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十项具有变革潜质的前沿技术 谁将改变我们的生活

发布时间:2015-01-13

    你开着混动汽车,通过导航仪找到了特色参观,你在坚固温暖的房子里用手机查看着一周的天气预报,你足不出户就能通过电商买到国外的牛奶,你坐在影院里一边吃着爆米花一边看着最新的3D大片……

  虽已习以为常,但我们的生活已确实都被这些曾经的先进技术改变了。在2015年的关口猜想,下一次是谁要改变我们?

  记者了解到,近期科技部高技术中心,根据国家软科学研究计划项目“世界高技术发展趋势跟踪研究”的任务要求,组织信息、材料、能源、先进制造、交通及基础研究等领域,来自863、973计划专家组,以及有关高校、研究院所和重点企业的总计230多名专家,采用文献计量和定性分析相结合的方法,通过对相关领域具有领先优势的国家与企业的有关科技计划、规划、发展动态和战略部署的梳理,以及对相关核心期刊、国际学术会议等的学术文献资料信息的统计分析,提出了各领域当前十个左右共计61个前沿热点。

  经过进一步凝练,他们提出了当前十大最具备变更潜质的前沿技术

  1.碳基纳米材料

  碳基纳米材料是指具有独特微结构和性质的碳材料,主要包括石墨烯碳、纳米管及碳量子点三类材料。其中,石墨烯是目前已知最薄的材料,具有高导电性、高韧度、高强度、超大比表面积、突出的导热性能等特性;碳纳米管具有巨大的长径比、高界面原子比例、原子排列可变且界面晶格互不关联等特性;零维碳量子点有别于传统具有毒性的量子点,它具有环境友好,生物相容性好,荧光强度高、不闪烁等独特优势,还是一种极佳的发光材料。

  碳基纳米材料已成为全球科技和产业竞争最激烈的研究领域之一,备受科学界、产业界和各国政府的高度重视。随着碳基纳米材料不同制备技术和后续应用技术的逐渐成熟,将在半导体产业、光伏产业、新型储能材料、生物制药、复合材料、航天、军工、新一代显示器等多个传统和新兴产业领域带来革命性的技术变革,成为下一个千万亿级的产业。

  2.半导体纳米材料

  三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(小于100nm)的半导体材料称为半导体纳米材料。由于尺寸及量子限域等效应的存在,半导体纳米材料具有一些体材料所不具备的独特性质。基于这种特性,可以设计、制备性能更为优异的器件。因此,半导体材料性能在纳米层面的优化与应用拓展始终是半导体材料研究的热点之一。同时,半导体纳米材料与新能源、生物技术等新兴方向的交叉融合,也衍生出了一系列新的研究热点。

  半导体纳米材料与技术正在以前所未有的深度和广度改变着世界,并在科技方面开辟了认识自然的新层次。半导体纳米材料带来的各种新原理、新应用、新器件,极大地丰富、改变了半导体学科的研究面貌,在诸多领域引发了新的技术革命,成为当今最富活力高新技术领域之一。

  3.突破衍射极限的光学光刻技术

  作为微纳信息器件制造的先导和主流技术,光学光刻技术发展正面临着原理性障碍:光学光刻分辨力这一核心技术指标的提高受到衍射极限的限制。表面等离子体成像光刻技术、表面等离子体局域光刻技术等以突破衍射极限,建立超分辨成像光刻理论和技术体系为目标的技术热点,已成为信息领域的重大科学技术问题之一。

  这些技术一旦成熟,可提供小于32nm、22nm甚至10nm节点以下的光学光刻技术,从而有望解决国际上传统光刻技术路线衍射受限的理论和技术困境,成为新的光学光刻方法和工具。

  4.激光微纳制造

  激光微纳制造是微纳制造技术的重要部分。激光微纳制造是通过激光与材料相互作用,改变材料的物态和性质,实现微米至纳米尺度或跨尺度的控形与控性。由于激光微纳制造在能量密度、作用的空间和时间尺度、制造体吸收能量的可控尺度都可分别趋于极端,而使制造过程所利用的物理效应、作用机理完全不同于传统制造,其制造复杂结构的能力与品质远高于传统制造,由此产生了一批新技术(如光刻、近场纳米制造、干涉诱导加工、微焊接等)、一批新产品(如大规模集成电路、MEMS/NEMS等)、一批产品的高性能化(如航空发动机、燃气轮机、太阳能电池等)和相应的高新技术产业群。

  激光微纳制造涉及光学、物理、材料、化学、生物、信息、控制、机械、纳米科技等学科,必将推动制造及相关学科的深入发展。并为能源、航空、IC制造、国防、汽车、生物、医疗等领域实现跨越式发展提供重要的制造支撑。

  5.光电子集成芯片技术

  光电子集成芯片技术是将光电材料和功能微结构集成在单一芯片上,实现系统功能的新技术。即将多个光电子分立器件,如激光器、光调制器、光探测器、光放大器和解复用器等通过合理的优化、设计、工艺加工和封装,集成到单一芯片上。

  光电子集成芯片能够发挥高密度集成、价格低廉,以及光子极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性的优势,具有低功耗、高速率、高可靠、小体积等突出的优点,在光传输、光信息处理与交换、光接入以及光与无线融合等领域的关键环节具有重要作用,是突破信息网络所面临的速率和能耗两大技术瓶颈的必由之路。光电子集成芯片技术在光传感、光计算、生物传感、医药、农业等领域也有着广泛的应用前景。可以预见光电子集成芯片技术对于光电子领域的发展,将会带来一次具有里程碑意义的变革。

  6.后摩尔时代三维互连集成及芯片设计

  三维集成电路(3DIC)是指将两层甚至多层集成电路部件通过垂直或水平互连集成为一个芯片。三维集成电路和三维封装之间的区别在于是否整合为单一芯片。三维封装指多个芯片封装在一个管壳内,芯片与芯片之间通过片外互连连接。

  三维集成电路(3DIC)可以有效缓解了CPU的“存储墙”问题,使DRAM访存时间缩短了50倍,极大缓解了存储墙的限制;将带动相关材料、制造、封装和测试技术的发展;带动小型化集成电路应用技术的发展,从而为汽车电子、人体穿戴式设备和植入式应用打开了大门。

  3DIC是下一代集成电路的根技术,对于电子系统小型化、低功耗和高性能都将产生重要影响,可能带来中央处理器(CPU)、系统芯片(SOC)体系架构的演进,工艺和封装及EDA技术的革新。3DIC发展和应用前景广阔,将对智能手机、医疗电子、高性能计算、物联网、汽车电子、监控和安全等产业格局引发深层次影响。

  7.碳化硅电力电子器件技术

  碳化硅电力电子器件是有别于传统基于硅材料的、具有宽禁带的电力电子器件。

  碳化硅电力电子器件的重要系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于500℃)特性,突破了硅基功率半导体器件电压(数kV)和温度(小于150℃)限制所导致的严重系统局限性,从而使碳化硅电力电子器件能够满足能源转换对高压、大容量、高频、高温的功率半导体器件的需求,提高电力电子装置的效率,减少系统损耗,达到显著的节能效果;并大幅度减少电力电子装置中的各类变换器的体积,大大提升装备的机动性、灵活性。

  碳化硅电力电子器件由于其优异的性能,被誉为带动二十一世纪“新能源革命”的“绿色能源”器件。

  8.量子通信技术及与经典通信的融合

  量子通信又称量子隐形传送,是由量子态携带信息的通信方式,它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。

  量子通信是一种全新通信方式,它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息,是未来量子通信网络的核心要素。从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程:先提取原物的所有信息,然后将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元(如:原子),制造出原物完美的复制品。量子通信技术基于量子物理学的基本原理,克服了经典加密技术内在的安全隐患,为迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。

  量子通信是最先走向实用化的量子信息技术。发展并装备量子通信技术,实现量子通信与经典通信技术的融合,对于实质性地提升国家的信息技术水平和信息产业的核心竞争力,实现信息系统建设的跨越式发展,及国防、金融、政务等领域的信息安全保障都具有重要作用。

  9.轨道角动量通信技术

  未来的电磁波通信技术如何寻找新的物理参数维度,如何在有限频谱资源内满足通信容量呈数量级增长的需求,是一个重大的科学和技术挑战,必须从物理层面寻找新的原理。光束除了具有与量子自旋有关的角动量以外,还有一种是由于光束具有螺旋形相位结构而产生的轨道角动量(OAM,Orbital angular momentum),因此OAM被称为光子(或电磁波)的最后一个基本参数,并且尚未被应用于通信。

  在OAM这一电磁波的基本物理参数维度上,发掘未来通信系统容量呈数量级扩展的容量资源、基本原理和核心技术,与已经利用的容量资源结合,可能大幅度新增容量。该技术的发展,对于缓解移动通信系统的大容量需求和频谱资源受限的矛盾,支持移动互联网的普及,具有重要作用。

  10.泛在感知与全分布控制技术

  1988年,普适计算之父Mark Weiser第一次将“泛在”一词用于计算器和网络中,他将泛在计算定义为“一种使用物理上的多台计算器加强计算能力,同时让用户无感知地使用的方式”;并预言了未来的网络模式:“网络如同空气和水一样,自然而深刻地融入人类的日常生活和工作中。”这就是泛在网的作用。

  随着无线技术、传感技术和芯片处理技术的发展,使得泛在感知成为可能。如果说泛在网是ICT社会发展的最高目标,物联网则是泛在网的初级和必然发展阶段,而传感器网则是物联网的延伸和应用的基础。

  泛在感知网络不仅仅是基础的网络构架,同时也能向其他行业提供信息通讯服务,实现对信息的综合利用,提升个人、企业、家庭的生活品质及工作效率;数字化、多媒体化的信息服务将融入人们日常工作、生活中,并起到方便生活的作用。(文 姜念云 本报记者 滕继濮)

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