集成电路、AIGC、机器人……复旦7位科学家这样预见未来 ...

未有旳怀念

【编者按】
2023年5月27日，是复旦大学118周年校庆。“校庆种种活动，以促进科学研究为中心。”从1954年校庆前夕时任校长陈望道提出这一主张开始，在校庆期间举办科学报告会，就成为复旦的重要学术传统之一。
赓续学术传统，百年弦歌不绝。5月9日起，来自文社理工医各学科的50多位复旦名师将陆续带来学术演讲。
在庆祝建校118周年相辉校庆系列学术报告会“持续推动融合创新，打造新工科发展新动能”新工科专场上，复旦7位科学家分享所在领域前沿进展，为听众打开一扇扇未来科技之窗。
集成芯片与系统全国重点实验室主任、芯片与系统前沿技术研究院院长、中科院院士刘明，光伏科学与技术全国重点实验室学术带头人、信息科学与工程学院副院长、教授詹义强，计算机科学技术学院教授颜波，新一代集成电路技术集成攻关大平台副主任、微电子学院副院长、教授周鹏，生物医学工程技术研究所副所长、信息科学与工程学院教授他得安，电磁波信息科学教育部重点实验室主任、信息科学与工程学院副院长、教授徐丰，工程与应用技术研究院青年研究员方虹斌先后作报告。
) d6 @, T/ M) L! E, z集成电路的创新发展之路
“今年是晶体管诞生的76周年，我想和各位回顾晶体管和集成电路是如何发展的，它们又是怎样改变了我们在座每一个人的生活方式。”报告会伊始，刘明简要概述了集成电路发展历程。
% L+ S8 U0 \7 R* C+ ]9 _刘明 本文图片均为 复旦大学 供图

“晶体管的发明并不是一个孤立的事件。”历史上，为集成电路领域做出贡献的学者不计其数，晶体管更是前人基于对固体物理的深刻认识，外加受市场需求的牵引而研制的。刘明总结道：“原理不一、功能各异的器件和电路架构，使集成电路能广泛应用到不同的领域，研究者在器件和电路架构上的突破，也将让集成电路拥有新的应用场景。”
0 Q- O; @& [2 \' I/ T4 o' H' c刘明介绍，增加集成度、提升性能、降低功耗，是集成电路技术发展的核心目标，在很长一段时间内，晶体管尺寸的持续微缩驱动了集成电路技术的快速进步。材料、器件结构、光刻技术、封装，乃至EDA工具，都在集成电路尺寸微缩的历程中不断进化。
为了推进晶体管尺寸进一步微缩，集成电路的制造工艺与设备也日趋复杂，刘明以EUV光刻机为例，介绍了光刻技术从光源、镜头的材料与结构、图形传递模式的多元化创新，指出EUV光刻机堪称迄今为止人类制造的最复杂、精度最高的机器，也是全球产业界合作的产物。
+ C2 B" p0 U# P' k同时，先进制程芯片面临着光刻“面积墙”的约束，单晶片（die）面积已逼近光刻机图形投影能力的极限。针对这样的挑战，刘明提出，集成电路产业正在进入系统、设计、制造、封装协同发展的新阶段。集成芯片技术——芯粒级半导体集成技术，可以将复杂芯片分解成芯粒，采用硅精密制造技术将若干芯粒进行集成，实现复杂的系统集成与应用，突破“面积墙”限制，实现芯片性能的提升和功能的拓展。
2 B: E0 w; ?$ u实现可持续发展，需要更高效稳定的新型太阳能电池
詹义强在题为《柔性高效稳定钙钛矿太阳能电池研究》的报告中指出，当前，全球能源和环境问题突显，统筹开发钙钛矿电池，能够有效提升太阳能光伏产品及技术供给能力，促进可持续发展，加快实现碳达峰、碳中和。
詹义强
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太阳能是理想的清洁能源，运用半导体光伏效应是人类高效利用太阳能的重要途径。詹义强介绍，钙钛矿新型光伏技术是复旦大学光伏科学与技术全国重点实验室的重点研究方向之一，目前已经获得可以媲美单晶硅技术的高效率，具备低成本、低耗能、兼容大面积、柔性等独特优势。
面向国家重大需求，团队努力解决先进太阳电池技术中的重大科学问题，聚焦低成本高效率钙钛矿电池实用化前沿技术等关键任务，打造光伏技术创新的策源地。
通过十余年的系统研究，团队利用共价交联策略初步解决了钙钛矿本征稳定性这一核心问题，结合表界面修饰、应力调控等多种手段，协同提高器件工作寿命。相关研究开发了适合柔性衬底的低温制备工艺，利用下转换发光材料，拓宽柔性钙钛矿光吸收范围，能制备更高效的柔性钙钛矿光伏器件。面向未来，柔性钙钛矿器件也很可能在航空航天、建筑光伏一体化、交通运输、可穿戴便携设备等领域得到广泛应用。
4 e$ m/ }" H4 y" fAIGC大模型发展是未来大势所趋
当前，AIGC（即“生成式人工智能”）正在颠覆各个领域的科学研究，也对人类社会产生影响。颜波在题为《AIGC新引擎及其多学科交叉融合应用》的报告中介绍，AIGC包括算力、数据、算法三大要素，其技术已演化出孪生、编辑、创作三大前沿能力。AIGC+X的范式能够为科学研究提供新方法、发现新材料、产生新数据。
颜波

  \  [: p" M, V$ ?- ^8 E% N/ }1 l  N“量变引发了AIGC生成能力的质变，例如最近火热的语言大模型ChatGPT就让我们看到了一种质变的结果。”颜波说，当前，AIGC模型潜力凸显，能实现高保真3D建模，可实时合成说话的人像，也能根据文本合成创意内容，生成高分辨率视频。
随着社会发展，产业界在智慧安防、智慧医疗、智慧终端等领域提出新的需求，对此，AIGC可以更好解决媒体适配编辑看不真、远距离小物体看不准、低质低分辨率看不清等问题。
( p& I5 A& L9 \& u! i' F/ t+ GAIGC的强大编辑能力，也正在现实社会中发挥重要作用。他所在实验室研发的“全浓缩”监控视频浓缩系统，实现条件语义快速定位和识别，达到快速破案的目的，使搜查时间减少99%。目前，这种监控视频全浓缩技术与系统已在深圳公安的办案侦查中获得成功应用。
4 d/ h3 c+ \4 q; K: X- P- m3 eAIGC的孪生能力，也被巧妙应用在复旦校史馆的史料修复上，可以对承载着复旦记忆的重要历史影像资料进行高清化再现。
* S, U! n0 [. \' X( J6 q# s在AI+医疗领域，实验室进行AIGC+医疗应用的研究，研发了“内镜智慧眼”核心算法与硬件系统。相关成果在近4年累计让8万余名患者受益。
) J/ L1 W: S' E! b  `颜波最后总结道，AIGC大模型发展是未来大势所趋，将强力支撑AI+科学的研究，带来新的研究范式。
与硅融合的二维半导体产业是一片新蓝海
集成电路对于我国现代化产业发展起到底层支撑作用，是实现高水平科技自立自强的重要组成部分。晶体管是关乎人类未来的底层技术，晶体硅助力晶体管实现集成电路“增量”奇迹。
1 M. U0 O7 j. a. R近些年，集成电路领域的难题和挑战也愈发明显，最主要的便是微缩带来的工艺问题、能量密度过高带来的能耗问题和存储墙带来的速度失配问题。受尺寸微缩、功耗能效和存储墙三大物理原理限制，集成电路性能发展逐渐放缓。
周鹏

只有创新方能突破瓶颈，集成电路领域亟需新材料、新结构和新器件的突破。周鹏团队将目光投向了物性更丰富、性质更多元的二维材料以构筑新器件，为硅找寻解决当前集成密度与能耗难题的方案。
“得益于独特优异的性能，二维半导体有望克服传统技术瓶颈，缓解硅基集成电路发展能耗挑战和存储困境。”周鹏介绍说。近些年，周鹏带领其团队已经取得了双表面沟道晶体管（TSCFET）、超薄多沟道围栅晶体管（MBCFET）、硅基二维异质集成叠层晶体管（CFET）、二维PN结闪存（Flash）等一系列研究成果。
“我今天的汇报是想证明，二维半导体是可行的。”周鹏介绍，二维半导体具备独特的电学、热学、化学和光学特性，有望实现最终的栅极长度缩放，可用于构建紧凑的后道CMOS电路（CFET），基于实验室的超大尺寸2D晶体管表现出了良好的性能，工业规模生产2D-FET的途径也正在开发中。
+ o. g& \) j0 ?  _周鹏认为，与硅融合的二维半导体产业是一片新蓝海，需要更进一步的创新驱动、持续的核心技术研发。
挑战“禁区”：骨骼系统的超声评价与调控
二十多年前，骨骼是超声诊断的“禁区”。他得安所在团队挑战“禁区”，在骨超声研究上取得较大进展。此次，他得安带来题为《骨骼系统的超声评价与调控》的报告。
骨质疏松症是影响人类健康的第二大疾病，中国骨质疏松症患者已超1亿人。可以说，骨骼超声研究面向的是人民生命健康与国家重大战略需求。
对成人的骨质疏松症做诊断时，主要是通过X线、CT、双能X线。“这些方法能反映骨骼的‘数量’，即骨骼密度；却不能反映骨骼的‘质量’，比如骨骼弹性。”他得安指出。
多年来，超声因其具备的许多优点而受到重视和临床应用。但现有的骨超声成像仪大多采用超声透射法，测量部位受限，通常只能测量跟骨部位；成像空间分辨率低，只能大致显示骨内部形态和轮廓信息。
1 y$ a; q2 P$ h# s1 [& }他得安

) I! t5 W. c+ W3 K. X& n8 x  J9 e面对重重挑战，他得安团队提出了蜂窝状的松质骨超声散射理论模型，构建了充粘液、多层管状长骨中的超声传播理论模型，优化了基于元学习的反问题求解算法，研制了基于超声背散射法的新型骨超声诊断仪。
目前，该款骨超声诊断仪已应用于地星II号实验头低位卧床实验。它为研究微重力环境下骨质流失规律，为中国空间站航天员的骨质流失对抗提供了重要的理论基础和大量宝贵的实验数据。
雷达技术的一次革命：合成孔径雷达
一周前，上海市科学技术奖励大会传来捷报，徐丰所在团队喜获上海市自然科学一等奖。此次站上相辉堂讲台，他带来题为《微波视觉与雷达智能目标识别》的报告。
徐丰
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/ Y# h& Y- k% S9 O' S最传统的雷达发明于二战期间，配备有环形显示界面，检测到的目标会以光标形式出现在界面上。而徐丰团队研究的是合成孔径雷达（SAR），它可以被安装在卫星或飞机等飞行平台上，全天时、全天候对地成像，实现了一维测距到二维高分辨成像的跨越，是雷达技术的一次革命。
; ]- o5 s! B; j. |/ j4 y; j/ J经40余年的自主研发，我国已发射雷达卫星数十颗，但仍面临雷达图像解译这一亟需突破的应用瓶颈。“雷达卫星每天能获得海量数据，光靠训练专业人员进行人工判读，效率很低。我国迫切需要开展SAR图像自动解译基础研究。”徐丰谈道。
4 j' Q  e" c8 ]8 X" p9 D$ |" z3 n微波视觉是金亚秋院士提出的新概念，即发展专用于自动解译微波域雷达图像的物理启发人工智能技术。徐丰对微波视觉与传统光学视觉在工作原理、图像属性、认知机理等方面的区别做了介绍。如果说光学视觉是基于光学激励的先天视觉神经网络和后天大数据学习训练的仿生物视觉，那么微波视觉则是基于电磁物理机理且能适应稀疏数据的可解释的仿物理视觉。
3 c$ @  ^) C4 J/ U, A  e  t在探讨微波视觉的物理基础、智能基础、认知基础，并提出多种智能目标识别算法之外，徐丰团队还设计了一套面向探测成像识别一体化应用的无人机载雷达成像算法和系统。报告会上播放的视频里，无人机在光草上缓缓升起，对邯郸校区的本部与南区做了高分辨率SAR成像，实现了无辅助定位的高分辨率成像，目前团队正在开发面向星上、机上智能处理的微波视觉原理样机，进一步将研究成果推向实际系统中。
* {+ ?. b0 u7 w; {各类大模型问世后，徐丰团队对其做了一些测试，发现它难以直接适用物理属性很强的雷达图像，说明它没有学到系统性的物理知识，因此他认为以物理智能为代表的Science for AI有很大发展空间。面对“ChatGPT是否意味着奇点到来”的问题，徐丰在报告结尾时作出了自己的回应，“不管奇点是否到来，我们相信科学！”
打造未来机器人，从自然界获取灵感
% j" v# [8 ?- I- J8 x未来机器人将走向何方？动物和折纸为科学家们提供了无尽的灵感。
# ^  n% Y8 g! M+ ]) ]$ S& r“机器人的发展一直在从自然界获取灵感，比如服务机械臂、四足机器狗都是生活中我们常见的案例。”在方虹斌看来，仿生是推动机器人技术进步的重要力量。
仿生移动机器人的设计、建模和控制，既是新热点，也是新挑战。在面对狭窄受限环境时，例如灾难废墟中幸存者搜救、工业管道检查和清理、人体胃肠道检测和治疗、战场信息隐蔽侦查等任务，传统的轮式和腿式机器人都无能为力，这迫切要求进一步向动物学习，提出全新的机器人结构设计。
方虹斌
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如何向动物学习？方虹斌说：“无腿动物具备在受限和狭窄等非结构化环境中出色移动的能力，比如蚯蚓同时具备在地面上和地下管道内的移动能力。”学习无腿动物的形态学特征和移动机理，研发仿生无腿移动机器人，是未来机器人发展的重要方向。
近年来，复旦大学智能机器人研究院仿生结构与机器人实验室在仿蠕虫移动机器人研究领域取得了诸多创新成果。方虹斌主导设计的“蠕动+游动”、“蠕动+摆动”、“蠕动+滚动”等多款仿蠕虫多模态移动机器人，能够在包括管道、水域和碎石地等复杂环境中高效移动。方虹斌还创新地将“折叠”思想引入机器人开发，将传统的“三维设计-三维加工-总装”的机器人制备流程革新为“二维折痕加工-折叠”，设计了多款折纸仿蠕虫移动机器人，构成了未来机器人发展的重要方向。
7 f5 T' k5 p! m9 q1 ^' \方虹斌认为，仿生机器人和折纸机器人研究机遇与挑战并存，未来机器人将更多呈现出刚柔耦合特征和可重构特征，机器人性能也将在多模态运动、高性能、微型化和智能化的方向上不断向前迈进。