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世界前沿电子信息技术领域2020年度十大进展

发布时间:2021-02-18
文章来源:电科防务
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摘要:2020年,前沿电子信息技术领域发展迅猛,新技术、新理念层出不穷,在应对新冠肺炎疫情、大国竞争博弈、提升整体科技水平等方面发挥了积极作用。主要国家和地区多点发力,围绕人工智能、量子信息、6G、超算、物联网、区块链等细分技术领域,积极制定战略规划、投资项目开展、聚焦技术 ...

2020年,前沿电子信息技术领域发展迅猛,新技术、新理念层出不穷,在应对新冠肺炎疫情、大国竞争博弈、提升整体科技水平等方面发挥了积极作用。主要国家和地区多点发力,围绕人工智能、量子信息、6G、超算、物联网、区块链等细分技术领域,积极制定战略规划、投资项目开展、聚焦技术突破,推动前沿电子信息技术领域向前发展。
 
一、主要国家持续通过战略和立法强化对人工智能领域的宏观指导
美国会《2020年国家人工智能计划法案》
2020年,人工智能战略及立法方面呈现多点竟发局面,主要国家和地区持续丰富和完善领域战略、规划及立法,持续加强领域宏观指导。美国积极推动人工智能战略立法,国会于3月通过《2020年国家人工智能计划法案》,将2019年特朗普国家人工智能行政令落实为国家立法,并就美国人工智能计划的目的和后续工作进行了详细说明,还于6月推出《军队人工智能法案》,指出要进一步提高人工智能在整个国防部署方面的重要性。俄罗斯强化人工智能领域战略短板,继续重视并推动机器人技术发展,普京于7月签署《关于2030年前俄罗斯联邦国家发展目标的法令》,提出包含发展人工智能等前沿科技的国家发展5大目标,俄总理8月签署《2024年前俄罗斯人工智能和机器人技术领域监管发展构想》,加速发展人工智能和机器人技术。欧盟加速夯实人工智能战略及立法,全方位提升治理水平,欧盟委员会2月发布《人工智能白皮书:通往卓越与信任的欧洲之路》,12月欧盟委员会公布《数字服务法案》和《数字市场法案》草案,全面提升人工智能治理水平。
 
二、比利时微电子研究中心发布世界首个基于脉冲神经网络的雷达芯片
基于脉冲神经网络的雷达芯片示意图
2020年4月,比利时微电子研究中心(IMEC)发布世界首个采用脉冲神经网络处理雷达信号的芯片。该中心研究团队召集各领域专家,在算法开发、脉冲神经网络架构、生物医学、雷达信号处理、超低功耗数字芯片设计等方面开展了大量工作。团队开发的该款芯片通过模仿动物神经元的信号处理机制,采用递归连接的方式,实现了一个学习和记忆模式的动态系统。尽管当前人工神经网络(ANN)已被证明可广泛应用于各个领域,但目前还存在能耗过高、无法集成在要求高要求传感器设备中等局限,且因人工神经网络的基础架构和数据格式必然要求花费大量时间在推理算法上,因此该团队慎重考虑后决定尝试脉冲神经网络。经过努力,采用脉冲神经网络运行机制的该芯片相较于传统芯片能耗降低了100倍,延迟减少了10倍,几乎可在瞬间做出响应。比利时微电子研究中心本次开发的芯片可通过调整架构和算法实现对各种传感器数据的处理(包括心电图、语音、声纳等),是发展真正自主学习系统的重大飞跃,其满足了业界对能从数据中学习并实现个性化人工智能的超低功耗神经网络的需求,有望应用于环境感知、碰撞预警等多个领域。
 
三、深度神经网络助力薛定谔方程求解并促进多领域发展
费米神经网络示意图
薛定谔方程是量子力学的基本方程,即便已经提出70多年,能够精确求解薛定谔方程的方法少之又少,多年来科学家们一直试图努力攻克该难题。2020年10月,DeepMind开源了其用来近似计算薛定谔方程的费米神经网络(FermiNet),该网络是第一个利用深度学习从第一性原理计算原子和分子能量的尝试,在精度和准确性上都满足科研标准,且是目前在相关领域中最为精准的神经网络模型,为深度学习在量子化学领域的发展奠定了基础。2020年9月,德国柏林自由大学的科学家也提出了一种新的深度学习波函数拟设方法,其可以获得电子薛定谔方程的近乎精确解。该类研究展现的不仅是深度学习在解决某一特定科学问题过程中的应用,更展现出深度学习未来在生物、化学、材料、医药领域等领域科研中将被广泛应用的远景。
 
四、多国密集发布量子信息战略推动领域发展
美国白宫《量子网络战略愿景》
2020年,以美国和欧盟为代表,多国继续积极推出量子信息领域法案与规划,力求在顶层战略方面进一步加码量子信息科学,深度丰富和完善领域政策。美国多机构布局量子信息规划促进领域发展,白宫2月发布《量子网络战略愿景》,提出将开辟量子互联网,确保量子信息科学惠及大众,国会众议院议员5月提出《先进量子计算法》(H.R.6919)提案,要求商务部开展量子计算综合研究以评估量子计算对美国竞争力的益处并明确供应链风险,能源部7月提出建立全国性量子互联网的战略蓝图,希望在十年内建成量子互联网。欧盟积极布局量子信息战略规划,德法等24个欧盟成员国1月实施量子通信基础设施计划,将在未来十年共同研发和部署欧盟量子通信基础设施。英国重视量子信息国防应用发展,国防科学与技术实验室6月发布《量子信息处理技术布局2020:英国防务与安全前景》研究报告,深度分析论证了该国国防领域量子信息技术布局情况,提出相关发展愿景。
 
五、美国发布先进计算战略计划调整领域发展重点
美国白宫发布《引领未来先进计算生态系统:战略计划》
2020年11月,美国白宫发布《引领未来先进计算生态系统:战略计划》,该计划以2019年发布的《国家战略性计算计划:更新版》目标和建议为基础,设想了一个未来先进计算生态系统,提出了一种以政府、学术界、非营利组织、产业部门共同参与为主的举国方案,明确了战略计划的四个目标,即作为国家战略资产的先进计算生态系统、稳健、可持续的软件和数据生态系统、基础性、应用性和转化研究、培养一支多样化、有能力和灵活的劳动力队伍,并确立了关键的运作和协调架构来支持和实施上述目标。新计划可为美国继续维持在科学工程、经济竞争和国家安全方面的领先优势奠定基础。新计划对美国先进计算战略发展重点的调整,表明美国正将领域发展重心从传统的超级计算转向未来的数字/非数字计算前沿技术,同时不断提升对计算生态系统建设的重视程度,以顺应近年的计算技术发展与行业变化,维持美国在计算领域的科技主导地位。
 
六、美陆军通过“多域作战效果环”探索战场物联网技术实战应用
“多域作战效果环”决策过程
2020年5月召开的“2020国防与商业传感”会议上,美陆军“战场物联网(IoBT)”项目研究联盟以传统决策模型为基础,结合未来多域作战需求和战场物联网能力特点,提出了“多域作战效果环”概念,对战场物联网可遵循的作战流程进行了顶层设计规划,在多域作战场景想定下阐释了如何通过战场物联网能力创建并执行该决策环,以提高作战响应速度、增强作战效能。“多域作战效果环”将多域作战所必要的军事能力分为评估/探测、识别、定位/跟踪、聚合、分发、决策与执行七个环节。其中,探测、识别和定位/跟踪环节称为“敌友识别阶段”,聚合、分发、决策环节称为“智能决策支持”阶段,执行环节为产生效果的作战阶段。“多域作战效果环”的提出是美陆军迫切推动战场物联网实战应用的标志,为物联网进一步融入实际军事行动提供了渠道。战场物联网和“多域作战效果环”的有效结合,不仅有助于实现美军“快速与持续集成跨域能力以优化效果并压制敌方”的作战目标,还具有大幅改善与增强未来多域作战方式的潜力,将直接或间接影响美陆军的战备以及现代化重点。
 
七、6G技术先期探索稳步开展
三星公司《6G:下一代超连接体验》白皮书
6G作为5G之后的下一代移动通信技术,日益受到世界各国重视,各项探索也正处于稳步开展中,但6G技术方案、性能特征、应用场景、建设运行等都未形成定论。2020年,多个国家和地区在加速5G规模化商用的同时积极推动6G技术的先期探索。国际电信联盟2月发布6G研究计划,形成了初步的6G研究时间表;芬兰于3月召开第2届全球6G无线峰会,并在会上发布涉及6G技术中的机器学习、边缘智能和定位与传感等主题的12份6G白皮书;国际电信联盟3月在第34次国际电信联盟无线电通信部门5D工作组会议上启动面向2030年及之后技术的研发,并将6G技术作为其中的重要部分;7月,三星公司发布《下一代超连接体验》6G白皮书,阐述了其6G时代愿景。技术突破方面,日本大阪大学与新加坡南洋理工大学8月成功利用光子拓扑绝缘体的概念研发出支持太赫兹(THz)传输的新型芯片,将为未来太赫兹在通信设备中的互联集成铺平道路。未来,6G技术的军事化应用可大幅提升战场通信性能,实现可视化作战,充分提升网络容量,实现指令精准传输,融合多种通信网络,促进战场无线网络全域覆盖,将对战争形态、装备发展、战场通信各方面产生重大影响,深刻影响未来战争方式。
 
八、日本“富岳”超级计算机夺得最新全球超算榜单冠军
日本富士通公司“富岳”超级计算机
2020年6月,全球TOP500组织发布的世界超级计算机500强(Top500)榜单中,日本“富岳”(Fugaku)超级计算机凭借51.3亿亿次每秒的峰值浮点运算速度夺得冠军,并在模拟运算方法、人工智能学习性能、大数据处理等单项表现上拔得头筹。11月,“富岳”蝉联该榜冠军,且峰值运算性能提升至每秒53.7亿亿次。“富岳”超级计算机由日本理化研究所和富士通公司共同开发,使用了可显著提升超算系统向量处理能力的48核ARM架构芯片,具有158976个独立核心,更适合执行人工智能与深度学习相关的计算任务,同时采用了独有的环面融合(Tofu-D)互联技术,能同时沿多个维度进行通信,提升了系统整体的通信效率。随着深度学习技术的快速发展,人工智能正在军事领域产生重要影响,为情报获取、态势感知、指挥控制与火力打击等多个领域带来深刻变化。超级计算能够为人工智能技术发展提供重要的算力支撑,面向应用优化的高性能计算系统研发、智能化的系统管理调度等将成为发展趋势,深度学习也将成为超级计算应用创新的下一个引爆点。
 
九、美国会运用立法手段进一步强调物联网背景下的网络安全
美国会《2020年物联网网络安全改进法案》
2020年12月,美国总统签署了国会参众两院多位议员提出并经两院表决通过的《2020年物联网网络安全改进法案》,法案致力于解决美国联邦政府使用物联网设备可能产生的网络安全风险问题。法案提出,美国国家标准技术研究院须发布联邦政府使用物联网设备的标准和指南;指示管理和预算办公室审查联邦政府的政策并更新《联邦采购条例》,以确保其符合国家标准技术研究院的标准与指南;指示国家标准技术研究院与网络安全研究人员、行业专家及国土安全部合作,共同发布与联邦机构信息系统相关的安全漏洞应对准则及解决方案;明确禁止联邦机构采购不符合安全要求的物联网设备;各级承包商也需遵守国家标准技术研究院制定的相关标准。法案认为,美国必须适应物联网设备大规模使用带来的指数级数据增长趋势,并采取适当的安全性和防护措施。该法案是美国在万物互联时代背景下确保网络安全的重要措施,其通过意味着美国政府在改善国家网络安全方面迈出了重要一步,将帮助其进一步确保网络安全,封堵相关漏洞于萌芽中。
 
十、美国价值技术基金会发布报告关注区块链技术的国防应用价值
《区块链在美国防部的潜在应用》报告
区块链作为融合了分布式传输、共识机制、智能合约、加密算法等的新型应用模式,与国家政治、军事、经济和社会安全紧密耦合,将有助于推动国防数据资产的规模化可信流转。5月,美国价值技术基金会发布《区块链在美国防部的潜在应用》报告,旨在向美国国防部说明区块链技术在其网络安全工作中的诸多好处。报告由包括埃森哲、亚马逊、德勤、中广核联邦和国际商用机器公司在内的国防部承包商及康赛斯、辛巴链和科尔文运营网络等区块链公司共同撰写。美国国会议员为该报告做序并表示,中国和俄罗斯已在区块链技术方面取得了长足进步,美国决策者要迅速知晓这一技术的潜在利益及在该领域落后的弊端。报告提出,网络安全威胁削弱了美国在全球经济和军事领域的主导地位,分布式账本技术有益于未来网络安全,国防部应采用区块链作为多因素认证的一部分,提高网络通信的安全性,减少应急决策的单点故障,确保国防供应链的零件采购可追溯,避免芯片存储数据被篡改。此外,该报告还强调了区块链技术的潜在优势,重点提出了美国防部感兴趣的区块链潜在应用场景。

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