新火種
2023-10-30 
集成電路、AIGC、機器人……復旦7位科學家這樣預見未來
【編者按】
2023年5月27日，是復旦大學118周年校慶。“校慶種種活動，以促進科學研究為中心。”從1954年校慶前夕時任校長陳望道提出這一主張開始，在校慶期間舉辦科學報告會，就成為復旦的重要學術傳統之一。
賡續學術傳統，百年弦歌不絕。5月9日起，來自文社理工醫各學科的50多位復旦名師將陸續帶來學術演講。
在慶祝建校118周年相輝校慶系列學術報告會“持續推動融合創新，打造新工科發展新動能”新工科專場上，復旦7位科學家分享所在領域前沿進展，為聽眾打開一扇扇未來科技之窗。
集成芯片與系統全國重點實驗室主任、芯片與系統前沿技術研究院院長、中科院院士劉明，光伏科學與技術全國重點實驗室學術帶頭人、信息科學與工程學院副院長、教授詹義強，計算機科學技術學院教授顏波，新一代集成電路技術集成攻關大平臺副主任、微電子學院副院長、教授周鵬，生物醫學工程技術研究所副所長、信息科學與工程學院教授他得安，電磁波信息科學教育部重點實驗室主任、信息科學與工程學院副院長、教授徐豐，工程與應用技術研究院青年研究員方虹斌先后作報告。
集成電路的創新發展之路
“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展歷程。
劉明 本文圖片均為 復旦大學 供圖
“晶體管的發明并不是一個孤立的事件?！睔v史上，為集成電路領域做出貢獻的學者不計其數，晶體管更是前人基于對固體物理的深刻認識，外加受市場需求的牽引而研制的。劉明總結道：“原理不一、功能各異的器件和電路架構，使集成電路能廣泛應用到不同的領域，研究者在器件和電路架構上的突破，也將讓集成電路擁有新的應用場景?！?/p>
劉明介紹，增加集成度、提升性能、降低功耗，是集成電路技術發展的核心目標，在很長一段時間內，晶體管尺寸的持續微縮驅動了集成電路技術的快速進步。材料、器件結構、光刻技術、封裝，乃至EDA工具，都在集成電路尺寸微縮的歷程中不斷進化。
為了推進晶體管尺寸進一步微縮，集成電路的制造工藝與設備也日趨復雜，劉明以EUV光刻機為例，介紹了光刻技術從光源、鏡頭的材料與結構、圖形傳遞模式的多元化創新，指出EUV光刻機堪稱迄今為止人類制造的最復雜、精度最高的機器，也是全球產業界合作的產物。
同時，先進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，劉明提出，集成電路產業正在進入系統、設計、制造、封裝協同發展的新階段。集成芯片技術——芯粒級半導體集成技術，可以將復雜芯片分解成芯粒，采用硅精密制造技術將若干芯粒進行集成，實現復雜的系統集成與應用，突破“面積墻”限制，實現芯片性能的提升和功能的拓展。
實現可持續發展，需要更高效穩定的新型太陽能電池
詹義強在題為《柔性高效穩定鈣鈦礦太陽能電池研究》的報告中指出，當前，全球能源和環境問題突顯，統籌開發鈣鈦礦電池，能夠有效提升太陽能光伏產品及技術供給能力，促進可持續發展，加快實現碳達峰、碳中和。
詹義強
太陽能是理想的清潔能源，運用半導體光伏效應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是復旦大學光伏科學與技術全國重點實驗室的重點研究方向之一，目前已經獲得可以媲美單晶硅技術的高效率，具備低成本、低耗能、兼容大面積、柔性等獨特優勢。
面向國家重大需求，團隊努力解決先進太陽電池技術中的重大科學問題，聚焦低成本高效率鈣鈦礦電池實用化前沿技術等關鍵任務，打造光伏技術創新的策源地。
通過十余年的系統研究，團隊利用共價交聯策略初步解決了鈣鈦礦本征穩定性這一核心問題，結合表界面修飾、應力調控等多種手段，協同提高器件工作壽命。相關研究開發了適合柔性襯底的低溫制備工藝，利用下轉換發光材料，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、可穿戴便攜設備等領域得到廣泛應用。
AIGC大模型發展是未來大勢所趨
當前，AIGC（即“生成式人工智能”）正在顛覆各個領域的科學研究，也對人類社會產生影響。顏波在題為《AIGC新引擎及其多學科交叉融合應用》的報告中介紹，AIGC包括算力、數據、算法三大要素，其技術已演化出孿生、編輯、創作三大前沿能力。AIGC+X的范式能夠為科學研究提供新方法、發現新材料、產生新數據。
顏波
“量變引發了AIGC生成能力的質變，例如最近火熱的語言大模型ChatGPT就讓我們看到了一種質變的結果?！鳖伈ㄕf，當前，AIGC模型潛力凸顯，能實現高保真3D建模，可實時合成說話的人像，也能根據文本合成創意內容，生成高分辨率視頻。
隨著社會發展，產業界在智慧安防、智慧醫療、智慧終端等領域提出新的需求，對此，AIGC可以更好解決媒體適配編輯看不真、遠距離小物體看不準、低質低分辨率看不清等問題。
AIGC的強大編輯能力，也正在現實社會中發揮重要作用。他所在實驗室研發的“全濃縮”監控視頻濃縮系統，實現條件語義快速定位和識別，達到快速破案的目的，使搜查時間減少99%。目前，這種監控視頻全濃縮技術與系統已在深圳公安的辦案偵查中獲得成功應用。
AIGC的孿生能力，也被巧妙應用在復旦校史館的史料修復上，可以對承載著復旦記憶的重要歷史影像資料進行高清化再現。
在AI+醫療領域，實驗室進行AIGC+醫療應用的研究，研發了“內鏡智慧眼”核心算法與硬件系統。相關成果在近4年累計讓8萬余名患者受益。
顏波最后總結道，AIGC大模型發展是未來大勢所趨，將強力支撐AI+科學的研究，帶來新的研究范式。
與硅融合的二維半導體產業是一片新藍海
集成電路對于我國現代化產業發展起到底層支撐作用，是實現高水平科技自立自強的重要組成部分。晶體管是關乎人類未來的底層技術，晶體硅助力晶體管實現集成電路“增量”奇跡。
近些年，集成電路領域的難題和挑戰也愈發明顯，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，集成電路性能發展逐漸放緩。
周鵬
只有創新方能突破瓶頸，集成電路領域亟需新材料、新結構和新器件的突破。周鵬團隊將目光投向了物性更豐富、性質更多元的二維材料以構筑新器件，為硅找尋解決當前集成密度與能耗難題的方案。
“得益于獨特優異的性能，二維半導體有望克服傳統技術瓶頸，緩解硅基集成電路發展能耗挑戰和存儲困境?！敝荠i介紹說。近些年，周鵬帶領其團隊已經取得了雙表面溝道晶體管（TSCFET）、超薄多溝道圍柵晶體管（MBCFET）、硅基二維異質集成疊層晶體管（CFET）、二維PN結閃存（Flash）等一系列研究成果。
“我今天的匯報是想證明，二維半導體是可行的?！敝荠i介紹，二維半導體具備獨特的電學、熱學、化學和光學特性，有望實現最終的柵極長度縮放，可用于構建緊湊的后道CMOS電路（CFET），基于實驗室的超大尺寸2D晶體管表現出了良好的性能，工業規模生產2D-FET的途徑也正在開發中。
周鵬認為，與硅融合的二維半導體產業是一片新藍海，需要更進一步的創新驅動、持續的核心技術研發。
挑戰“禁區”：骨骼系統的超聲評價與調控
二十多年前，骨骼是超聲診斷的“禁區”。他得安所在團隊挑戰“禁區”，在骨超聲研究上取得較大進展。此次，他得安帶來題為《骨骼系統的超聲評價與調控》的報告。
骨質疏松癥是影響人類健康的第二大疾病，中國骨質疏松癥患者已超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略需求。
對成人的骨質疏松癥做診斷時，主要是通過X線、CT、雙能X線?！斑@些方法能反映骨骼的‘數量’，即骨骼密度；卻不能反映骨骼的‘質量’，比如骨骼彈性。”他得安指出。
多年來，超聲因其具備的許多優點而受到重視和臨床應用。但現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，只能大致顯示骨內部形態和輪廓信息。
他得安
面對重重挑戰，他得安團隊提出了蜂窩狀的松質骨超聲散射理論模型，構建了充粘液、多層管狀長骨中的超聲傳播理論模型，優化了基于元學習的反問題求解算法，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用于地星II號實驗頭低位臥床實驗。它為研究微重力環境下骨質流失規律，為中國空間站航天員的骨質流失對抗提供了重要的理論基礎和大量寶貴的實驗數據。
雷達技術的一次革命：合成孔徑雷達
一周前，上海市科學技術獎勵大會傳來捷報，徐豐所在團隊喜獲上海市自然科學一等獎。此次站上相輝堂講臺，他帶來題為《微波視覺與雷達智能目標識別》的報告。
徐豐
最傳統的雷達發明于二戰期間，配備有環形顯示界面，檢測到的目標會以光標形式出現在界面上。而徐豐團隊研究的是合成孔徑雷達（SAR），它可以被安裝在衛星或飛機等飛行平臺上，全天時、全天候對地成像，實現了一維測距到二維高分辨成像的跨越，是雷達技術的一次革命。
經40余年的自主研發，我國已發射雷達衛星數十顆，但仍面臨雷達圖像解譯這一亟需突破的應用瓶頸?！袄走_衛星每天能獲得海量數據，光靠訓練專業人員進行人工判讀，效率很低。我國迫切需要開展SAR圖像自動解譯基礎研究。”徐豐談道。
微波視覺是金亞秋院士提出的新概念，即發展專用于自動解譯微波域雷達圖像的物理啟發人工智能技術。徐豐對微波視覺與傳統光學視覺在工作原理、圖像屬性、認知機理等方面的區別做了介紹。如果說光學視覺是基于光學激勵的先天視覺神經網絡和后天大數據學習訓練的仿生物視覺，那么微波視覺則是基于電磁物理機理且能適應稀疏數據的可解釋的仿物理視覺。
在探討微波視覺的物理基礎、智能基礎、認知基礎，并提出多種智能目標識別算法之外，徐豐團隊還設計了一套面向探測成像識別一體化應用的無人機載雷達成像算法和系統。報告會上播放的視頻里，無人機在光草上緩緩升起，對邯鄲校區的本部與南區做了高分辨率SAR成像，實現了無輔助定位的高分辨率成像，目前團隊正在開發面向星上、機上智能處理的微波視覺原理樣機，進一步將研究成果推向實際系統中。
各類大模型問世后，徐豐團隊對其做了一些測試，發現它難以直接適用物理屬性很強的雷達圖像，說明它沒有學到系統性的物理知識，因此他認為以物理智能為代表的Science for AI有很大發展空間。面對“ChatGPT是否意味著奇點到來”的問題，徐豐在報告結尾時作出了自己的回應，“不管奇點是否到來，我們相信科學！”
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？動物和折紙為科學家們提供了無盡的靈感。
“機器人的發展一直在從自然界獲取靈感，比如服務機械臂、四足機器狗都是生活中我們常見的案例?！痹诜胶绫罂磥恚律峭苿訖C器人技術進步的重要力量。
仿生移動機器人的設計、建模和控制，既是新熱點，也是新挑戰。在面對狹窄受限環境時，例如災難廢墟中幸存者搜救、工業管道檢查和清理、人體胃腸道檢測和治療、戰場信息隱蔽偵查等任務，傳統的輪式和腿式機器人都無能為力，這迫切要求進一步向動物學習，提出全新的機器人結構設計。
方虹斌
如何向動物學習？方虹斌說：“無腿動物具備在受限和狹窄等非結構化環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的移動能力?！睂W習無腿動物的形態學特征和移動機理，研發仿生無腿移動機器人，是未來機器人發展的重要方向。
近年來，復旦大學智能機器人研究院仿生結構與機器人實驗室在仿蠕蟲移動機器人研究領域取得了諸多創新成果。方虹斌主導設計的“蠕動+游動”、“蠕動+擺動”、“蠕動+滾動”等多款仿蠕蟲多模態移動機器人，能夠在包括管道、水域和碎石地等復雜環境中高效移動。方虹斌還創新地將“折疊”思想引入機器人開發，將傳統的“三維設計-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”，設計了多款折紙仿蠕蟲移動機器人，構成了未來機器人發展的重要方向。
方虹斌認為，仿生機器人和折紙機器人研究機遇與挑戰并存，未來機器人將更多呈現出剛柔耦合特征和可重構特征，機器人性能也將在多模態運動、高性能、微型化和智能化的方向上不斷向前邁進。
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