!!!!!!!!" ,-,. #$%&'()*+ To p Te n Te c h Tr e n d s o f D A M O A c a d e m y /01 科技服务社会需求。从2020年疫情爆发开始，数字科技就迅速成为人类与 疫情抗争的重要力量，比如AI医疗影像辅助诊疗与提升药物研发的效率和 精度，再到健康码与智慧城市都有效地帮助我们实现对疫情的精准防控。 汛情期间，达摩院团队一周内就开发出防汛水体识别算法，让影像分析速 度提升百倍，显著提升防汛工作的智能与精准化。数字科技正在成为人类 与病毒灾害抗争新的卫士。 科技服务产业发展。疫情后全产业的数智化显著加速，从工业全局智能、 OCR无障碍购物、无人驾驶物流机器人都进入到了产业中的各个环节和生 活中的各个场景中。科技与人类正在形成一种新型协作关系，通过人机协 同方式把人类从原有的重复、繁琐、危险的工作解脱出来，更多的投入到 开创性、有思想、有创意的工作中。 科技探索未来。纵观人类历史，科技创新都是我们探索未知与寻求前进动 力的重要源泉。量子计算和新材料等方面的突破将从基础科学层面带来 “原子动能”；数据计算的进化与云原生等技术将重塑IT体系，形成“比特 跃迁”，并最终与各个产业集合带来“场景变革”。本次达摩院十大趋势 针对这三大方面解读，希望能让大家从更加全面、更加前沿的视角关注科 技创新带来的改变。 仰望星空，我们充满激情的去探索未知。着眼脚下，我们携手让科技服务 于产业社会的实际需求，实现科技普惠。 234 5677#$%%8!!!569:;<= F!G 2020年一场突如其来的新冠疫情，开启了世界百年未有之大变局的序幕。 未来五十年的变化都被这场疫情提前并压缩到了未来十年里，科学技术将 加速应用到社会经济领域。科技发展来到了一个新周期的起点，以人工智 能、大数据为代表的新一轮科技将改变我们所处的世界。 身处科技最前沿的达摩院，梳理并提出了今年科技领域最重要的十个趋 势，其中，既包含物理世界基础研究突破带来的“原子动能”，又囊括我 们日益离不开的数字世界中发生的“比特跃迁”，还涉及科技进步对我们 生产生活模式的改变即“场景变革”。通过这些趋势，我们了解了科技正 在取得的进展，更看到了这些科技将给世界带来的变化，例如外形和功能 跟真实皮肤一样的“电子皮肤”、能让人生活在数字世界中的“脑机接 口”、“自我进化”的数据处理等。我们满怀对未来的憧憬，期待这些趋 势成为现实那一天的早日到来。 >?@A%%B!!CDE F!GG 著名科幻作家、科学家阿瑟•克拉克（Arthur Clarke）曾在1962年《未来 的轮廓》（Profiles of the Future）一书中提出，“任何足够先进的技 术，都与魔术无异”。他还认为，到21世纪20年代，人工智能的水平将可 以达到人类的水平；对人类感知的神经学研究也会大有建树，人类可以不 再依靠耳朵、眼睛和皮肤来获取信息。 在20年代的开篇之年，我们回看克拉克几十年前的预言正在惊人地快速实 现：人工智能在一些特定场景下的水平甚至已远超人类；而脑机接口和传 感器等技术的发展，也为人类的感知甚至进化打开了一扇全新的大门。必 须承认，科技的进步让人心潮澎湃，无论在之前看起来是多么夸张的预 言，都正在逐渐成为现实。 达摩院的十大科技趋势让我们更清楚地了解前沿科技的最新进展：基础科 学研究成果累累 新材料、新计算范式为技术发展提供更加坚实的基础和 更加丰富的路径；数字技术如云计算、大数据、AI等不断突破，并更加广 泛且深入地融合到生产生活中，如提升医药的研发效率、帮助病患提高生 活质量等；各行各业都在技术的加持下更加智能，从农业到制造业再到城 市治理，智慧化场景层出不穷，可以说，我们正在迎来一个全面智能的时 代。 HI'J>?KLMNOPQRS%%8!TUV ]^ -. 【卷首语】 -, 【序】 WXY!Z[\; -i -j .. 趋势一：以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应用大爆发 趋势二：后“量子霸权”时代，量子纠错和实用优势成核心命题 趋势三：碳基技术突破加速柔性电子发展 WX_!`abc .k .l ,,m 趋势四：AI提升药物及疫苗研发效率 趋势五：脑机接口帮助人类超越生物学极限 趋势六：数据处理实现“自治与自我进化” 趋势七：云原生重塑IT技术体系 WXd!efgh ,n ,o m, 趋势八：农业迈入数据智能时代 趋势九：工业互联网从单点智能走向全局智能 趋势十：智慧运营中心成为未来城市标配 01 *+Ypqrstuvswxyz{ |dy}~•€•‚ƒ'„… 概要 以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体，具备耐高温、耐 高压、高频率、大功率、抗辐射等优异特性，但受工艺、成本等因素限制，多 年来仅限于小范围应用。近年来，随着材料生长、器件制备等技术的不断突 破，第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场：SiC元件已用 于汽车逆变器，GaN快速充电器也大量上市。未来5年，基于第三代半导体材 料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场 景。 05 趋势⼀：以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应⽤⼤爆发 *+†‡ 半导体产业发展到今天，主要建立在三代材料的基础上：兴起于20世纪50年代 的基于硅（Si）、锗（Ge）的第一代半导体；兴起于20世纪80年代的以砷化 镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体；以及兴起于20世纪末的 以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体。目前，第一代半 导体材料Si应用最为广泛，它构成了一切逻辑器件的基础，CPU、GPU所提供 的算力都离不开Si的功劳。第二代半导体主要用于高频高速场景，例如手机中 的射频电路。第三代半导体相比于前两代半导体具有更宽的禁带宽度，因此也 称作宽禁带半导体。更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压、更 快的开关频率下运行，因此第三代半导体具备耐高温、耐高压、高频率、大功 率、抗辐射等优异特性，可以用作功率器件和射频器件，广泛应用于5G基站、 新能源汽车、特高压、消费电子、航空航天、数据中心等领域。此外，较宽的 禁带宽度使第三代半导体可用作制备短波长光电器件，例如可用于医疗消毒的 紫外光源。 06 趋势⼀：以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应⽤⼤爆发 由于制造设备、制备工艺特别是材料成本上的劣势，多年来第三代半导体材料 只是在小范围内应用。直至近几年这一局面才得以打破：一方面，在5G、新 能源汽车等新兴市场中，Si基半导体的性能已无法完全满足需求，第三代半导 体的性能优势被放大；另一方面，制备技术特别是大尺寸材料生长技术不断突 破，SiC和GaN两种材料均从4英寸换代到6英寸并已研发出8英寸样品，加之 器件制备技术逐步提升，使得第三代半导体器件性能日益稳定且成本不断下 降，性价比优势逐渐显现。 目前，第三代半导体已经出现在应用市场：一些新能源汽车在逆变器中应用 SiC功率器件提升电能转换效率，进而提升续航里程；不在少数的电子消费厂 商推出了GaN快速充电器，价格不贵，体积很小，一个快充头可以支撑手机、 电脑等多设备快速充电。未来5年，除现有的电动汽车和消费电子外，预计工 业充电、5G高频器件以及可再生能源和储能领域的电源应用都将从第三代半 导体的发展中受益，尤其是在高频高压应用中将竞争性取代原有的Si器件。 07 02 *+_pˆ‰Š[‹Œ•Žy• Š[•‘’Pƒ“+”•–—˜ 概要 2020年为后”量子霸权”元年，世界对量子计算的投入持续上涨，技术和生 态蓬勃发展，多个平台异彩缤纷。这一潮流将在2021年继续推高社会的关注 和期待，量子计算的研究需要证明自身的实用价值；业界需要聚焦“后霸权” 时代的使命：协同创新，解决众多的科学和工程难题，为早日到达量子纠错和 实用优势两座里程碑铺路奠基。 08 趋势⼆：后“量⼦霸权”时代，量⼦纠错和实⽤优势成核⼼命题 *+†‡ 2020年为后“量子霸权”元年，世界对量子计算的投入持续上涨，技术和生 态蓬勃发展。超导领军团队宣布了通往1百万比特的规划；其他平台也异彩纷 呈。离子阱则通过系统集成和容错部件上有力演示，证明了和超导同台技艺的 潜力。声子 超导混合比特也跻身业界采用的平台。如上潮流将在2021年继续 涌动，多管齐下，奔向“后霸权”的两个里程碑：量子纠错和实用优势。 演示纠错的系统必须同时达到“多比特”、“高精度”和“高连接度”：至少 几千个高质量、强关联的比特。量子比特数一直为大众关注重点；但只以比特 数来衡量量子计算芯片的质量，好比“论画以形似”一样天真。“高精度”要 求两比特的基本操作接近完美，“高连接度”要求比特以网格或更复杂的结构 相互作用。 09 趋势⼆：后“量⼦霸权”时代，量⼦纠错和实⽤优势成核⼼命题 除了增量式进步外，2021年有望见证在这些维度上突破性的创新。比如基于新 型设计的超高精度超导比特和扬弃目前线性结构的可扩展的二维离子阱。超导 的另一场扬弃也可能在2021年播下种子：低温电子学的成熟将使得庞大和昂贵 的室温电子学开始走向末路。 实用优势的探索将继续以模拟物理为主流，借助模拟对错误的宽容。冷原子和 量子煺火系统等模拟量子计算平台有望连同数字平台一起，继续产生鼓舞人心 的进步。 2021量子计算开源项目将以广泛和深入的贡献，大大降低学习和研究的成本， 加速创新，并消减非科学因素撕裂量子社区的风险。量子计算还属于科学和工 程并重的研究阶段，各个地区的科学家需要继续开放性研究，相濡以沫，携手 合作。这是我们的信念，也是我们对2021年量子世界协同和平的祈愿。 10 03 *+dpv™)š›œ •žŸ ¡[…¢ 概要 柔性电子是指经扭曲、折叠、拉伸等形状变化后仍保持原有性能的电子设 备，可用作可穿戴设备、电子皮肤、柔性显示屏等。柔性电子发展的主要瓶 颈在于材料 目前的柔性材料，或者“柔性”不足容易失效，或者电性能远 不如“硬质”硅基电子。近年来，碳基材料的技术突破为柔性电子提供了更 好的材料选择：碳纳米管这一碳基柔性材料的质量已可满足大规模集成电路 的制备要求，且在此材料上制备的电路性能超过同尺寸下的硅基电路；而另 一碳基柔性材料石墨烯的大面积制备也已实现。 11 趋势三：碳基技术突破加速柔性电⼦发展 *+†‡ 尽管折叠屏手机已经不是多么新鲜的事物，但我们世界的电子设备目前仍以 “硬材质”为主导，柔性电子技术才刚刚起步。 柔性电子通过将电子器件制作在柔性基底上，使电子器件在经受弯曲、折叠、 扭曲、压缩、拉伸、甚至变成任意形状后，