集積回路、AIGC、ロボット...7 人の復旦科学者が未来をこう予測する

【編集者注】

2023年5月27日は復旦大学創立118周年記念日です。 「創立記念日のあらゆる活動は科学研究の促進を中心とする」 1954年の創立記念日前夜に当時の陳王道総統がこの考えを打ち出して以来、創立記念日に科学講演会を開催することは復旦の行事の一つとなっている。重要な学術的伝統。

継続的な学術の伝統、何百年にもわたる終わりのない歌。 5月9日からは、文系、社会科学、科学、工学、医学などの各分野の50人以上の有名復ダン教師が次々と学術講演を行う。

創立118周年を記念した新工学部特別セッション「統合イノベーションの継続推進と新工学発展の新たな機運の創出」にて テクノロジーの未来への窓。

Liu Ming 集積チップ・システム国家重点研究所所長、チップ・システムフロンティア技術研究所所長、中国科学院院士、太陽光発電科学技術国家重点研究所学術リーダー、情報理工学部副学部長兼教授 Zhan Yiqiang、コンピュータ科学技術学部教授 Yan Bo、新世代集積回路技術統合研究プラットフォーム副所長、マイクロエレクトロニクス学部副学部長兼教授 Zhou彭、生体医工学技術研究所副所長、情報理工学部教授 彼は、教育省電磁波情報科学重点研究室所長、情報理工学部副学部長兼教授の安徐峰である。情報理工学院と工学応用技術研究院の若手研究員、方紅斌氏が相次いで報告を行った。

集積回路の革新的な開発パス

「今年はトランジスタ誕生 76 周年です。トランジスタと集積回路がどのように発展し、皆さんのライフスタイルをどのように変えてきたのかを皆さんと一緒に振り返りたいと思います。」 報告書の冒頭では、次のように述べています。 Liu Ming 氏は、集積回路の発展の歴史について簡単に説明しました。

Liu Ming この記事の写真はすべて復旦大学から提供されました

「トランジスタの発明は、孤立した出来事ではありません。」 歴史的に、集積回路の分野に貢献した学者は数え切れないほどいます。トランジスタは、先人の固体物理学に対する深い理解に基づいており、市場の需要によって推進され、発展しました。 Liu Ming 氏は次のように結論付けています。「異なる原理と機能を備えたデバイスと回路アーキテクチャにより、集積回路はさまざまな分野で広く使用できるようになります。デバイスと回路アーキテクチャにおける研究者のブレークスルーにより、集積回路には新しい応用も可能になるでしょう。」

Liu Ming 氏は、集積度の向上、性能の向上、消費電力の削減が集積回路技術開発の中核目標であると紹介し、長期にわたってトランジスタ サイズの継続的な縮小が集積回路の急速な進歩を推進してきました。テクノロジー。材料、デバイス構造、リソグラフィー技術、パッケージング、さらには EDA ツールはすべて、集積回路のサイズを縮小する過程で常に進化しています。

トランジスタのサイズをさらに縮小するために、集積回路の製造プロセスや製造装置はますます複雑になっており、Liu Ming氏はEUVリソグラフィー装置を例に、光源、レンズ材料、構造に至るフォトリソグラフィー技術の多様化を紹介しました。 、およびパターン転写モード グローバル イノベーション、EUV リソグラフィ マシンは人間がこれまでに製造した中で最も複雑かつ正確なマシンであり、世界的な業界協力の成果でもあると指摘しています。

同時に、高度なプロセスチップはフォトリソグラフィーの「エリアの壁」の制約に直面しており、単一チップ(ダイ)の面積はフォトリソグラフィー装置のグラフィック投影能力の限界に近づいています。 Liu Ming氏は、集積回路産業は新たな発展段階、つまりシステム、設計、製造、パッケージングが現在の課題に対処するために協調的な発展を遂げる段階に入りつつあると指摘した。統合チップ技術 - 複雑なチップをコア粒子に分解し、シリコン精密製造技術を使用して複数のコア粒子を統合し、複雑なシステム統合とアプリケーションを実現し、「領域の壁」の制限を突破してチップを実現できるチップレベルの半導体集積技術。性能向上と機能拡張。

持続可能な開発を達成するには、より効率的で安定した新しい太陽電池が必要です

Zhan Yiqiang氏は、「柔軟で効率的かつ安定したペロブスカイト太陽電池の研究」と題した報告書の中で、現在、世界的なエネルギーと環境問題が顕著であり、ペロブスカイト太陽電池の協調開発が太陽光発電の供給能力を効果的に向上させることができると指摘した。太陽光発電製品と技術 持続可能な開発を促進し、カーボンピークとカーボンニュートラルの実現を加速します。

ジャン・イー強

半導体太陽光発電効果を利用した太陽エネルギーは、理想的なクリーンエネルギーであり、人類が太陽エネルギーを効率的に利用する重要な方法となっています。 Zhan Yiqiang氏は、新しいペロブスカイト太陽光発電技術は復旦大学太陽光発電科学技術国家重点実験室の重要な研究方向の1つであり、単結晶シリコン技術に匹敵する高効率を達成し、低コスト、低エネルギー消費であり、大規模アプリケーションに対応し、エリアや柔軟性などの独自の利点を備えています。

国家の大きなニーズに直面し、チームは、低コストで高効率のペロブスカイト電池の実用的な最先端技術やソースの作成などの重要な課題に焦点を当て、先進的な太陽電池技術における主要な科学的問題の解決に努めています。太陽光発電技術の革新。

10 年以上の体系的な研究を通じて、チームは共有結合架橋戦略を使用してペロブスカイトの本質的安定性という中核問題を最初に解決し、表面および界面の改質、応力制御およびその他の手段と組み合わせて、共同でペロブスカイトの安定性を改善しました。デバイスの耐用年数。関連する研究では、ダウンコンバージョン発光材料を使用してフレキシブルペロブスカイトの光吸収範囲を広げ、より効率的なフレキシブルペロブスカイト太陽電池デバイスを作製する、フレキシブル基板に適した低温作製プロセスが開発された。将来に向けて、フレキシブル ペロブスカイト デバイスは、航空宇宙、建築用太陽光発電統合、輸送、ウェアラブルおよびポータブル デバイス、その他の分野でも広く使用される可能性があります。

AIGC 大型モデルの開発は将来の一般的な傾向です

AIGC、または「生成人工知能」は、さまざまな分野で科学研究を破壊し、同時に人間社会に影響を与えています。 Yan Bo 氏は、「AIGC 新しいエンジンとその多分野横断的統合アプリケーション」と題したレポートで、AIGC にはコンピューティング能力、データ、アルゴリズムという 3 つの主要な要素が含まれており、そのテクノロジーはツイニング、編集、そして創造。 AIGC X モデルを使用すると、科学研究のための新しい手法を導入し、新しい材料を発見し、新しいデータを生成できます。

やんぼ

「量的変化は、AIGC の生成機能の質的変化を引き起こしました。たとえば、最近人気のある大規模言語モデル ChatGPT により、質的変化の結果を確認できるようになりました。」Yan Bo 氏は、現時点で AIGC モデルの可能性は次のとおりであると述べました。このモデルは、リアルタイムで話す人物を合成したり、テキストに基づいてクリエイティブなコンテンツを合成して高解像度のビデオを生成したりすることもできます。

社会の発展に伴い、業界はスマートセキュリティ、スマート医療、スマート端末などの分野で新たな要求を打ち出しており、AIGCはメディア適応や編集の問題をより適切に解決することができます。遠距離の小さなオブジェクトの不正確さ、低品質や低解像度などの問題がはっきりと見えない。

AIGC の強力な編集機能は、現実社会でも重要な役割を果たしています。彼の研究室が開発した「全集中」監視ビデオ集中システムは、条件付きセマンティクスの迅速な位置特定と認識を実現し、犯罪を迅速に解決するという目的を達成し、捜索時間を99％短縮することができます。深セン市公安局は、この完全な監視ビデオ抽出技術とシステムを事件処理と捜査に適用することに成功しました。

AIGC の 2 つの機能は、復旦大学歴史博物館の歴史資料の修復にも巧みに活用されており、復檀の記憶を伝える重要な歴史的画像資料を高解像度で再現することができます。

医療分野における人工知能の応用において、研究室はAIGC医療応用を研究し、「内視鏡スマートアイ」のコアアルゴリズムとハードウェアシステムの開発に成功しました。過去 4 年間で関連する結果が 80,000 人以上の患者に恩恵をもたらしました。

ヤン・ボー氏は最終的に、AIGC 大型モデルの開発が将来の一般的な傾向であり、AI 科学研究を強力にサポートし、新しい研究パラダイムをもたらすだろうと結論付けました。

シリコンと一体化した二次元半導体産業は新たなブルーオーシャン

集積回路は、我が国の現代産業の発展の基本的なサポートであり、科学技術における高レベルの独立したイノベーションを達成するための重要な要素です。結晶シリコンの応用は、トランジスタが集積回路の「インクリメンタル」奇跡を実現するのに役立ちます。これは人類の将来に密接に関係する基礎技術です。

近年、集積回路分野の問題点や課題がますます明らかになってきており、最も重要なものは、収縮によるプロセスの問題、過剰なエネルギー密度によるエネルギー消費の問題、保管壁による速度の不一致です。 。 質問。集積回路の性能開発は、サイズ縮小、電力消費効率、およびストレージの壁という 3 つの物理原則の制限により、徐々に減速しています。

周鵬

集積回路の分野では、問題はイノベーションによってのみ克服でき、新しい材料、新しい構造、新しいデバイスのボトルネックを常に突破する必要があります。 Zhou Peng氏のチームは、新しいデバイスを構築し、シリコンの集積密度とエネルギー消費という現在の問題の解決策を見つけるために、より豊かな物理的特性とより多様な特性を備えた二次元材料に注目した。

「二次元半導体は、その独特で優れた性能のおかげで、従来の技術のボトルネックを克服し、シリコンベースの集積回路の開発におけるエネルギー消費の課題や保管の問題を軽減することが期待されています。」と周鵬氏は語った。近年、Zhou Peng 氏はチームを率いて、二重表面チャネル トランジスタ (TSCFET)、超薄型マルチチャネル ゲートアラウンド トランジスタ (MBCFET)、シリコン ベースの二次元ヘテロジニアス集積スタック トランジスタ (CFET)、次元PN フラッシュメモリなどの一連の研究成果。

「今日の私の報告は、二次元半導体が実現可能であることを証明することです。」 周鵬氏は、二次元半導体は独特の電気的、熱的、化学的、光学的特性を持ち、究極のゲート長スケーリングを達成することが期待されており、コンパクトなバックエンド CMOS 回路 (CFET) の構築に使用される、研究室ベースの非常に大規模な 2D トランジスタは良好な性能を示しており、2D-FET の工業規模生産のための経路も開発されています。

Zhou Peng 氏は、シリコンと統合された 2 次元半導体産業は新たなブルー オーシャンであり、さらなるイノベーション主導で継続的なコア技術の研究開発が必要であると考えています。

「禁断の領域」への挑戦: 超音波による骨格系の評価と調節

20年以上前、骨は超音波診断にとって「禁断の領域」でした。彼のチームは「禁断の領域」に挑戦し、骨超音波研究で大きな進歩を遂げました。今回は「骨格系の超音波評価と調節」というタイトルの報告を持ってきてくれました。

骨粗鬆症は世界で 2 番目に多い病気となっており、人間の健康に影響を及ぼしており、中国には 1 億人以上の骨粗鬆症患者がいます。骨格超音波研究は人々の生命と健康、そして国家戦略上の主要なニーズを指向していると言えます。

成人の骨粗鬆症を診断する場合、主に X 線、CT、デュアルエネルギー X 線が使用されます。 「これらの方法は、骨の『量』、つまり骨密度を反映できますが、骨の弾力性などの骨の『質』を反映することはできません。」とHe De'an氏は指摘しました。

長年にわたり、超音波はその多くの利点により注目され、臨床応用されてきました。しかし、既存の骨超音波画像診断装置の多くは超音波送信方式を採用しているため、測定部位が限られており、通常は踵骨部分のみしか測定できず、画像化の空間分解能も低く、骨の内部形態や輪郭情報を大まかに表示することしかできません。

彼は安全です

多くの課題に直面して、Tadian チームはハニカム海綿骨における超音波散乱の理論モデルを提案し、粘液で満たされた多層管状長骨における超音波伝播の理論モデルを構築し、それに基づいて逆問題の解法を最適化しました。超音波後方散乱法に基づいた新しい骨超音波診断装置「アルゴリズム」を開発した。

現在、この骨超音波診断装置は、Dixing II実験の頭を下にしてベッド上で安静にする実験に使用されています。これは、微小重力環境における骨量減少の法則を研究し、中国の宇宙ステーションの宇宙飛行士の骨量減少と闘うための重要な理論的基礎と大量の貴重な実験データを提供する。

レーダー技術の革命: 合成開口レーダー

先週開催された上海科学技術賞カンファレンスで、Xu Feng率いるチームが上海自然科学賞の一等賞を受賞しました。同氏は香匯ホールの演壇で「マイクロ波ビジョンとレーダーによるインテリジェント目標認識」について講演した。

徐峰

第二次世界大戦中、最も伝統的なレーダーには円形のディスプレイ インターフェースが装備されており、検出された目標をカーソルの形でインターフェース上に表示できました。 Xu Feng氏のチームが研究しているのは合成開口レーダー（SAR）で、衛星や航空機などの飛行プラットフォームに設置して一日中地球を画像化することができ、1次元の範囲から2次元の高レベルへの飛躍を達成することができる。 -解像度イメージング、はレーダー技術における革命です。

我が国は 40 年以上にわたり独自の研究開発を実施し、数十機のレーダー衛星を打ち上げてきましたが、依然としてレーダー画像の解釈というアプリケーションの主要なボトルネックを打破する必要があります。 「レーダー衛星は毎日大量のデータを取得できるため、訓練を受けた専門家のみに手動で判読を頼るのは非常に非効率的です。我が国はSAR画像の自動判読に関する基礎研究を早急に実施する必要があります」と徐峰氏は述べた。

学者のJin Yaqiu氏は、マイクロ波領域のレーダー画像を自動的に解釈するために特に使用される物理学にヒントを得た人工知能技術を開発するという新しいコンセプトを提案しました、これがいわゆるマイクロ波ビジョンです。 Xu Feng 氏は、動作原理、画像特性、認知メカニズムの観点から、マイクロ波視覚と従来の光学視覚の違いを紹介しました。光学視覚が、光学的に刺激された生来の視覚ニューラルネットワークと取得されたビッグデータの学習とトレーニングに基づく生体視覚である場合、マイクロ波視覚は、電磁物理メカニズムに基づいた解釈可能な物理視覚であり、まばらなデータに適応できます。

Xu Feng チームは、マイクロ波視覚の物理的基礎、知能基礎、および認知基礎について議論し、さまざまなインテリジェントな目標認識アルゴリズムを提案することに加えて、検出、画像化の統合アプリケーションのための UAV 搭載レーダーのセットも設計しました。 、認識、画像化アルゴリズムとシステム。報告会で流された映像では、ドローンが明るい草の上をゆっくりと上昇し、邯鄲キャンパスの本地区と南部地区の高解像度SAR撮影を行い、測位支援なしで高解像度撮影を実現した。オンボードおよびオンボードインテリジェント処理のためのマイクロ波ビジョン原理プロトタイプを開発し、研究結果を実際のシステムにさらに推し進めます。

さまざまな大型モデルが登場した後、Xu Feng のチームはそれらについていくつかのテストを行ったところ、強力な物理的特性を持つレーダー画像を直接適用するのは難しく、体系的な物理知識を学習していないことがわかりました。 Intelligence AIに代表されるAIの科学には発展の余地がたくさんあります。 「ChatGPT は特異点の到来を意味しますか?」という質問に直面した Xu Feng 氏は、レポートの最後に「特異点が到来するかどうかに関係なく、私たちは科学を信じています!」と独自の答えを示しました。

未来のロボットを構築し、自然からインスピレーションを得よう

ロボットは将来どこへ行くのでしょうか?動物と折り紙は科学者に無限のインスピレーションを与えます。

サービス ロボット アームや 4 足ロボット犬など、当社の一般的なロボット ケースは常に自然からインスピレーションを得ています。 「ファン・ホンビン氏の見解では、バイオニクスはロボット技術の進歩を促進する重要な力です。

バイオニックモバイルロボットの設計、モデリング、制御は、新たなホットスポットであると同時に新たな課題でもあります。災害廃墟での生存者の捜索と救出、産業用パイプラインの検査と清掃、人間の消化管の検出と治療、戦場情報の秘密偵察など、狭く制限された環境に直面した場合、従来の車輪付きロボットや脚式ロボットでは対応できません。動物からさらに学び、新しいロボットの構造設計を提案することが急務となっています。

ファン・ホンビン

動物から学ぶにはどうすればよいでしょうか?ファン・ホンビン氏は、「足のない動物は、制限された狭い非構造的な環境でもうまく移動する能力を持っています。たとえば、ミミズは地上と地下のパイプの両方で移動する能力を持っています。」と述べ、足のない動物の形態的特徴と動きのメカニズムを学び、バイオニック脚なし移動ロボットの開発は、将来のロボット開発の重要な方向性です。

近年、復旦大学知能ロボット研究所の生体構造ロボット研究室は、ミミズ型移動ロボットの研究分野で多くの革新的な成果を上げています。方紅斌氏は、パイプライン、水中、水中などの複雑な環境で効率的に移動できる、「もがいて泳ぐ」、「もがいてスイングする」、「もがいて転がる」など、さまざまなミミズのようなマルチモーダル移動ロボットの設計を主導しました。そして砂利畑。方紅斌氏はまた、ロボット開発に「折り畳み」のアイデアを革新的に導入し、従来の「3次元設計 - 3次元加工 - 最終組み立て」というロボットの準備プロセスを「2次元折り目加工 - 折り畳み」に変換し、さまざまなロボットを設計しました。折り紙のようなミミズのような移動ロボットは、将来のロボット開発の重要な方向性を構成します。

ファン・ホンビン氏は、バイオニックロボットと折り紙ロボットの研究にはチャンスと課題の両方があると考えており、将来的には、ロボットはより剛直な結合特性と再構成可能な特性を示し、ロボットの性能も多面的に向上すると考えています。 -モーダルモーション、高性能、小型化、そしてインテリジェンスの方向へ前進し続けます。

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