2016高技术发展报告
日 16:15:28
来源：求是网　　作者：
【图书信息】
ISBN：978-7-03-
作者：中国科学院
定价：88.00元
出版社：科学出版社
出版时间：2016年8月
【内容简介】
　　《高技术发展报告》自2000年起开始发布，全面关注“信息技术”“生物技术”“材料与能源技术”及“航空航天和海洋技术”四大领域，每年聚焦一个领域，4年一个周期。《2016高技术发展报告》的主题是信息技术。报告综述了2015年高技术发展动态，着重介绍了信息技术领域技术及其产业化新进展，分析了中国高技术产业、中国计算机及办公设备制造业国际竞争力及中国通信设备制造业创新能力，探讨了高技术与社会等社会普遍关注的重大问题，提出了发展壮大战略性新兴产业、建设知识产权强国、推进重大科技基础设施建设、大数据和集成电路产业发展等政策建议。报告有助于政府部门和社会公众了解高技术，特别是信息技术发展及产业化动态，理解高技术对社会的影响。
创造未来的科技发展新趋势（代序） / 白春礼
前言 / 中国科学院“高技术发展报告”课题组
第一章　2015年高技术发展综述 / 樊永刚 张久春
第二章　信息技术新进展
2.1 半导体材料与器件技术新进展 / 杨德仁　张　卫　沈　波
2.2 有机光电材料与器件技术新进展 / 吕　琨　张建齐　张亚杰　魏志祥
2.3 传感器技术新进展 / 褚君浩
2.4 量子信息技术新进展 / 史保森　郭光灿
2.5 通信技术新进展 / 张　平
2.6 软件技术新进展 / 赵　琛　武延军　陶秋铭　薛云志　丁治明
2.7 信息安全技术新进展 / 冯登国　苏璞睿
2.8 未来网络技术新进展 / 刘韵洁　黄　韬　谢人超
2.9 人工智能技术新进展 / 周志华　俞　扬
2.10 机器人技术新进展 / 王天然　于海斌
2.11 虚拟现实技术新进展 / 王荣刚　黄铁军　陈小武　高　文　赵沁平
2.12 大数据技术新进展 / 梅　宏　王亚沙　李　戈
2.13 大数据时代的生物信息学与系统生物学新进展/ 陈洛南　曾　涛
第三章　信息技术产业化新进展
3.1　云计算产业化新进展 / 高　巍　李　洁　郭　雪　王　月
3.2 控制技术产业化新进展 / 陈吉红
3.3　可穿戴设备产业化新进展 / 安　晖　李　扬　江　华　耿　怡
3.4　移动通信技术产业化新进展 / 杨　旸
3.5　集成电路产业化新进展 / 闫　江
3.6　医疗电子产业化新进展 / 王　磊　邹　浩　颜　延
3.7　显示技术产业化新进展 / 许祖彦　毕　勇　张文平　高伟男
3.8　信息安全技术产业化新进展 / 孟　丹　夏鲁宁　杨　芸
3.9　物联网产业化新进展 / 叶甜春　陈大鹏　王何轶　王　艳
3.10　高性能计算技术产业化新进展 / 曹　政　孙凝晖
3.11　软件产业化新进展 / 左　春　张　正　王　洋
第四章　高技术产业国际竞争力与创新能力评价
4.1　中国高技术产业国际竞争力评价 / 曲　婉
4.2　中国通信设备制造业创新能力评价 / 王孝炯　穆荣平
4.3　中国计算机及办公设备制造业国际竞争力评价/ 蔺　洁　穆荣平
第五章　高技术与社会
5.1　海洋碳汇：社会意义、研究进展及展望 / 焦念志　张　锐　张　瑶　张永雨　刘纪化　张　飞　吕宗青　杜　鹏
5.2　走向善治的纳米技术 / 杜　鹏　胡亚南
5.3　人类基因编辑技术的伦理反思 / 缪　航　黄小茹
5.4　从人工智能到机器伦理 / 徐英瑾
第六章　专家论坛
6.1 “十三五”时期加快发展壮大战略性新兴产业的总体思路与部署 / 姜　江
6.2　关于“中国特色、世界水平”知识产权强国建设若干问题的思考 / 韩秀成　李　牧
6.3　面向世界科技强国战略目标 推进重大科技基础设施建设 / 樊永刚　穆荣平　乔黎黎　王慧中
6.4　推进中国大数据发展的思路与若干建议 / 邬贺铨
6.5　加快发展中国集成电路产业的若干思考 / 叶甜春
2015年是全面完成“十二五”规划的收官之年，是全面深化改革的关键之年，也是高技术领域取得重大突破的一年。党的十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，明确要求把创新摆在国家发展全局的核心位置。举国上下深入贯彻实施创新驱动发展战略，高技术领域取得了北斗系统全球组网首星成功发射、多自由度量子体系隐形传态、国产大型客机C919首架机总装下线、首套“永磁高铁”牵引系统通过首轮线路试验等一批具有国际影响力的重大创新成果，自然科学类诺贝尔奖实现了零的突破，创新型国家建设取得重要阶段性进展。
《高技术发展报告》是中国科学院面向决策、面向公众的系列年度报告之一，每年聚焦一个主题，四年一个周期。《2016高技术发展报告》以“信息技术”为主题，共分六章。第一章“2015年高技术发展综述”，系统回顾2015年国内外高技术发展最新进展。第二章“信息技术新进展”，介绍电子材料与器件、传感器、量子信息、通信技术、软件技术、信息安全、未来网络、人工智能、机器人、虚拟现实、大数据等方面技术的最新进展。第三章“信息技术产业化新进展”，介绍云计算、控制技术、可穿戴设备、移动通信、集成电路、医疗电子、显示技术、信息安全、物联网、高性能计算等方面技术的产业化进展情况。第四章“高技术产业国际竞争力与创新能力评价”，监测分析我国高技术产业国际竞争力，重点关注通信设备制造业创新能力、计算机及办公设备制造业国际竞争力的演化。第五章“高技术与社会”，探讨海洋碳汇、纳米技术、人类基因编辑技术、人工智能等新技术的社会影响等公众关心的热点问题。第六章“专家论坛”，邀请国内知名专家就战略性新兴产业、知识产权强国建设、重大科技基础设施、大数据、集成电路产业等重大问题发表见解和观点。
《2016高技术发展报告》是在中国科学院白春礼院长亲自指导和众多两院院士及有关专家的热情参与下完成的。报告由中国科学院曹效业副秘书长总策划，中国科学院发展规划局、学部工作局、科技战略咨询研究院的有关领导和专家对报告的提纲和内容提出了许多宝贵意见，李喜先、封松林、徐波、李晋闽、高志前、王昌林、郑念、王春法等专家对报告进行了审阅并提出了宝贵的修改意见，在此一并表示感谢。报告的组织、研究和编撰工作由中国科学院科技战略咨询研究院承担。课题组组长是穆荣平，副组长是樊永刚，成员有张久春、李真真、杜鹏、曲婉、郭京京、王孝炯和蔺洁。
中国科学院“高技术发展报告”课题组
2015年高技术发展综述
樊永刚 张久春
（中国科学院科技战略咨询研究院）
2015年世界经济增速为6年来最低，主要经济体增长乏力，新兴市场和发展中经济体总体增速出现下滑。在这样的大背景下，科技和创新受到空前重视，各国纷纷采取措施抢占新一轮科技和产业革命制高点，推动高技术领域持续快速发展。美国奥巴马政府在任期内第三次发布“美国创新战略”，明确精准医疗、脑科学计划、先进汽车、清洁能源和节能技术、教育技术、空间探索和高性能计算等九大国家优先发展领域。德国持续推进“新高技术战略”，法国推出“未来工业”战略，日本启动“科技创新综合战略2015”，试图打造新一轮经济增长的技术和创新引擎。我国明确将创新发展作为五大发展理念之首，深入实施创新驱动发展战略，全面推动“大众创业、万众创新”，在高技术领域涌现出大批创新成果，并实现了自然科学类诺贝尔奖零的突破，迈出了从科技大国向科技强国转变的坚定步伐。
一、信息技术
2015年，信息技术领域不断推陈出新，取得多项重大突破。集成电路领域推出7纳米芯片，进一步推迟了摩尔定律的终结时间，新型类脑芯片、忆阻器等新原理器件不断涌现；人工智能受到前所未有的广泛关注和讨论，深度学习、虚拟现实技术和设备层出不穷；第五代移动通信（5G）标准取得重要进展，超高速全光通信、可见光通信等向应用迈出重大步伐；量子计算和量子通信领域进展显著，取得多自由度量子体系的隐形传态等多项重大成果；云计算、大数据、物联网等新一代信息技术与应用领域结合日益紧密，引领和催生各行业发展方式的革命性转变。
１．集成电路
2015年7月，美国IBM领导的联盟宣布研制出世界上首个7纳米节点测试芯片。当前，应用于服务器、数据中心和移动设备等的微处理器多采用22纳米和14纳米技术，10纳米技术尚在研发中，而IBM此次超越10纳米技术实现了7纳米芯片的研发，是一个巨大的进步。为了使7纳米芯片性能更高、能耗更低，研发人员跳出了传统半导体工业技术路径的思维定式，采用硅锗（SiGe）材料替代纯硅作为晶体管材料，并运用了多层集成极紫外光刻等多种新型工艺，使得这一指甲大小的芯片可以容纳超过200亿个晶体管。这些技术有望使芯片尺寸缩小50％，使下一代大型机的功耗性能比提高50％，对满足未来的云计算、大数据系统、认知计算、移动产品和其他新兴技术的需求具有重要意义。
2015年9月，美国施乐公司开发出一款能自毁的新型芯片。这款芯片是在美国国防部高级研究计划局（DARPA）的支持下研发的，用于存储密钥等数据，并在接到命令后自动碎裂且无法复原。其工作原理是，芯片接收到自毁命令后会触发一个小型电阻，开始对一种特殊的玻璃基底加热，随后芯片随玻璃碎裂成数以千计的小碎片，这些小碎片内部仍然存在巨大压力，在之后的数十秒内会继续碎裂成更小的碎片。该芯片的自毁时间在10秒内，可在落入不法之徒手中时或在特定条件下通过快速自毁避免数据被窃取，能够有效满足军事和高机密商业的应用需求。此外，该技术在医疗和环保领域也有较大应用潜力，为研制可降解、对人体和环境友好的电子芯片奠定了基础。
2015年9月，美国斯坦福大学研究团队研制出一款碳纳米管3D芯片。早在2013年，Nature就报道了该团队研发的世界上第一台基于碳纳米管制造的计算机，迈出了挑战“硅芯片”计算机制造主流材料的第一步，但这台计算机只有几个晶体管，体积庞大且运行速度很慢。近期，该团队研发出一种让存储器和晶体管层层堆积的方法，即新的3D设计方法，大幅降低了数据在处理器和存储器之间传递所需的大量时间和能量消耗，有望将现有芯片的计算速度加快1000倍。此外，该研究团队还利用芯片新架构，研制出多个传感器晶圆，可用于探测红外线、特定化学物质等。
2015年9月，美国得克萨斯大学奥斯汀分校开发出一种在室温下即可实现自愈的柔性电路。试验显示，该电路被切断后一分钟即可恢复导电，而且即使在同样的位置被切割多次也能完成自我修复。电路由一种含有超分子凝胶（超级凝胶）和导电高分子水凝胶成分的导电凝胶制成，具有高导电性、柔韧性并能在室温下实现自愈。该成果有望在柔性电子产品、机器人、人工皮肤、仿生假体等领域获得应用。
２．高性能计算
2015年5月，美国斯坦福大学开发出一种可自动化设计各种光互联解决方案的逆设计算法。当前计算机主要通过电子流的形式在导线间传输信息，这需要消耗大量能量，而光子可以更低的能耗传输更大容量的数据。因此，工程师们致力于用光子取代电子进行信息传输，最终利用光传输载体取代导线研制出光子计算机。但到目前为止，每次仅能设计一种光互联解决方案，各电子系统所需的数千种光互联解决方案使得利用光子来进行数据传输仍然是不切实际的。斯坦福大学开发的逆设计算法可自动化设计满足各种光子电路功能需求的硅结构，便于基于现有商业工艺线实现量产。此外，这种逆设计算法还在高带宽光通信、紧凑型显微镜系统和超安全量子通信等领域中具有广阔应用前景。
2015年11月，中国国防科学技术大学研制的“天河二号”超级计算机第六次蝉联全球超级计算机500强排行榜冠军，创造了超级计算领域一项新的世界纪录。“天河二号”是“863”计划和“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”国家科技重大专项项目，峰值浮点运算速度达54.9千万亿次／秒（PFlops），实际运算速度达33.86 PFlops。“天河二号”在异构体系结构、自主高速互联网络、高性能系统软件栈、并行编程模型与应用优化等方面处于国际领先水平。此次中国超级计算阵营共获得了500个席位中的109个，超过欧洲与日本，位列美国之后，居全球第二位，实现了历史性突破。
３．人工智能
2015年4月，美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校和纽约州立大学石溪分校在忆阻器研发方面取得重大进展。忆阻器是近年来出现的一种特殊电子器件，已经被用于开发类脑芯片，这类芯片不采用数字逻辑电路来处理数据，而采用能够模拟生物大脑的神经元和突触的元件。一旦这种芯片接触到新的数据，就会像连接神经元、调节神经元间相互作用的突触一样进行“学习”。以往研究中，模拟人工神经网络需要数量庞大的芯片，而该项研究成果只需一个忆阻器就能模拟100个神经突触。虽然该原型芯片目前只可完成识别简单黑白图案等任务，但该技术有望应用于规模更大、功能更强的设备，最终推动忆阻器的商业化应用。
2015年5月，美国加利福尼亚大学伯克利分校开发出一款具有深度学习能力的机器人。该机器人名为“用以消除烦琐工作任务的伯克利机器人”（BRETT），能够完成组装玩具飞机、拼接乐高积木、扭紧瓶盖或把衣服放在架子上等任务。研究人员并未对每项任务进行编程，而是让算法指导机器人试错并从中学习，十分接近人类的学习方法。该项研究获得DARPA、海军研究办公室、空军研究实验室和美国国家科学基金会的资助。
2015年5月，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校和日本国家材料科学研究所联合，开发出一种能够模拟大脑进行自然计算的硬件平台。该装置名为“原子开关网络”，由许多纳米尺度的忆阻器组成，每个忆阻器就是一个原子开关。这些开关能够根据此前存储的内容调整电阻，产生与之相适应的电流或电压。这种设计能够使该装置产生自发行为，不断根据环境参数进行自我调整。这些特征使得该系统能够像人脑一样，基于一个具有自适应、自组织、自学习能力的复杂系统开展自然计算，从而获得从环境中学习的能力，并将其与众多单元交互的结果通过宏观行为呈现出来。该成果未来有望在人造大脑及自然或认知计算方面发挥重要作用。
2015年12月，美国纽约大学、美国麻省理工学院和加拿大多伦多大学联合，开发出一个具有类似人类学习新知识能力的计算机模型。传统的机器学习方法需要大量的数据来训练，而人类只需要少量案例就能学到新知识。科学家团队利用“贝叶斯程序学习”（Bayesian program learning）方法开发出一种人工智能模型，能像人类一样从少量案例中迅速学习和书写陌生的手写字符，在某种意义上可以说它能够区别字符的本质特征（字符的整体结构）和非本质特征（因书写造成的轻微变异）。科学家对该模型进行了测试，证明该模型可对手写字母进行分类、解析和再创，并通过了“视觉图灵测试”。尽管目前这个模型只能学习手写字母，但这种方法可被扩展至其他以符号为基础的系统，如手势、舞蹈、口语等。
４．云计算和大数据
2015年4月，英国伦敦玛丽女王大学与西班牙塞维利亚大学的研究人员合作，开发出一种借助量子理论原理进行大数据挖掘的方法。传统方法对海量数据进行分析非常困难，只用简单的连接来表示网络中不同组成部分之间的关系而不考虑它们之间可能存在多种互动方式，会造成信息损失。新方法借鉴量子力学辨别两种量子状态之间差异的经典技术，来理解系统中具有一定相似度、可视为冗余的关系，从而大大减少了必须单独分析的信息量并降低了对计算能力的需求。研究人员已成功将该方法用于分析，如动物多样性、恐怖分子网络、科学合作体系等一般互动大数据，此外，它也可用于帮助人们更好地理解存在大量交互关系的各种事物。
2015年5月，美国IBM公司宣布在硅光子技术方面取得突破，有望加速云计算和大数据应用。目前大多数数据中心内的光学互联解决方案都是基于垂直腔表面发射激光器（VCSEL）技术，其中光信号通过多模光纤进行传输。然而，云服务端口之间长距离和高速率数据传输的需求持续推动低成本单模光互联技术的发展，以克服VCSEL连接固有的带宽距离限制。IBM采用新的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成纳米光学技术，通过在单个硅芯片上组合重要的光和电子元件构建光纤封装架构，从而形成高效的硅光子解决方案。IBM已经完成对全集成波分复用硅光学芯片的设计和测试，有望用于制造传输速率达100吉比特／秒（Gbps）的光收发器，使数据中心能够为云计算和大数据应用提供更高的数据传输速度和带宽。
５．网络与通信
2015年6月，国际电信联盟（ITU）宣布制定发展5G的愿景和总体路线图，并将其命名为“国际移动通信系统2020”（IMT-2020）。此次会议还达成一致，应在IMT-2020的名称下开展工作，作为国际电联移动通信系统现行全球标准（IMT-2020和IMT Advanced，当前3G和4G移动系统的基础）的延续。下一步ITU将制定支持5G无线系统的详细技术性能要求，同时考虑未来各种不同情形和使用情况的需求，然后规定纳入IMT-2020候选无线接口技术的评估标准。这些定于2020年上市的新系统将在移动宽带无线系统中引入新的连通模式，以支持超高清视频业务、实时低时延应用并扩展物联网（IoT）的范围。
2015年8月，美国普渡大学开发出一种有望实现超高速全光通信的等离子氧化材料。目前的光通信主要是用激光脉冲沿光纤来传输信息，要依靠硅基晶体管实现开关电源、放大信号。而全光通信无论是数据流还是控制信号都是光脉冲，不用任何电信号来控制系统。该研究用铝掺杂氧化锌（AZO）制备出一种可调制的光学薄膜材料，能利用电子云状的表面等离激元来控制光，脉冲激光会改变氧化锌的折射率，从而调制反射光的量。这种材料能在近红外光谱范围工作，可用在光通信中，并与CMOS兼容。研究人员计划利用这种材料制造全光等离子调制器（光学晶体管），有望比传统硅基电子设备的速度提高10倍以上。
2015年11月，解放军信息工程大学突破了可见光空间通道互干扰高效抑制等关键技术，利用发光二极管（LED）灯光实现了水下等特殊条件下的高速通信，速度可达50吉比特／秒。可见光通信是利用半导体照明光线实现“有光照就能上网”的新型高速数据传输技术，该技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信，还可有效克服无线电通信电磁信号泄露等弱点，快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。目前，全球大约拥有440亿盏灯具构成的照明网络，数百亿的LED照明设备与其他设备融合将构筑一个巨大的可见光通信网，有望打破无线电频谱资源严重匮乏的困局。
2015年12月，美国麻省理工学院、加利福尼亚大学伯克利分校、科罗拉多大学联合，利用现有半导体生产工艺开发出首个光通信微处理器原型。科学家一直致力于开发利用光信号而非电信号进行数据传输的处理器芯片。但是，光学组件高昂的制作成本和难以与现有半导体生产线相集成的复杂制作工艺、材料等问题阻碍了这一技术的发展。这项联合研究利用环形调制器、光电探测器和垂直光栅耦合器等光子器件来控制和引导芯片上的光波，利用硅晶体管作为光波的波导管来降低光波的传输损耗。处理器集成了7000万个晶体管和850个光学组件，利用光纤、光发射器和光接收器在处理器芯片和存储器芯片之间传输数据，数据传输速率达每秒每平方毫米300吉比特，是类似的现有电子微处理器数据传输速率的10～50倍，可显著降低数据中心的能耗。
6.量子计算和通信
2015年2月，中国科学技术大学在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。研究团队选取单光子自旋和轨道角动量作为研究对象，创造性地发展了多项新颖的多粒子多自由度纠缠操纵技术，巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案。研究人员成功制备出国际上最高亮度的自旋轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋轨道角动量纠缠实验平台，成功实现了多自由度量子体系的隐形传态。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，科学家经过18年努力在量子信息实验研究领域取得的又一重大突破，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。
2015年3月，美国谷歌公司与加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校合作开发出首个能够自我检查和纠错的量子电路。传统计算机的比特位只有0和1两种状态，量子比特则可能在多个维度上同时出现任意一种或全部的0／1状态，被称为“叠加态”。这种性质赋予了量子计算机强大的计算性能，但同时也会导致量子比特很容易“翻转”，特别是在不稳定环境中更是难以掌控。该项研究创造出一种被称为“表面代码”的机制，通过观察相邻量子比特的信息来获取某个量子比特中的数据，避免了因直接观察量子比特而导致其量子态被破坏。新系统能够保存量子比特状态，而且具有高度的系统稳定性，是未来制造大规模量子计算机的基础。
2015年4月，英国布里斯托大学和日本电报电话公司（NTT）合作首次成功将量子隐形传态的核心电路集成到一块微型光学芯片上。传统的量子隐形传态实验需要数百台光学设备一起工作，全套系统占地面积巨大。该项研究采用先进的纳米制造技术，成功将相关功能集成在一个面积仅0.0001米２的微型硅芯片上，首次实现在一个硅芯片上展示量子隐形传态。该项研究成果向着最终制造超高速量子计算机和实现超安全量子通信迈出了重要一步。
2015年8月，加拿大多伦多大学在利用纯光制造量子逻辑门研究方面取得进展，成功实现单光子对其他光束施加影响。逻辑门是集成电路最基本的组件，传统计算机的逻辑门由晶体管组成，在电流通过时产生高电平或者低电平信号进而实现逻辑运算。但量子计算机组件由单个原子和亚原子粒子制成，信息处理将通过粒子间的相互作用完成。研究人员将一个单光子打在已冷却到高于绝对零度百万分之一度的铷原子上，光子和原子发生“纠缠”，影响铷原子与一道单独光束相互作用的方式。光子改变了原子的折射率，从而引起光束发生很小但又可测量的“相移”。这一过程可用作全光量子逻辑门，实现输入、信息处理和输出。
（ 网站编辑：田雨晴 ）2016高技术发展报告
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2016高技术发展报告
【图书信息】
&&&&ISBN：978-7-03-
&&&&作者：中国科学院
&&&&定价：88.00元
&&&&出版社：科学出版社
&&&&出版时间：2016年8月
【内容简介】
　　《高技术发展报告》自2000年起开始发布，全面关注“信息技术”“生物技术”“材料与能源技术”及“航空航天和海洋技术”四大领域，每年聚焦一个领域，4年一个周期。《2016高技术发展报告》的主题是信息技术。报告综述了2015年高技术发展动态，着重介绍了信息技术领域技术及其产业化新进展，分析了中国高技术产业、中国计算机及办公设备制造业国际竞争力及中国通信设备制造业创新能力，探讨了高技术与社会等社会普遍关注的重大问题，提出了发展壮大战略性新兴产业、建设知识产权强国、推进重大科技基础设施建设、大数据和集成电路产业发展等政策建议。报告有助于政府部门和社会公众了解高技术，特别是信息技术发展及产业化动态，理解高技术对社会的影响。
创造未来的科技发展新趋势（代序） / 白春礼
前言 / 中国科学院“高技术发展报告”课题组
第一章　2015年高技术发展综述 / 樊永刚 张久春
第二章　信息技术新进展
2.1 半导体材料与器件技术新进展 / 杨德仁　张　卫　沈　波
2.2 有机光电材料与器件技术新进展 / 吕　琨　张建齐　张亚杰　魏志祥
2.3 传感器技术新进展 / 褚君浩
2.4 量子信息技术新进展 / 史保森　郭光灿
2.5 通信技术新进展 / 张　平
2.6 软件技术新进展 / 赵　琛　武延军　陶秋铭　薛云志　丁治明
2.7 信息安全技术新进展 / 冯登国　苏璞睿
2.8 未来网络技术新进展 / 刘韵洁　黄　韬　谢人超
2.9 人工智能技术新进展 / 周志华　俞　扬
2.10 机器人技术新进展 / 王天然　于海斌
2.11 虚拟现实技术新进展 / 王荣刚　黄铁军　陈小武　高　文　赵沁平
2.12 大数据技术新进展 / 梅　宏　王亚沙　李　戈
2.13 大数据时代的生物信息学与系统生物学新进展/ 陈洛南　曾　涛
第三章　信息技术产业化新进展
3.1　云计算产业化新进展 / 高　巍　李　洁　郭　雪　王　月
3.2 控制技术产业化新进展 / 陈吉红
3.3　可穿戴设备产业化新进展 / 安　晖　李　扬　江　华　耿　怡
3.4　移动通信技术产业化新进展 / 杨　旸
3.5　集成电路产业化新进展 / 闫　江
3.6　医疗电子产业化新进展 / 王　磊　邹　浩　颜　延
3.7　显示技术产业化新进展 / 许祖彦　毕　勇　张文平　高伟男
3.8　信息安全技术产业化新进展 / 孟　丹　夏鲁宁　杨　芸
3.9　物联网产业化新进展 / 叶甜春　陈大鹏　王何轶　王　艳
3.10　高性能计算技术产业化新进展 / 曹　政　孙凝晖
3.11　软件产业化新进展 / 左　春　张　正　王　洋
第四章　高技术产业国际竞争力与创新能力评价
4.1　中国高技术产业国际竞争力评价 / 曲　婉
4.2　中国通信设备制造业创新能力评价 / 王孝炯　穆荣平
4.3　中国计算机及办公设备制造业国际竞争力评价/ 蔺　洁　穆荣平
第五章　高技术与社会
5.1　海洋碳汇：社会意义、研究进展及展望 / 焦念志　张　锐　张　瑶　张永雨　刘纪化　张　飞　吕宗青　杜　鹏
5.2　走向善治的纳米技术 / 杜　鹏　胡亚南
5.3　人类基因编辑技术的伦理反思 / 缪　航　黄小茹
5.4　从人工智能到机器伦理 / 徐英瑾
第六章　专家论坛
6.1 “十三五”时期加快发展壮大战略性新兴产业的总体思路与部署 / 姜　江
6.2　关于“中国特色、世界水平”知识产权强国建设若干问题的思考 / 韩秀成　李　牧
6.3　面向世界科技强国战略目标 推进重大科技基础设施建设 / 樊永刚　穆荣平　乔黎黎　王慧中
6.4　推进中国大数据发展的思路与若干建议 / 邬贺铨
6.5　加快发展中国集成电路产业的若干思考 / 叶甜春&&&&
&&&&2015年是全面完成“十二五”规划的收官之年，是全面深化改革的关键之年，也是高技术领域取得重大突破的一年。党的十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，明确要求把创新摆在国家发展全局的核心位置。举国上下深入贯彻实施创新驱动发展战略，高技术领域取得了北斗系统全球组网首星成功发射、多自由度量子体系隐形传态、国产大型客机C919首架机总装下线、首套“永磁高铁”牵引系统通过首轮线路试验等一批具有国际影响力的重大创新成果，自然科学类诺贝尔奖实现了零的突破，创新型国家建设取得重要阶段性进展。
&&&&《高技术发展报告》是中国科学院面向决策、面向公众的系列年度报告之一，每年聚焦一个主题，四年一个周期。《2016高技术发展报告》以“信息技术”为主题，共分六章。第一章“2015年高技术发展综述”，系统回顾2015年国内外高技术发展最新进展。第二章“信息技术新进展”，介绍电子材料与器件、传感器、量子信息、通信技术、软件技术、信息安全、未来网络、人工智能、机器人、虚拟现实、大数据等方面技术的最新进展。第三章“信息技术产业化新进展”，介绍云计算、控制技术、可穿戴设备、移动通信、集成电路、医疗电子、显示技术、信息安全、物联网、高性能计算等方面技术的产业化进展情况。第四章“高技术产业国际竞争力与创新能力评价”，监测分析我国高技术产业国际竞争力，重点关注通信设备制造业创新能力、计算机及办公设备制造业国际竞争力的演化。第五章“高技术与社会”，探讨海洋碳汇、纳米技术、人类基因编辑技术、人工智能等新技术的社会影响等公众关心的热点问题。第六章“专家论坛”，邀请国内知名专家就战略性新兴产业、知识产权强国建设、重大科技基础设施、大数据、集成电路产业等重大问题发表见解和观点。
&&&&《2016高技术发展报告》是在中国科学院白春礼院长亲自指导和众多两院院士及有关专家的热情参与下完成的。报告由中国科学院曹效业副秘书长总策划，中国科学院发展规划局、学部工作局、科技战略咨询研究院的有关领导和专家对报告的提纲和内容提出了许多宝贵意见，李喜先、封松林、徐波、李晋闽、高志前、王昌林、郑念、王春法等专家对报告进行了审阅并提出了宝贵的修改意见，在此一并表示感谢。报告的组织、研究和编撰工作由中国科学院科技战略咨询研究院承担。课题组组长是穆荣平，副组长是樊永刚，成员有张久春、李真真、杜鹏、曲婉、郭京京、王孝炯和蔺洁。
中国科学院“高技术发展报告”课题组
2015年高技术发展综述
樊永刚 张久春
（中国科学院科技战略咨询研究院）
&&&&2015年世界经济增速为6年来最低，主要经济体增长乏力，新兴市场和发展中经济体总体增速出现下滑。在这样的大背景下，科技和创新受到空前重视，各国纷纷采取措施抢占新一轮科技和产业革命制高点，推动高技术领域持续快速发展。美国奥巴马政府在任期内第三次发布“美国创新战略”，明确精准医疗、脑科学计划、先进汽车、清洁能源和节能技术、教育技术、空间探索和高性能计算等九大国家优先发展领域。德国持续推进“新高技术战略”，法国推出“未来工业”战略，日本启动“科技创新综合战略2015”，试图打造新一轮经济增长的技术和创新引擎。我国明确将创新发展作为五大发展理念之首，深入实施创新驱动发展战略，全面推动“大众创业、万众创新”，在高技术领域涌现出大批创新成果，并实现了自然科学类诺贝尔奖零的突破，迈出了从科技大国向科技强国转变的坚定步伐。
一、信息技术
&&&&2015年，信息技术领域不断推陈出新，取得多项重大突破。集成电路领域推出7纳米芯片，进一步推迟了摩尔定律的终结时间，新型类脑芯片、忆阻器等新原理器件不断涌现；人工智能受到前所未有的广泛关注和讨论，深度学习、虚拟现实技术和设备层出不穷；第五代移动通信（5G）标准取得重要进展，超高速全光通信、可见光通信等向应用迈出重大步伐；量子计算和量子通信领域进展显著，取得多自由度量子体系的隐形传态等多项重大成果；云计算、大数据、物联网等新一代信息技术与应用领域结合日益紧密，引领和催生各行业发展方式的革命性转变。
&&&&１．集成电路
&&&&2015年7月，美国IBM领导的联盟宣布研制出世界上首个7纳米节点测试芯片。当前，应用于服务器、数据中心和移动设备等的微处理器多采用22纳米和14纳米技术，10纳米技术尚在研发中，而IBM此次超越10纳米技术实现了7纳米芯片的研发，是一个巨大的进步。为了使7纳米芯片性能更高、能耗更低，研发人员跳出了传统半导体工业技术路径的思维定式，采用硅锗（SiGe）材料替代纯硅作为晶体管材料，并运用了多层集成极紫外光刻等多种新型工艺，使得这一指甲大小的芯片可以容纳超过200亿个晶体管。这些技术有望使芯片尺寸缩小50％，使下一代大型机的功耗性能比提高50％，对满足未来的云计算、大数据系统、认知计算、移动产品和其他新兴技术的需求具有重要意义。
&&&&2015年9月，美国施乐公司开发出一款能自毁的新型芯片。这款芯片是在美国国防部高级研究计划局（DARPA）的支持下研发的，用于存储密钥等数据，并在接到命令后自动碎裂且无法复原。其工作原理是，芯片接收到自毁命令后会触发一个小型电阻，开始对一种特殊的玻璃基底加热，随后芯片随玻璃碎裂成数以千计的小碎片，这些小碎片内部仍然存在巨大压力，在之后的数十秒内会继续碎裂成更小的碎片。该芯片的自毁时间在10秒内，可在落入不法之徒手中时或在特定条件下通过快速自毁避免数据被窃取，能够有效满足军事和高机密商业的应用需求。此外，该技术在医疗和环保领域也有较大应用潜力，为研制可降解、对人体和环境友好的电子芯片奠定了基础。
&&&&2015年9月，美国斯坦福大学研究团队研制出一款碳纳米管3D芯片。早在2013年，Nature就报道了该团队研发的世界上第一台基于碳纳米管制造的计算机，迈出了挑战“硅芯片”计算机制造主流材料的第一步，但这台计算机只有几个晶体管，体积庞大且运行速度很慢。近期，该团队研发出一种让存储器和晶体管层层堆积的方法，即新的3D设计方法，大幅降低了数据在处理器和存储器之间传递所需的大量时间和能量消耗，有望将现有芯片的计算速度加快1000倍。此外，该研究团队还利用芯片新架构，研制出多个传感器晶圆，可用于探测红外线、特定化学物质等。
&&&&2015年9月，美国得克萨斯大学奥斯汀分校开发出一种在室温下即可实现自愈的柔性电路。试验显示，该电路被切断后一分钟即可恢复导电，而且即使在同样的位置被切割多次也能完成自我修复。电路由一种含有超分子凝胶（超级凝胶）和导电高分子水凝胶成分的导电凝胶制成，具有高导电性、柔韧性并能在室温下实现自愈。该成果有望在柔性电子产品、机器人、人工皮肤、仿生假体等领域获得应用。
&&&&２．高性能计算
&&&&2015年5月，美国斯坦福大学开发出一种可自动化设计各种光互联解决方案的逆设计算法。当前计算机主要通过电子流的形式在导线间传输信息，这需要消耗大量能量，而光子可以更低的能耗传输更大容量的数据。因此，工程师们致力于用光子取代电子进行信息传输，最终利用光传输载体取代导线研制出光子计算机。但到目前为止，每次仅能设计一种光互联解决方案，各电子系统所需的数千种光互联解决方案使得利用光子来进行数据传输仍然是不切实际的。斯坦福大学开发的逆设计算法可自动化设计满足各种光子电路功能需求的硅结构，便于基于现有商业工艺线实现量产。此外，这种逆设计算法还在高带宽光通信、紧凑型显微镜系统和超安全量子通信等领域中具有广阔应用前景。
&&&&2015年11月，中国国防科学技术大学研制的“天河二号”超级计算机第六次蝉联全球超级计算机500强排行榜冠军，创造了超级计算领域一项新的世界纪录。“天河二号”是“863”计划和“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”国家科技重大专项项目，峰值浮点运算速度达54.9千万亿次／秒（PFlops），实际运算速度达33.86 PFlops。“天河二号”在异构体系结构、自主高速互联网络、高性能系统软件栈、并行编程模型与应用优化等方面处于国际领先水平。此次中国超级计算阵营共获得了500个席位中的109个，超过欧洲与日本，位列美国之后，居全球第二位，实现了历史性突破。
&&&&３．人工智能
&&&&2015年4月，美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校和纽约州立大学石溪分校在忆阻器研发方面取得重大进展。忆阻器是近年来出现的一种特殊电子器件，已经被用于开发类脑芯片，这类芯片不采用数字逻辑电路来处理数据，而采用能够模拟生物大脑的神经元和突触的元件。一旦这种芯片接触到新的数据，就会像连接神经元、调节神经元间相互作用的突触一样进行“学习”。以往研究中，模拟人工神经网络需要数量庞大的芯片，而该项研究成果只需一个忆阻器就能模拟100个神经突触。虽然该原型芯片目前只可完成识别简单黑白图案等任务，但该技术有望应用于规模更大、功能更强的设备，最终推动忆阻器的商业化应用。
&&&&2015年5月，美国加利福尼亚大学伯克利分校开发出一款具有深度学习能力的机器人。该机器人名为“用以消除烦琐工作任务的伯克利机器人”（BRETT），能够完成组装玩具飞机、拼接乐高积木、扭紧瓶盖或把衣服放在架子上等任务。研究人员并未对每项任务进行编程，而是让算法指导机器人试错并从中学习，十分接近人类的学习方法。该项研究获得DARPA、海军研究办公室、空军研究实验室和美国国家科学基金会的资助。
&&&&2015年5月，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校和日本国家材料科学研究所联合，开发出一种能够模拟大脑进行自然计算的硬件平台。该装置名为“原子开关网络”，由许多纳米尺度的忆阻器组成，每个忆阻器就是一个原子开关。这些开关能够根据此前存储的内容调整电阻，产生与之相适应的电流或电压。这种设计能够使该装置产生自发行为，不断根据环境参数进行自我调整。这些特征使得该系统能够像人脑一样，基于一个具有自适应、自组织、自学习能力的复杂系统开展自然计算，从而获得从环境中学习的能力，并将其与众多单元交互的结果通过宏观行为呈现出来。该成果未来有望在人造大脑及自然或认知计算方面发挥重要作用。
&&&&2015年12月，美国纽约大学、美国麻省理工学院和加拿大多伦多大学联合，开发出一个具有类似人类学习新知识能力的计算机模型。传统的机器学习方法需要大量的数据来训练，而人类只需要少量案例就能学到新知识。科学家团队利用“贝叶斯程序学习”（Bayesian program learning）方法开发出一种人工智能模型，能像人类一样从少量案例中迅速学习和书写陌生的手写字符，在某种意义上可以说它能够区别字符的本质特征（字符的整体结构）和非本质特征（因书写造成的轻微变异）。科学家对该模型进行了测试，证明该模型可对手写字母进行分类、解析和再创，并通过了“视觉图灵测试”。尽管目前这个模型只能学习手写字母，但这种方法可被扩展至其他以符号为基础的系统，如手势、舞蹈、口语等。
&&&&４．云计算和大数据
&&&&2015年4月，英国伦敦玛丽女王大学与西班牙塞维利亚大学的研究人员合作，开发出一种借助量子理论原理进行大数据挖掘的方法。传统方法对海量数据进行分析非常困难，只用简单的连接来表示网络中不同组成部分之间的关系而不考虑它们之间可能存在多种互动方式，会造成信息损失。新方法借鉴量子力学辨别两种量子状态之间差异的经典技术，来理解系统中具有一定相似度、可视为冗余的关系，从而大大减少了必须单独分析的信息量并降低了对计算能力的需求。研究人员已成功将该方法用于分析，如动物多样性、恐怖分子网络、科学合作体系等一般互动大数据，此外，它也可用于帮助人们更好地理解存在大量交互关系的各种事物。
&&&&2015年5月，美国IBM公司宣布在硅光子技术方面取得突破，有望加速云计算和大数据应用。目前大多数数据中心内的光学互联解决方案都是基于垂直腔表面发射激光器（VCSEL）技术，其中光信号通过多模光纤进行传输。然而，云服务端口之间长距离和高速率数据传输的需求持续推动低成本单模光互联技术的发展，以克服VCSEL连接固有的带宽距离限制。IBM采用新的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成纳米光学技术，通过在单个硅芯片上组合重要的光和电子元件构建光纤封装架构，从而形成高效的硅光子解决方案。IBM已经完成对全集成波分复用硅光学芯片的设计和测试，有望用于制造传输速率达100吉比特／秒（Gbps）的光收发器，使数据中心能够为云计算和大数据应用提供更高的数据传输速度和带宽。
&&&&５．网络与通信
&&&&2015年6月，国际电信联盟（ITU）宣布制定发展5G的愿景和总体路线图，并将其命名为“国际移动通信系统2020”（IMT-2020）。此次会议还达成一致，应在IMT-2020的名称下开展工作，作为国际电联移动通信系统现行全球标准（IMT-2020和IMT Advanced，当前3G和4G移动系统的基础）的延续。下一步ITU将制定支持5G无线系统的详细技术性能要求，同时考虑未来各种不同情形和使用情况的需求，然后规定纳入IMT-2020候选无线接口技术的评估标准。这些定于2020年上市的新系统将在移动宽带无线系统中引入新的连通模式，以支持超高清视频业务、实时低时延应用并扩展物联网（IoT）的范围。
&&&&2015年8月，美国普渡大学开发出一种有望实现超高速全光通信的等离子氧化材料。目前的光通信主要是用激光脉冲沿光纤来传输信息，要依靠硅基晶体管实现开关电源、放大信号。而全光通信无论是数据流还是控制信号都是光脉冲，不用任何电信号来控制系统。该研究用铝掺杂氧化锌（AZO）制备出一种可调制的光学薄膜材料，能利用电子云状的表面等离激元来控制光，脉冲激光会改变氧化锌的折射率，从而调制反射光的量。这种材料能在近红外光谱范围工作，可用在光通信中，并与CMOS兼容。研究人员计划利用这种材料制造全光等离子调制器（光学晶体管），有望比传统硅基电子设备的速度提高10倍以上。
&&&&2015年11月，解放军信息工程大学突破了可见光空间通道互干扰高效抑制等关键技术，利用发光二极管（LED）灯光实现了水下等特殊条件下的高速通信，速度可达50吉比特／秒。可见光通信是利用半导体照明光线实现“有光照就能上网”的新型高速数据传输技术，该技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信，还可有效克服无线电通信电磁信号泄露等弱点，快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。目前，全球大约拥有440亿盏灯具构成的照明网络，数百亿的LED照明设备与其他设备融合将构筑一个巨大的可见光通信网，有望打破无线电频谱资源严重匮乏的困局。
&&&&2015年12月，美国麻省理工学院、加利福尼亚大学伯克利分校、科罗拉多大学联合，利用现有半导体生产工艺开发出首个光通信微处理器原型。科学家一直致力于开发利用光信号而非电信号进行数据传输的处理器芯片。但是，光学组件高昂的制作成本和难以与现有半导体生产线相集成的复杂制作工艺、材料等问题阻碍了这一技术的发展。这项联合研究利用环形调制器、光电探测器和垂直光栅耦合器等光子器件来控制和引导芯片上的光波，利用硅晶体管作为光波的波导管来降低光波的传输损耗。处理器集成了7000万个晶体管和850个光学组件，利用光纤、光发射器和光接收器在处理器芯片和存储器芯片之间传输数据，数据传输速率达每秒每平方毫米300吉比特，是类似的现有电子微处理器数据传输速率的10～50倍，可显著降低数据中心的能耗。
&&&&6.量子计算和通信
&&&&2015年2月，中国科学技术大学在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。研究团队选取单光子自旋和轨道角动量作为研究对象，创造性地发展了多项新颖的多粒子多自由度纠缠操纵技术，巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案。研究人员成功制备出国际上最高亮度的自旋轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋轨道角动量纠缠实验平台，成功实现了多自由度量子体系的隐形传态。这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，科学家经过18年努力在量子信息实验研究领域取得的又一重大突破，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。
&&&&2015年3月，美国谷歌公司与加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校合作开发出首个能够自我检查和纠错的量子电路。传统计算机的比特位只有0和1两种状态，量子比特则可能在多个维度上同时出现任意一种或全部的0／1状态，被称为“叠加态”。这种性质赋予了量子计算机强大的计算性能，但同时也会导致量子比特很容易“翻转”，特别是在不稳定环境中更是难以掌控。该项研究创造出一种被称为“表面代码”的机制，通过观察相邻量子比特的信息来获取某个量子比特中的数据，避免了因直接观察量子比特而导致其量子态被破坏。新系统能够保存量子比特状态，而且具有高度的系统稳定性，是未来制造大规模量子计算机的基础。
&&&&2015年4月，英国布里斯托大学和日本电报电话公司（NTT）合作首次成功将量子隐形传态的核心电路集成到一块微型光学芯片上。传统的量子隐形传态实验需要数百台光学设备一起工作，全套系统占地面积巨大。该项研究采用先进的纳米制造技术，成功将相关功能集成在一个面积仅0.0001米２的微型硅芯片上，首次实现在一个硅芯片上展示量子隐形传态。该项研究成果向着最终制造超高速量子计算机和实现超安全量子通信迈出了重要一步。
&&&&2015年8月，加拿大多伦多大学在利用纯光制造量子逻辑门研究方面取得进展，成功实现单光子对其他光束施加影响。逻辑门是集成电路最基本的组件，传统计算机的逻辑门由晶体管组成，在电流通过时产生高电平或者低电平信号进而实现逻辑运算。但量子计算机组件由单个原子和亚原子粒子制成，信息处理将通过粒子间的相互作用完成。研究人员将一个单光子打在已冷却到高于绝对零度百万分之一度的铷原子上，光子和原子发生“纠缠”，影响铷原子与一道单独光束相互作用的方式。光子改变了原子的折射率，从而引起光束发生很小但又可测量的“相移”。这一过程可用作全光量子逻辑门，实现输入、信息处理和输出。
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