積體電路、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週年校慶。 「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。

趙續學術傳統，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週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。

整合晶片與系統全國重點實驗室主任、晶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領導者、資訊科學與工程學院副院長、教授詹義強，電腦科學技術學院教授顏波，新一代積體電路技術整合攻關大平台副主任、微電子學院副院長、教授週鵬，生物醫學工程技術研究所副所長、資訊科學與工程學院教授他得安，電磁波資訊科學教育部重點實驗室主任、資訊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後作報告。

積體電路的創新發展之路

「今年是電晶體誕生的76週年，我想和各位回顧電晶體和積體電路是如何發展的，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，劉明簡要概述了積體電路發展歷程。

劉明 本文圖片皆為 復旦大學 供圖

「電晶體的發明並不是一個孤立的事件。」歷史上，為積體電路領域做出貢獻的學者不計其數，晶體管更是前人基於對固體物理的深刻認識，外加受市場需求的牽引而研發的。劉明總結：「原理不一、功能各異的裝置和電路架構，使積體電路能廣泛應用到不同的領域，研究者在裝置和電路架構上的突破，也將讓積體電路擁有新的應用場景。 ”

劉明介紹，增加整合度、提升效能、降低功耗，是積體電路技術發展的核心目標，在很長一段時間內，電晶體尺寸的持續微縮驅動了積體電路技術的快速進步。材料、裝置結構、光刻技術、封裝，甚至EDA工具，都在積體電路尺寸微縮的歷程中不斷進化。

為了推進電晶體尺寸進一步微縮，積體電路的製造流程與設備也日益複雜，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製造的最複雜、精度最高的機器，也是全球產業界合作的產物。

同時，先進製程晶片面臨著光刻「面積牆」的約束，單晶片（die）面積已逼近光刻機圖形投影能力的極限。劉明指出，積體電路產業正步入一個新的發展階段，即係統、設計、製造和封裝實現協同發展的階段，以應對當前的挑戰。整合晶片技術－芯粒級半導體整合技術，可將複雜晶片分解成芯粒，採用矽精密製造技術將若干芯粒進行集成，實現複雜的系統整合與應用，突破「面積牆」限制，實現晶片性能的提升和功能的拓展。

實現永續發展，需要更有效率且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電產品及技術供應能力，促進永續發展，加快實現碳達峰、碳中和。

詹義強

利用半導體光伏效應，太陽能成為了一種理想的清潔能源並成為人類高效利用太陽能的重要途徑。詹義強介紹，鈣鈦礦新型光電技術是復旦大學光電科學與技術全國重點實驗室的重點研究方向之一，目前已獲得可媲美單晶矽技術的高效率，具備低成本、低耗能、相容大面積、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。

透過十餘年的系統研究，團隊利用共價交聯策略初步解決了鈣鈦礦本徵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，協同提高元件工作壽命。相關研究開發了適合柔性基板的低溫製備工藝，利用下轉換發光材料，拓寬柔性鈣鈦礦光吸收範圍，可製備更高效的柔性鈣鈦礦光伏裝置。面向未來，柔性鈣鈦礦元件也很可能在航空航太、建築光電整合、交通運輸、穿戴式便攜設備等領域廣泛應用。

AIGC大模型發展是未來大勢所趨

#AIGC，即“生成式人工智慧”，正在對各個領域的科學研究進行顛覆，同時對人類社會產生了影響。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、演算法三大要素，其技術已演化出孿生、編輯、創作三大前沿能力。使用AIGC X的模式能夠引進新的方法、發掘新型材料，產生全新的數據用於科學研究。

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。」顏波說，當前，AIGC模型潛力凸顯，能實現高保真3D建模，可即時合成說話的人像，也能根據文字合成創意內容，產生高解析度影片。

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、低質低解析度看不清楚等問題。

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」監控視訊濃縮系統，實現條件語意快速定位與識別，達到快速破案的目的，使搜索時間減少99%。深圳公安部門已成功應用這種監控視訊完整提取技術和系統於辦案偵查中。

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。

在醫療領域的人工智慧應用中，實驗室研究了AIGC 醫療應用，並成功開發了「內視鏡智慧眼」的核心演算法和硬體系統。相關成果在近4年累計讓8萬多名患者受益。

顏波最後總結道，AIGC大模型發展是未來大勢所趨，將強力支撐AI 科學的研究，帶來新的研究典範。

與矽融合的二維半導體產業是一片新藍海

積體電路是我國現代產業發展的基礎支撐，也是實現高水準科技自主創新的重要組成部分。晶體矽的應用幫助電晶體實現了積體電路的「增量」奇蹟，這是與人類未來息息相關的基礎技術。

近年來，積體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製程問題、能量密度過高帶來的能耗問題和儲存牆帶來的速度失配問題。由於受到尺寸微縮、功耗效率和儲存牆三種物理原理的限制，積體電路的效能發展正逐漸減緩。

週鵬

在積體電路領域，只有透過創新才能克服難題，需要不斷突破新材料、新結構和新裝置的瓶頸。週鵬團隊將目光投向了物性更豐富、性質更多樣化的二維材料以構築新器件，為矽找尋解決當前集成密度與能耗難題的方案。

「由於獨特優異的效能，二維半導體有望克服傳統技術瓶頸，緩解矽基積體電路發展能耗挑戰和儲存困境。」週鵬介紹說。近年來，週鵬帶領其團隊已經取得了雙表面通道電晶體（TSCFET）、超薄多通道圍柵電晶體（MBCFET）、矽基二維異質整合疊層電晶體（CFET）、二維PN結快閃記憶體（Flash）等一系列研究成果。

「我今天的報告是想證明，二維半導體是可行的。」週鵬介紹，二維半導體具備獨特的電學、熱學、化學和光學特性，有望實現最終的閘極長度縮放，可用於建構緊湊的後道CMOS電路（CFET），基於實驗室的超大尺寸2D電晶體展現了良好的性能，工業規模生產2D-FET的途徑也正在開發中。

週鵬認為，與矽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」：骨骼系統的超音波評估與調控

二十多年前，骨骼是超音波診斷的「禁區」。他得安所在團隊挑戰“禁區”，在骨超音波研究上取得較大進展。此次，他得安帶來題為《骨骼系統的超音波評估與調控》的報告。

骨質疏鬆症已超過世界上第二大常見疾病並影響人類健康，中國已有超過一億骨質疏鬆症患者。可以說，骨骼超音波研究面向的是人民生命健康與國家重大戰略需求。

對成人的骨質疏鬆症做診斷時，主要是透過X光、CT、雙能量X光。 「這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，超音波因其具備的許多優點而受到重視和臨床應用。但現有的骨超音波成像儀多採用超音波透射法，測量部位受限，通常只能測量跟骨部位；成像空間解析度低，只能大致顯示骨內部形態和輪廓資訊。

他得安

#面對重重挑戰，他得安團隊提出了蜂窩狀的鬆質骨超音波散射理論模型，建構了充黏液、多層管狀長骨中的超音波傳播理論模型，優化了基於元學習的反問題求解演算法，開發了基於超音波背散射法的新型骨超音波診斷儀。

目前，此款骨超音波診斷儀已應用於地星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，為中國太空站太空人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

#在上週舉行的上海市科學技術獎勵大會上，徐豐領導的團隊榮獲了上海市自然科學一等獎。他在相輝堂講台上發表了主題為《微波視覺與雷達智慧目標辨識》的演講。

徐豐

在二戰時期，最傳統的雷達裝備了環形顯示介面，可將偵測到的目標以遊標形式顯示在介面上。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台上，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，是雷達技術的革命。

我國已進行40多年的自主研發，已發射數十顆雷達衛星，但尚需突破雷達影像解譯此關鍵應用瓶頸。 「雷達衛星每天能獲得大量數據，光靠訓練專業人員進行人工判讀，效率很低。我國迫切需要進行SAR影像自動解讀基礎研究。」徐豐談道。

金亞秋院士提出了一個新概念，即發展一種物理啟發的人工智慧技術，專門用於自動解譯微波域雷達圖像，這就是所謂的微波視覺。徐豐對微波視覺與傳統光學視覺在運作原理、影像屬性、認知機制等方面的差異做了介紹。如果光學視覺是基於光學激勵的先天視覺神經網路和後天大數據學習訓練的仿生物視覺，那麼微波視覺則是基於電磁物理機制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、智慧基礎、認知基礎，並提出多種智慧目標辨識演算法之外，徐豐團隊也設計了一套針對偵測成像辨識一體化應用的無人機載雷達成像演算法和系統。報告會上播放的影片裡，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、機上智慧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。

各類大模型問世後，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，從大自然獲取靈感

未來機器人將走向何方？動物和摺紙為科學家提供了無盡的靈感。

我們常見的機器人案例，例如服務機械手臂和四足機器狗，一直從自然界中汲取靈感。 」在方虹斌看來，仿生是推動機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，例如災難廢墟中倖存者搜救、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，例如蚯蚓同時具備在地面上和地下管道內的移動能力。」學習無腿動物的形態學特徵和移動機理，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，復旦大學智慧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許多創新成果。方虹斌主導設計的「蠕動 遊動」、「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、水域和碎石地等複雜環境中高效移動。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”的機器人製備流程革新為“二維摺痕加工-折疊”，設計了多款摺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，仿生機器人和摺紙機器人研究機會與挑戰並存，未來機器人將更多呈現出剛柔耦合特徵和可重構特徵，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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