在慶祝建校118周年相輝校慶系列學(xué)術(shù)報告會“持續(xù)推動融合創(chuàng)新，打造新工科發(fā)展新動能”新工科專場上，復(fù)旦7位科學(xué)家分享所在領(lǐng)域前沿進(jìn)展，為聽眾打開一扇扇未來科技之窗。
集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室主任、芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院院長、中國科學(xué)院院士劉明，光伏科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室學(xué)術(shù)帶頭人、信息科學(xué)與工程學(xué)院副院長、教授詹義強，計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授顏波，新一代集成電路技術(shù)集成攻關(guān)大平臺副主任、微電子學(xué)院副院長、教授周鵬，生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所副所長、信息科學(xué)與工程學(xué)院教授他得安，電磁波信息科學(xué)教育部重點實驗室主任、信息科學(xué)與工程學(xué)院副院長、教授徐豐，工程與應(yīng)用技術(shù)研究院青年研究員方虹斌先后作報告。
集成電路的創(chuàng)新發(fā)展之路
(資料圖片僅供參考)
“今年是晶體管誕生的76周年，我想和各位回顧晶體管和集成電路是如何發(fā)展的，它們又是怎樣改變了我們在座每一個人的生活方式。”報告會伊始，劉明簡要概述了集成電路發(fā)展歷程。
“晶體管的發(fā)明并不是一個孤立的事件。”歷史上，為集成電路領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)的學(xué)者不計其數(shù)，晶體管更是前人基于對固體物理的深刻認(rèn)識，外加受市場需求的牽引而研制的。劉明總結(jié)道：“原理不一、功能各異的器件和電路架構(gòu)，使集成電路能廣泛應(yīng)用到不同的領(lǐng)域，研究者在器件和電路架構(gòu)上的突破，也將讓集成電路擁有新的應(yīng)用場景。”
劉明介紹，增加集成度、提升性能、降低功耗，是集成電路技術(shù)發(fā)展的核心目標(biāo)，在很長一段時間內(nèi)，晶體管尺寸的持續(xù)微縮驅(qū)動了集成電路技術(shù)的快速進(jìn)步。材料、器件結(jié)構(gòu)、光刻技術(shù)、封裝，乃至EDA工具，都在集成電路尺寸微縮的歷程中不斷進(jìn)化。
為了推進(jìn)晶體管尺寸進(jìn)一步微縮，集成電路的制造工藝與設(shè)備也日趨復(fù)雜，劉明以EUV光刻機為例，介紹了光刻技術(shù)從光源、鏡頭的材料與結(jié)構(gòu)、圖形傳遞模式的多元化創(chuàng)新，指出EUV光刻機堪稱迄今為止人類制造的最復(fù)雜、精度最高的機器，也是全球產(chǎn)業(yè)界合作的產(chǎn)物。
同時，先進(jìn)制程芯片面臨著光刻“面積墻”的約束，單晶片（die）面積已逼近光刻機圖形投影能力的極限。針對這樣的挑戰(zhàn)，劉明提出，集成電路產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入系統(tǒng)、設(shè)計、制造、封裝協(xié)同發(fā)展的新階段。集成芯片技術(shù)——芯粒級半導(dǎo)體集成技術(shù)，可以將復(fù)雜芯片分解成芯粒，采用硅精密制造技術(shù)將若干芯粒進(jìn)行集成，實現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)集成與應(yīng)用，突破“面積墻”限制，實現(xiàn)芯片性能的提升和功能的拓展。
實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，需要更高效穩(wěn)定的新型太陽能電池
詹義強在題為《柔性高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池研究》的報告中指出，當(dāng)前，全球能源和環(huán)境問題突顯，統(tǒng)籌開發(fā)鈣鈦礦電池，能夠有效提升太陽能光伏產(chǎn)品及技術(shù)供給能力，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，加快實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。
太陽能是理想的清潔能源，運用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)是人類高效利用太陽能的重要途徑。詹義強介紹，鈣鈦礦新型光伏技術(shù)是復(fù)旦大學(xué)光伏科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室的重點研究方向之一，目前已經(jīng)獲得可以媲美單晶硅技術(shù)的高效率，具備低成本、低耗能、兼容大面積、柔性等獨特優(yōu)勢。
面向國家重大需求，團(tuán)隊努力解決先進(jìn)太陽電池技術(shù)中的重大科學(xué)問題，聚焦低成本高效率鈣鈦礦電池實用化前沿技術(shù)等關(guān)鍵任務(wù)，打造光伏技術(shù)創(chuàng)新的策源地。
通過十余年的系統(tǒng)研究，團(tuán)隊利用共價交聯(lián)策略初步解決了鈣鈦礦本征穩(wěn)定性這一核心問題，結(jié)合表界面修飾、應(yīng)力調(diào)控等多種手段，協(xié)同提高器件工作壽命。相關(guān)研究開發(fā)了適合柔性襯底的低溫制備工藝，利用下轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，拓寬柔性鈣鈦礦光吸收范圍，能制備更高效的柔性鈣鈦礦光伏器件。面向未來，柔性鈣鈦礦器件也很可能在航空航天、建筑光伏一體化、交通運輸、可穿戴便攜設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
AIGC大模型發(fā)展是未來大勢所趨
當(dāng)前，AIGC（即“生成式人工智能”）正在顛覆各個領(lǐng)域的科學(xué)研究，也對人類社會產(chǎn)生影響。顏波在題為《AIGC新引擎及其多學(xué)科交叉融合應(yīng)用》的報告中介紹，AIGC包括算力、數(shù)據(jù)、算法三大要素，其技術(shù)已演化出孿生、編輯、創(chuàng)作三大前沿能力。AIGC+X的范式能夠為科學(xué)研究提供新方法、發(fā)現(xiàn)新材料、產(chǎn)生新數(shù)據(jù)。
“量變引發(fā)了AIGC生成能力的質(zhì)變，例如最近火熱的語言大模型ChatGPT就讓我們看到了一種質(zhì)變的結(jié)果?！鳖伈ㄕf，當(dāng)前，AIGC模型潛力凸顯，能實現(xiàn)高保真3D建模，可實時合成說話的人像，也能根據(jù)文本合成創(chuàng)意內(nèi)容，生成高分辨率視頻。
隨著社會發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界在智慧安防、智慧醫(yī)療、智慧終端等領(lǐng)域提出新的需求，對此，AIGC可以更好解決媒體適配編輯看不真、遠(yuǎn)距離小物體看不準(zhǔn)、低質(zhì)低分辨率看不清等問題。
AIGC的強大編輯能力，也正在現(xiàn)實社會中發(fā)揮重要作用。他所在實驗室研發(fā)的“全濃縮”監(jiān)控視頻濃縮系統(tǒng)，實現(xiàn)條件語義快速定位和識別，達(dá)到快速破案的目的，使搜查時間減少99%。目前，這種監(jiān)控視頻全濃縮技術(shù)與系統(tǒng)已在深圳公安的辦案偵查中獲得成功應(yīng)用。
AIGC的孿生能力，也被巧妙應(yīng)用在復(fù)旦校史館的史料修復(fù)上，可以對承載著復(fù)旦記憶的重要歷史影像資料進(jìn)行高清化再現(xiàn)。
在AI+醫(yī)療領(lǐng)域，實驗室進(jìn)行AIGC+醫(yī)療應(yīng)用的研究，研發(fā)了“內(nèi)鏡智慧眼”核心算法與硬件系統(tǒng)。相關(guān)成果在近4年累計讓8萬余名患者受益。
顏波最后總結(jié)道，AIGC大模型發(fā)展是未來大勢所趨，將強力支撐AI+科學(xué)的研究，帶來新的研究范式。
與硅融合的二維半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一片新藍(lán)海
集成電路對于我國現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到底層支撐作用，是實現(xiàn)高水平科技自立自強的重要組成部分。晶體管是關(guān)乎人類未來的底層技術(shù)，晶體硅助力晶體管實現(xiàn)集成電路“增量”奇跡。
近些年，集成電路領(lǐng)域的難題和挑戰(zhàn)也愈發(fā)明顯，最主要的便是微縮帶來的工藝問題、能量密度過高帶來的能耗問題和存儲墻帶來的速度失配問題。受尺寸微縮、功耗能效和存儲墻三大物理原理限制，集成電路性能發(fā)展逐漸放緩。
只有創(chuàng)新方能突破瓶頸，集成電路領(lǐng)域亟需新材料、新結(jié)構(gòu)和新器件的突破。周鵬團(tuán)隊將目光投向了物性更豐富、性質(zhì)更多元的二維材料以構(gòu)筑新器件，為硅找尋解決當(dāng)前集成密度與能耗難題的方案。
“得益于獨特優(yōu)異的性能，二維半導(dǎo)體有望克服傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，緩解硅基集成電路發(fā)展能耗挑戰(zhàn)和存儲困境?！敝荠i介紹說。近些年，周鵬帶領(lǐng)其團(tuán)隊已經(jīng)取得了雙表面溝道晶體管（TSCFET）、超薄多溝道圍柵晶體管（MBCFET）、硅基二維異質(zhì)集成疊層晶體管（CFET）、二維PN結(jié)閃存（Flash）等一系列研究成果。
“我今天的匯報是想證明，二維半導(dǎo)體是可行的。”周鵬介紹，二維半導(dǎo)體具備獨特的電學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)和光學(xué)特性，有望實現(xiàn)最終的柵極長度縮放，可用于構(gòu)建緊湊的后道CMOS電路（CFET），基于實驗室的超大尺寸2D晶體管表現(xiàn)出了良好的性能，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)2D-FET的途徑也正在開發(fā)中。
周鵬認(rèn)為，與硅融合的二維半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一片新藍(lán)海，需要更進(jìn)一步的創(chuàng)新驅(qū)動、持續(xù)的核心技術(shù)研發(fā)。
挑戰(zhàn)“禁區(qū)”：骨骼系統(tǒng)的超聲評價與調(diào)控
二十多年前，骨骼是超聲診斷的“禁區(qū)”。他得安所在團(tuán)隊挑戰(zhàn)“禁區(qū)”，在骨超聲研究上取得較大進(jìn)展。此次，他得安帶來題為《骨骼系統(tǒng)的超聲評價與調(diào)控》的報告。
骨質(zhì)疏松癥是影響人類健康的第二大疾病，中國骨質(zhì)疏松癥患者已超1億人?？梢哉f，骨骼超聲研究面向的是人民生命健康與國家重大戰(zhàn)略需求。
對成人的骨質(zhì)疏松癥做診斷時，主要是通過X線、CT、雙能X線?！斑@些方法能反映骨骼的‘?dāng)?shù)量’，即骨骼密度；卻不能反映骨骼的‘質(zhì)量’，比如骨骼彈性。”他得安指出。
多年來，超聲因其具備的許多優(yōu)點而受到重視和臨床應(yīng)用。但現(xiàn)有的骨超聲成像儀大多采用超聲透射法，測量部位受限，通常只能測量跟骨部位；成像空間分辨率低，只能大致顯示骨內(nèi)部形態(tài)和輪廓信息。
面對重重挑戰(zhàn)，他得安團(tuán)隊提出了蜂窩狀的松質(zhì)骨超聲散射理論模型，構(gòu)建了充粘液、多層管狀長骨中的超聲傳播理論模型，優(yōu)化了基于元學(xué)習(xí)的反問題求解算法，研制了基于超聲背散射法的新型骨超聲診斷儀。
目前，該款骨超聲診斷儀已應(yīng)用于地星II號實驗頭低位臥床實驗。它為研究微重力環(huán)境下骨質(zhì)流失規(guī)律，為中國空間站航天員的骨質(zhì)流失對抗提供了重要的理論基礎(chǔ)和大量寶貴的實驗數(shù)據(jù)。
雷達(dá)技術(shù)的一次革命：合成孔徑雷達(dá)
一周前，上海市科學(xué)技術(shù)獎勵大會傳來捷報，徐豐所在團(tuán)隊喜獲上海市自然科學(xué)一等獎。此次站上相輝堂講臺，他帶來題為《微波視覺與雷達(dá)智能目標(biāo)識別》的報告。
最傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)明于二戰(zhàn)期間，配備有環(huán)形顯示界面，檢測到的目標(biāo)會以光標(biāo)形式出現(xiàn)在界面上。而徐豐團(tuán)隊研究的是合成孔徑雷達(dá)（SAR），它可以被安裝在衛(wèi)星或飛機等飛行平臺上，全天時、全天候?qū)Φ爻上?，實現(xiàn)了一維測距到二維高分辨成像的跨越，是雷達(dá)技術(shù)的一次革命。
經(jīng)40余年的自主研發(fā)，我國已發(fā)射雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)十顆，但仍面臨雷達(dá)圖像解譯這一亟需突破的應(yīng)用瓶頸?！袄走_(dá)衛(wèi)星每天能獲得海量數(shù)據(jù)，光靠訓(xùn)練專業(yè)人員進(jìn)行人工判讀，效率很低。我國迫切需要開展SAR圖像自動解譯基礎(chǔ)研究。”徐豐談道。
微波視覺是金亞秋院士提出的新概念，即發(fā)展專用于自動解譯微波域雷達(dá)圖像的物理啟發(fā)人工智能技術(shù)。徐豐對微波視覺與傳統(tǒng)光學(xué)視覺在工作原理、圖像屬性、認(rèn)知機理等方面的區(qū)別做了介紹。如果說光學(xué)視覺是基于光學(xué)激勵的先天視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和后天大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的仿生物視覺，那么微波視覺則是基于電磁物理機理且能適應(yīng)稀疏數(shù)據(jù)的可解釋的仿物理視覺。
在探討微波視覺的物理基礎(chǔ)、智能基礎(chǔ)、認(rèn)知基礎(chǔ)，并提出多種智能目標(biāo)識別算法之外，徐豐團(tuán)隊還設(shè)計了一套面向探測成像識別一體化應(yīng)用的無人機載雷達(dá)成像算法和系統(tǒng)。報告會上播放的視頻里，無人機在光草上緩緩升起，對邯鄲校區(qū)的本部與南區(qū)做了高分辨率SAR成像，實現(xiàn)了無輔助定位的高分辨率成像，目前團(tuán)隊正在開發(fā)面向星上、機上智能處理的微波視覺原理樣機，進(jìn)一步將研究成果推向?qū)嶋H系統(tǒng)中。
各類大模型問世后，徐豐團(tuán)隊對其做了一些測試，發(fā)現(xiàn)它難以直接適用物理屬性很強的雷達(dá)圖像，說明它沒有學(xué)到系統(tǒng)性的物理知識，因此他認(rèn)為以物理智能為代表的Science for AI有很大發(fā)展空間。面對“ChatGPT是否意味著奇點到來”的問題，徐豐在報告結(jié)尾時作出了自己的回應(yīng)，“不管奇點是否到來，我們相信科學(xué)！”
打造未來機器人，從自然界獲取靈感
未來機器人將走向何方？動物和折紙為科學(xué)家們提供了無盡的靈感。
“機器人的發(fā)展一直在從自然界獲取靈感，比如服務(wù)機械臂、四足機器狗都是生活中我們常見的案例。”在方虹斌看來，仿生是推動機器人技術(shù)進(jìn)步的重要力量。
仿生移動機器人的設(shè)計、建模和控制，既是新熱點，也是新挑戰(zhàn)。在面對狹窄受限環(huán)境時，例如災(zāi)難廢墟中幸存者搜救、工業(yè)管道檢查和清理、人體胃腸道檢測和治療、戰(zhàn)場信息隱蔽偵查等任務(wù)，傳統(tǒng)的輪式和腿式機器人都無能為力，這迫切要求進(jìn)一步向動物學(xué)習(xí)，提出全新的機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計。
如何向動物學(xué)習(xí)？方虹斌說：“無腿動物具備在受限和狹窄等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中出色移動的能力，比如蚯蚓同時具備在地面上和地下管道內(nèi)的移動能力?！睂W(xué)習(xí)無腿動物的形態(tài)學(xué)特征和移動機理，研發(fā)仿生無腿移動機器人，是未來機器人發(fā)展的重要方向。
近年來，復(fù)旦大學(xué)智能機器人研究院仿生結(jié)構(gòu)與機器人實驗室在仿蠕蟲移動機器人研究領(lǐng)域取得了諸多創(chuàng)新成果。方虹斌主導(dǎo)設(shè)計的“蠕動+游動”、“蠕動+擺動”、“蠕動+滾動”等多款仿蠕蟲多模態(tài)移動機器人，能夠在包括管道、水域和碎石地等復(fù)雜環(huán)境中高效移動。方虹斌還創(chuàng)新地將“折疊”思想引入機器人開發(fā)，將傳統(tǒng)的“三維設(shè)計-三維加工-總裝”的機器人制備流程革新為“二維折痕加工-折疊”，設(shè)計了多款折紙仿蠕蟲移動機器人，構(gòu)成了未來機器人發(fā)展的重要方向。
方虹斌認(rèn)為，仿生機器人和折紙機器人研究機遇與挑戰(zhàn)并存，未來機器人將更多呈現(xiàn)出剛?cè)狁詈咸卣骱涂芍貥?gòu)特征，機器人性能也將在多模態(tài)運動、高性能、微型化和智能化的方向上不斷向前邁進(jìn)。
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