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 2021年，科技發(fā)展將往何處去？

這是阿里達(dá)摩院從基礎(chǔ)研究、IT技術(shù)和生產(chǎn)生活三個(gè)方面，給出的10個(gè)答案：

量子計(jì)算、腦機(jī)接口、第三代半導(dǎo)體應(yīng)用、AI藥物研究、柔性電子材料……

其中，既有學(xué)術(shù)研究，也有科技應(yīng)用給生活帶來(lái)的變化。

達(dá)摩院院長(zhǎng)張建鋒，花名“行癲”，在這場(chǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)中認(rèn)為，科技與人類(lèi)正在形成一種新型協(xié)作關(guān)系。

通過(guò)人機(jī)協(xié)同的方式，人類(lèi)將從原有的重復(fù)、繁瑣、危險(xiǎn)的工作解脫出來(lái)，更多地投入到開(kāi)創(chuàng)性、有思想、有創(chuàng)意的工作中去。

這10大趨勢(shì)，不僅是2021年科技發(fā)展的預(yù)測(cè)，也是對(duì)2020年前沿科技突破的總結(jié)。

基礎(chǔ)研究：半導(dǎo)體、量子計(jì)算、柔性材料

趨勢(shì)1：以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體，迎來(lái)應(yīng)用大爆發(fā)

半導(dǎo)體材料的發(fā)展，經(jīng)歷了三代變革。

第一代是20世紀(jì)50年代的硅、鍺；第二代是20世紀(jì)80年代的砷化鎵、磷化銦；第三代則是20世紀(jì)末的氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）。

此前，第一代半導(dǎo)體材料硅的應(yīng)用最為廣泛，也是一切邏輯器件的基礎(chǔ)，包括CPU、GPU等。

至于第三代半導(dǎo)體材料，雖然具有耐高溫、耐高壓、高頻率、大功率、抗輻射等特性，但由于制造設(shè)備與制備工藝的不足，導(dǎo)致多年來(lái)一直只能在小范圍內(nèi)應(yīng)用。

但隨著近幾年來(lái)制備技術(shù)的提升，這一局面被打破了。

目前，第三代半導(dǎo)體已經(jīng)落地應(yīng)用：新能源汽車(chē)?yán)锰蓟韫β势骷嵘娔苻D(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提升續(xù)航；部分電子廠商推出氮化鎵快充頭……

預(yù)計(jì)到2021年，工業(yè)充電、5G高頻器件、可再生能源和儲(chǔ)能領(lǐng)域的電源，都將迎來(lái)第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用爆發(fā)。

尤其是高頻高壓應(yīng)用中，第三代半導(dǎo)體的特性，將讓它取代原有的硅器件。

趨勢(shì)2：后“量子霸權(quán)”時(shí)代，量子糾錯(cuò)和實(shí)用優(yōu)勢(shì)成為核心命題

2020年，是后“量子霸權(quán)”元年，其中有兩個(gè)里程碑：量子糾錯(cuò)和實(shí)用優(yōu)勢(shì)。

其中，演示“量子糾錯(cuò)”的系統(tǒng)，必須同時(shí)達(dá)到多比特、高精度和高連接度，也就是至少需要幾千個(gè)高質(zhì)量、強(qiáng)關(guān)聯(lián)的比特。

而在“實(shí)用優(yōu)勢(shì)”中，則會(huì)繼續(xù)以模擬物理為主流，冷原子和量子煺火系統(tǒng)等模擬量子計(jì)算平臺(tái)，將連同數(shù)字平臺(tái)一起，繼續(xù)產(chǎn)生鼓舞人心的進(jìn)步。

2021年，除了量子位數(shù)的提升，這些領(lǐng)域也可能取得進(jìn)展：

基于新型設(shè)計(jì)的超高精度超導(dǎo)比特、揚(yáng)棄目前線性結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展的二維離子阱……

伴隨量子計(jì)算的發(fā)展，超導(dǎo)也將迎來(lái)新的趨勢(shì)：低溫電子學(xué)的成熟，將使得龐大和昂貴的室溫電子學(xué)開(kāi)始走向末路。

趨勢(shì)3：碳基技術(shù)突破，加速柔性電子發(fā)展

近年來(lái)，碳基材料的制備，取得了突破性進(jìn)展。

碳基材料，包括零維的富勒烯、一維的碳納米管、二維的石墨烯、三維的石墨及金剛石等。

其中，碳納米管和石墨烯憑借優(yōu)異的電性能、透光性和延展性，被認(rèn)為是柔性電子的“天選”材料。

今年，研究人員在8英寸基底上成功制備了高密度高純半導(dǎo)體陣列碳納米管材料，純度可達(dá)99.9999%，突破了碳納米管集成電路關(guān)鍵的材料瓶頸，也具備了量產(chǎn)的技術(shù)積累。

基于這種材料，研究人員還批量制備了場(chǎng)效應(yīng)晶體管和環(huán)形振蕩器電路，性能超越類(lèi)似尺寸的硅基器件和電路。

與此同時(shí)，石墨烯的大面積制備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，被證明具備優(yōu)異的電學(xué)性能。

這些突破，意味著碳基集成電路已經(jīng)初步具備工業(yè)化基礎(chǔ)，“碳時(shí)代”即將到來(lái)。

IT行業(yè)：AI、腦機(jī)接口、云原生

趨勢(shì)4：AI提升藥物及疫苗研發(fā)效率

目前，AI已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療影像、病歷管理等輔助診斷場(chǎng)景，但在疫苗研發(fā)、及藥物臨床研究的應(yīng)用依舊處于探索階段。

來(lái)自《Nature》的一組數(shù)據(jù)顯示，一款新藥的平均研發(fā)成本大約是26億美元，耗時(shí)約10年，成功率不到10%。

研發(fā)周期中，藥物發(fā)現(xiàn)的工程量巨大，導(dǎo)致藥品研發(fā)的臨床前研究階段，一般需要耗時(shí)3至6年。如果將AI與藥物篩選結(jié)合，可以大幅度減少化合物篩選的時(shí)間消耗。

在疫苗設(shè)計(jì)和研發(fā)領(lǐng)域，AI也將成為有力幫手。

例如，在研發(fā)的疫苗中添加化合物，以提升功效、更好地刺激產(chǎn)生抗體的過(guò)程，就可以利用AI合成、對(duì)比篩選，快速找到優(yōu)質(zhì)的候選化合物。

這樣將AI與疫苗、藥物臨床研究進(jìn)行結(jié)合，可以減少重復(fù)勞動(dòng)與時(shí)間消耗，提升研發(fā)效率，極大地推動(dòng)醫(yī)療服務(wù)和藥物的普惠化。

趨勢(shì)5：腦機(jī)接口，幫助人類(lèi)超越生物學(xué)極限

腦機(jī)接口技術(shù)，距今已有幾十年的研究歷史，是人類(lèi)朝著大腦與機(jī)器融合目標(biāo)的一大步。

目前，雖然離實(shí)用化還有很遠(yuǎn)，但作為新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的關(guān)鍵核心技術(shù)，腦機(jī)接口對(duì)神經(jīng)工程的發(fā)展起到了重要的制程推動(dòng)作用。

這一新技術(shù)分為植入式與非植入式，將幫助人類(lèi)從更高維度空間進(jìn)一步解析人類(lèi)大腦的工作原理。

例如，在控制機(jī)械臂等方面，腦機(jī)接口將幫助提升應(yīng)用精度，將為神智清醒，思維健全，但口不能言、手不能動(dòng)的患者提供精準(zhǔn)康復(fù)服務(wù)。

趨勢(shì)6：數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)“自治與自我進(jìn)化”

隨著云計(jì)算的發(fā)展、數(shù)據(jù)規(guī)模持續(xù)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理正面臨存儲(chǔ)成本高、集群管理復(fù)雜、計(jì)算任務(wù)多樣性等巨大挑戰(zhàn)。

面對(duì)海量暴增的數(shù)據(jù)規(guī)模、復(fù)雜多元的處理場(chǎng)景，人工管理和系統(tǒng)調(diào)優(yōu)也捉襟見(jiàn)肘。

因此，以智能化方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化，是未來(lái)數(shù)據(jù)處理發(fā)展的必然選擇。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)手段，正逐漸被廣泛應(yīng)用于智能化的冷熱數(shù)據(jù)分層、異常檢測(cè)、智能建模、資源調(diào)動(dòng)、參數(shù)調(diào)優(yōu)、壓測(cè)生成、索引推薦等領(lǐng)域。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的“自治與自我進(jìn)化”，將有效降低數(shù)據(jù)計(jì)算、處理、存儲(chǔ)、運(yùn)維的管理成本。

趨勢(shì)七：云原生重塑IT技術(shù)體系

傳統(tǒng)IT的開(kāi)發(fā)環(huán)境，存在著產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上線周期長(zhǎng)、研發(fā)效能不高等問(wèn)題。

云原生架構(gòu)，充分利用了云計(jì)算的分布式、可擴(kuò)展和靈活的特性，更高效地應(yīng)用和管理異構(gòu)硬件和環(huán)境下的各類(lèi)云計(jì)算資源。

此外，通過(guò)方法論、工具集、實(shí)踐和產(chǎn)品技術(shù)，也能讓IT開(kāi)發(fā)人員專注于開(kāi)發(fā)過(guò)程本身。

未來(lái)，芯片、開(kāi)發(fā)平臺(tái)、應(yīng)用軟件乃至計(jì)算機(jī)等將誕生于云上。

如果將網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)架構(gòu)層高度抽象化，降低計(jì)算成本、提升迭代效率，將能大幅降低云計(jì)算使用門(mén)檻、拓展技術(shù)應(yīng)用的邊界。

生產(chǎn)生活：農(nóng)業(yè)智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧運(yùn)營(yíng)

趨勢(shì)八：農(nóng)業(yè)邁入數(shù)據(jù)智能時(shí)代

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，存在土地資源利用率低、和從生產(chǎn)到零售鏈路脫節(jié)等瓶頸問(wèn)題。

目前，以物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等為代表的數(shù)字技術(shù)，正在與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)深度融合，打通農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的全鏈路流程。

如果結(jié)合新一代傳感器技術(shù)，就能讓農(nóng)田地面數(shù)據(jù)信息被實(shí)時(shí)獲取和感知。

而依靠大數(shù)據(jù)分析與人工智能技術(shù)，快速對(duì)海量領(lǐng)域農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，還能實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、精細(xì)化育種和環(huán)境資源按需分配。

同時(shí)，通過(guò)5G、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的應(yīng)用，確保農(nóng)產(chǎn)品物流運(yùn)輸中的可控和可追溯，保障農(nóng)產(chǎn)品整體供應(yīng)鏈流程的安全可靠。

農(nóng)業(yè)將告別“靠天”吃飯，進(jìn)入智慧農(nóng)業(yè)時(shí)代。

趨勢(shì)九：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，從單點(diǎn)智能走向全局智能

受實(shí)施成本和復(fù)雜度較高、供給側(cè)數(shù)據(jù)難以打通、整體生態(tài)不夠完善等因素限制，目前的工業(yè)智能仍以解決碎片化需求為主。

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。

加上數(shù)字技術(shù)的發(fā)展、新基建等因素，工業(yè)智能將從單點(diǎn)智能快速躍遷到全局智能。

特別是汽車(chē)、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)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將貫穿供應(yīng)鏈、生產(chǎn)、資產(chǎn)、物流、銷(xiāo)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。

趨勢(shì)十：智慧運(yùn)營(yíng)中心成為未來(lái)城市標(biāo)配

在過(guò)去十年時(shí)間里，智慧城市借助數(shù)字化手段切實(shí)提升了城市治理水平。

但在新冠疫情防控中，一些所謂的智慧城市，開(kāi)始暴露問(wèn)題，由于“重建設(shè)、輕運(yùn)營(yíng)”所導(dǎo)致的業(yè)務(wù)應(yīng)用不足現(xiàn)象，也尤為明顯。

在這樣的背景下，城市的管理者，希望通過(guò)運(yùn)營(yíng)中心盤(pán)活數(shù)據(jù)資源，推動(dòng)治理與服務(wù)的全局化、精細(xì)化和實(shí)時(shí)化。

而AIoT技術(shù)的日漸成熟和普及、空間計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，將進(jìn)一步提升運(yùn)營(yíng)中心的智慧化水平。

在數(shù)字孿生基礎(chǔ)上，智慧運(yùn)營(yíng)中心將統(tǒng)一城市系統(tǒng)、并提供整體智慧治理能力，進(jìn)而成為未來(lái)城市的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。

在新來(lái)的2021年，基礎(chǔ)技術(shù)及科技產(chǎn)業(yè)，是否會(huì)如達(dá)摩院所預(yù)料一般發(fā)展？

我們拭目以待。