內(nèi)特定位點上，zui終形成了一個電路。傳統(tǒng)芯片制造由于生產(chǎn)設施昂貴、生產(chǎn)步驟多，所以成本高。以往獲得速度更快、價格更便宜的芯片通常采用削減生產(chǎn)成本或者縮小元件尺寸的方法，而DNA“折紙術”可以更快、更便宜地制造出計算機芯片。 
　　2016年4月，德國亥姆霍茲聯(lián)合會下屬卡爾斯魯厄理工學院（KIT）與其他機構(gòu)合作，開發(fā)出一種創(chuàng)造無線數(shù)據(jù)傳輸記錄的新技術［3］。新技術在太赫茲頻率范圍內(nèi)無線傳送信號20米的速度是100吉比特/秒。以這個速度可以在2秒內(nèi)把一張藍光光碟的內(nèi)容傳送到另一臺設備上，速度是此前的數(shù)百倍。該技術下一步將朝低成本和實用化的方向發(fā)展，未來可顯著提高筆記本電腦和其他移動通信設備無線網(wǎng)的接入速度，也可以在衛(wèi)星上和不值得安裝光導纖維的偏遠地區(qū)進行數(shù)據(jù)傳輸。 
　　2016年7月，荷蘭代爾夫特理工大學成功研制出單原子存儲芯片［4］。研究者用掃描式隧道顯微鏡（STM）的針尖推動材料表面的單原子，制作出比特編碼字母的信息，zui終制造出“原子級”存儲器，把存儲空間縮小到極限。新存儲器的存儲密度高達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好硬盤技術的500倍，未來可能會大大地推動計算機特別是數(shù)據(jù)存儲器的發(fā)展。 
　　2016年11月，德國亥姆霍茲聯(lián)合會下屬德累斯頓羅森多夫?qū)嶒炇液团恋虏┒鞔髮W在開發(fā)遺傳物質(zhì)電路方面，通過加入鍍金納米粒子，首次在單鏈DNA自組裝納米線中檢測到電流［5］。傳統(tǒng)芯片的制造工藝是把較大尺寸逐步剪切成小尺寸，已達物理極限。而利用原子和分子自組裝復雜組件可以替代傳統(tǒng)芯片的制造工藝，有可能獲得比現(xiàn)有zui小計算機芯片組件小很多的元件，并用來制造非常小的電路。但DNA電線不能很好地導電，新方法將鍍金納米顆粒鍵合到DNA電線上，再利用電子束光刻技術讓每條納米電線通過電極相連，這樣DNA電線內(nèi)就能精確地檢測到電流。該技術未來將不斷改進，以獲得更好的導電性。 
　　2.高性能計算 
　　2016年1月，美國推出一臺運算速度達5340萬億次/秒的新型超級計算機“夏延”［6］。該計算機的計算能力是目前在美國國家大氣研究中心（NCAR）“服役”的超級計算機“黃石”的兩倍多，未來將安裝在NCAR位于懷俄明州的超級計算中心。它將在GPS和其他傳感器技術的協(xié)助下，在極端天氣、地磁風暴、地震活動、空氣質(zhì)量及火山等諸多領域發(fā)揮作用。此外，它還可以更好地模擬大氣變化，為美國政府的政策制定和資源管理提供決策支持。 
　　2016年6月，中國國家并行計算機工程技術研究中心成功研制出“神威·太湖之光”［7］。該計算機以每秒9.3億億次的浮點運算速度在2016年內(nèi)兩次在全球超級計算機500強（TOP500）中奪冠，其速度是原冠軍中國“天河二號”的近三倍。特別值得強調(diào)的是，“神威·太湖之光”實現(xiàn)了包括處理器（核心處理器“申威26010”）在內(nèi)的所有核心部件的國產(chǎn)化。 
　　2016年6月，日本理化學研究所（RIKEN）的液浸冷卻式超級計算機“菖蒲”（Shoubu）蟬聯(lián)全球節(jié)能超級計算機“Green500”排行榜第*名［8］�！拜牌选钡母↑c運算能力為6673.84MFLOPS/Watt，已連續(xù)3年在“Green500”排名中位居第*。RIKEN的超級計算機“皐月”（Satsuki）位列“Green500”排行榜第二名，運算能力為6195.22 MFLOPS/Watt。這兩臺超級計算機都采用了英特爾的Xeon處理器和PEZY集團的加速器。中國的“神威·太湖之光”超級計算機位列該排行榜第三位。 
　　2016年8月，英特爾公司宣布其海法團隊采用14納米工藝開發(fā)出目前公司zui先進的Intel第七代酷睿處理器Kaby Lake［9］。Kaby Lake是處理器Skylake的升級，相比后者，其運行速度提高70%以上，3D圖形處理性能提高3.5倍，電池使用壽命更長，安全性更好。此外，它可滿足網(wǎng)絡用戶對高質(zhì)量視頻、超高清高階標準、360度視頻格式、虛擬現(xiàn)實和數(shù)字體育內(nèi)容等的需求。采用Kaby Lake處理器的計算機不需要安裝風扇，僅需搭配小型電池，有助于顯著減小計算機的厚度和重量。 
　　3.人工智能 
　　2016年2月，以色列初創(chuàng)企業(yè)Nexar推出世界首*V2V網(wǎng)絡，以檢測道路危險情況并防止撞車事故［16］。V2V網(wǎng)絡采用前車防撞預警等實時預警技術，當用戶加入網(wǎng)絡后，智能手機傳感器會分析周圍車輛的行進方向、速度、加速度和路況等，然后繪制出交通圖，再把信息共享給網(wǎng)絡中的用戶，以提醒用戶躲避危險，防止撞車。至11月該網(wǎng)絡已匯聚超過5萬名來自舊金山、紐約和特拉維夫用戶的數(shù)據(jù)，利用它可深入了解任何給定時間內(nèi)的路況。該網(wǎng)絡對所有加入網(wǎng)絡的用戶開放，加入網(wǎng)絡的用戶越多，發(fā)生的交通事故就越少。數(shù)據(jù)表明，在超過2000萬英里1英里≈1.609千米。的全球駕駛里程內(nèi)，借助該網(wǎng)絡避開的危險駕駛事件超過50萬起。 
　　2016年3月，由美國艾倫腦科學研究所（Allen Institute for Brain Science）、哈佛醫(yī)學院（HMS）和弗蘭德斯神經(jīng)電子學研究中心（NERF）組成的國際小組，公布了神經(jīng)學領域里程碑式的研究成果——當時zui大的大腦皮層神經(jīng)元連接網(wǎng)絡［10］。多年來，科學家一直在孤立地研究大腦活動和布線。新成果以前所未有的細節(jié)在這兩個領域之間架起了橋梁，揭示了大腦中有關網(wǎng)絡組織機制的幾個關鍵要素，將神經(jīng)電活動與它們彼此之間的納米級突觸聯(lián)系起來。 
　　2016年3月，美國谷歌的人工智能程序“阿爾法狗”以4∶1擊敗了圍棋世界冠軍李世石，成為機器深度學習領域的zui大事件［11］。圍棋一向被認為是人工智能領域具有標志性的大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工智能算法幾乎不可能贏得比賽。因此，此次比賽結(jié)果表明了人工智能的新飛躍，也給本領域里其他看似難以實現(xiàn)的高級別人類智力項目帶來巨大希望。 
　　2016年6月，中國科學院自動化研究所腦網(wǎng)絡組研究中心與國內(nèi)外其他科學家合作，歷時6年成功繪制出全新人類腦圖譜——腦網(wǎng)絡組圖譜，首次建立了新的腦區(qū)亞區(qū)尺度上的活體全腦連接圖譜［12］。該圖譜包括246個精細腦區(qū)亞區(qū)，以及腦區(qū)亞區(qū)間的多模態(tài)連接模式。研究人員突破了傳統(tǒng)腦圖譜的繪制思想，利用腦結(jié)構(gòu)和功能連接信息對腦區(qū)進行了精細劃分和腦圖譜的繪制，這比傳統(tǒng)的布洛德曼圖譜精細4～5倍。這項研究會加深對人類精神和心理活動的認識，為理解人腦結(jié)構(gòu)和功能開辟新途徑，有利于治療臨床神經(jīng)精神疾病，并為類腦智能系統(tǒng)的設計提供重要的啟示。 
　　2016年9月，美國艾倫腦科學研究所在官網(wǎng)上公布了當時zui完整的數(shù)字版人腦結(jié)構(gòu)圖譜［13］。該圖譜來自對一位因事故離世的34歲健康女性大腦的深入研究，是zui清晰的腦部微觀解剖學結(jié)構(gòu)圖譜。其zui突出的特點是將宏觀高清人腦成像數(shù)據(jù)和能解釋大腦結(jié)構(gòu)的細胞水平的數(shù)據(jù)集合在一張圖中，可為大腦研究人員開展相關研究進行“導航”，幫助他們從大腦的宏觀層面進入細胞層面更深刻地認識人類的大腦。 
　　2016年11月，法國國家科學研究中心設計出一套全新系統(tǒng)，可直接將人體主要語音發(fā)音器（舌、顎、口和嘴唇）的運動轉(zhuǎn)換成智能語音［14］。