本文來(lái)自微信公眾號(hào)“中國(guó)電子報(bào)”，作者/中國(guó)電子報(bào)編輯部。
1月29日，工業(yè)和信息化部等七部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》（以下簡(jiǎn)稱《實(shí)施意見》），涉及先進(jìn)半導(dǎo)體材料、類腦芯片、GPU芯片等新材料和核心器件。此外，《實(shí)施意見》涉及的量子計(jì)算機(jī)等創(chuàng)新產(chǎn)品、人形機(jī)器人等未來(lái)高端裝備，也需要量子芯片、傳感器等半導(dǎo)體產(chǎn)品。
先進(jìn)半導(dǎo)體材料：信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基石
《實(shí)施意見》在未來(lái)材料部分指出，要發(fā)展先進(jìn)半導(dǎo)體等關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。
先進(jìn)半導(dǎo)體材料是全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新的戰(zhàn)略高地，是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基石。材料涉及設(shè)備、制造、封裝等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)，任何微小的波動(dòng)都會(huì)影響芯片成品的良率和性能。
工信部《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2024年版）》的“先進(jìn)半導(dǎo)體材料和新型顯示材料”類目下，包括化合物半導(dǎo)體材料用高純砷、氮化鎵單晶襯底及外延片、碳化硅單晶襯底及同質(zhì)外延片、半導(dǎo)體裝備用精密陶瓷部件、集成電路用光刻膠及其關(guān)鍵原材料和配套試劑等半導(dǎo)體材料，且對(duì)性能指標(biāo)有明確要求，比如氮化鎵外延片在8英寸及以上，方阻≤400Ω/□等。
新傲科技公司外延和SOI硅片
先進(jìn)半導(dǎo)體材料的進(jìn)步和創(chuàng)新，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。硅片是市場(chǎng)需求量最大的半導(dǎo)體材料。從20世紀(jì)60年代至今，硅片已經(jīng)從1英寸發(fā)展到目前主流的12英寸，半導(dǎo)體用大硅片純度達(dá)到11N（99.999999999%）以上。寬禁帶半導(dǎo)體被譽(yù)為全球半導(dǎo)體材料第三次突破性發(fā)展，其晶圓尺寸和制備技術(shù)正在不斷提升，我國(guó)企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)8英寸硅基氮化鎵量產(chǎn)。集成電路用光刻膠被譽(yù)為電子化學(xué)品產(chǎn)業(yè)“皇冠上的明珠”，采用光酸的化學(xué)放大光刻膠是目前最常用的EUV光刻膠，同時(shí)產(chǎn)業(yè)界也面向2nm及以下制程所需的光刻膠，開展了對(duì)金屬氧化物抗蝕劑的研發(fā)。新型半導(dǎo)體材料備受關(guān)注，如氮化鋁鎵、碳化鋁鎵、磷化鎵等，在紫外LED、激光器等特定領(lǐng)域已進(jìn)入商業(yè)化。
西安晟光硅研半導(dǎo)體科技有限公司董事長(zhǎng)、西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院研究員郭輝向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，推動(dòng)先進(jìn)半導(dǎo)體材料的發(fā)展，需要從多個(gè)方面進(jìn)行努力，以加快技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。一是加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和技術(shù)攻關(guān)。增加對(duì)先進(jìn)半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)研究的投入，從材料制備、加工、測(cè)試等方面投入研發(fā)，以滿足不同領(lǐng)域的需求；二是促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作，促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；三是制定支持政策，將以科研院所為主體進(jìn)行研究轉(zhuǎn)變?yōu)橛心芰Φ拿駹I(yíng)企業(yè)牽頭開展研究，鼓勵(lì)企業(yè)增加研發(fā)投入，提高技術(shù)創(chuàng)新能力；四是加強(qiáng)人才培養(yǎng)。建議政府和企業(yè)加大對(duì)相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)力度，提高相關(guān)科研研發(fā)人員待遇。五是加強(qiáng)國(guó)際合作，構(gòu)建半導(dǎo)體材料研究共同體，推動(dòng)先進(jìn)半導(dǎo)體材料的發(fā)展和應(yīng)用。
類腦芯片：人工智能未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
《實(shí)施意見》在創(chuàng)新標(biāo)志性產(chǎn)品部分指出，面向腦機(jī)接口，突破類腦芯片等關(guān)鍵技術(shù)和核心器件。
類腦芯片是用電路模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的芯片，實(shí)現(xiàn)類似人腦的超低功耗和數(shù)據(jù)并行處理。“計(jì)算機(jī)之父”馮·諾依曼曾提到，生物大腦與機(jī)器相比最大的優(yōu)勢(shì)，是能夠利用相對(duì)落后的零部件在不確定的環(huán)境中以低能耗方式快速做出正確計(jì)算。因此，“類腦”是人工智能的重要技術(shù)趨勢(shì)。
針對(duì)醫(yī)療康復(fù)、自動(dòng)駕駛等多種應(yīng)用場(chǎng)景，類腦芯片技術(shù)正在不斷走向成熟。
國(guó)際企業(yè)正在嘗試使用腦機(jī)接口技術(shù)來(lái)獲取腦電信號(hào)并輔助治療。2024年1月30日，埃隆·馬斯克稱其旗下腦機(jī)接口公司Neuralink實(shí)現(xiàn)了首例植入式腦機(jī)接口設(shè)備的四肢癱瘓患者治療實(shí)驗(yàn)，所使用的便是Neuralink研發(fā)的N1芯片，目前，接受移植者恢復(fù)良好。
浙江大學(xué)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室發(fā)布類腦計(jì)算機(jī)（圖片來(lái)源：浙江大學(xué)官方公眾號(hào)）
我國(guó)在類腦芯片領(lǐng)域的研究也在不斷突破。2019年，清華大學(xué)施路平教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出全球首款異構(gòu)融合類腦計(jì)算芯片“天機(jī)”。該芯片結(jié)合多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人自行車的駕駛和路障避讓。2020年，浙江大學(xué)聯(lián)合之江實(shí)驗(yàn)室成功研制我國(guó)首臺(tái)類腦計(jì)算機(jī)，共包含792顆由浙江大學(xué)研發(fā)的達(dá)爾二代類腦芯片，神經(jīng)元數(shù)量與小鼠大腦神經(jīng)元數(shù)量規(guī)模相當(dāng)，并將功耗控制在350W~500W。2023年10月，由中科南京智能技術(shù)研究院自主研發(fā)的“問(wèn)天Ⅰ”類腦超級(jí)計(jì)算機(jī)服務(wù)正式啟用。據(jù)介紹，該計(jì)算機(jī)具有規(guī)模大、實(shí)時(shí)性高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。以研究院開發(fā)的“問(wèn)天”智慧交通系統(tǒng)為例，面對(duì)南京市交通路網(wǎng)規(guī)模，“問(wèn)天”智慧交通系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間僅為其他系統(tǒng)的5.3%，有助于減少碳排放量。
GPU芯片：新型智算中心的算力底座
《實(shí)施意見》在創(chuàng)新標(biāo)志性產(chǎn)品部分指出，面向超大規(guī)模智算中心，加快突破GPU芯片等技術(shù)。
智算中心（智能計(jì)算中心）是基于人工智能理論，采用人工智能計(jì)算架構(gòu)，提供人工智能應(yīng)用所需算力服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)和算法服務(wù)的公共算力新型基礎(chǔ)設(shè)施。
最初專為圖形渲染設(shè)計(jì)的GPU（圖形處理器），在技術(shù)發(fā)展過(guò)程中展現(xiàn)出并行計(jì)算的巨大潛力，從21世紀(jì)10年代起逐步成為高并發(fā)的深度學(xué)習(xí)任務(wù)的主力處理器。由于GPU可以顯著加速數(shù)據(jù)處理和模型訓(xùn)練，提高整體的計(jì)算效率，因此被廣泛應(yīng)用于大模型訓(xùn)練、自動(dòng)駕駛、虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域。
AMD推出MI300X(圖片來(lái)源：AMD)
目前，GPU芯片主要由英偉達(dá)和AMD等公司供應(yīng)，我國(guó)也涌現(xiàn)出一批GPU及AI加速芯片的明星企業(yè)。在并行計(jì)算能力方面，英偉達(dá)旗下H100、A100等產(chǎn)品憑借高算力和相對(duì)成熟的軟件開發(fā)生態(tài)積累了諸多云服務(wù)廠商客戶。另一方面，GPU的高存儲(chǔ)性能也意味著較強(qiáng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力。AMD于2023年12月推出的MI300X具有192GB的內(nèi)存和5.3TB/s的帶寬?？焖俚膬?nèi)存訪問(wèn)可幫助加速數(shù)據(jù)讀寫和模型計(jì)算，在算力基礎(chǔ)上進(jìn)一步加速大模型訓(xùn)練和推理。
量子芯片：解決海量數(shù)據(jù)處理難題
《實(shí)施意見》提到，突破量子計(jì)算機(jī)等高端裝備產(chǎn)品。
量子計(jì)算以其獨(dú)特的并行性、疊加性和糾纏性，被視為下一代海量數(shù)據(jù)處理的重要技術(shù)方向。其中，量子芯片作為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的核心部件，是解決海量數(shù)據(jù)處理難題的關(guān)鍵所在。
量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)比示意圖（中國(guó)電子報(bào)整理）
據(jù)了解，量子芯片是利用量子力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、處理和計(jì)算，其最核心是量子比特。相比傳統(tǒng)的比特只能存儲(chǔ)0或1兩種狀態(tài)，量子比特可以同時(shí)處于0和1這兩種狀態(tài)的疊加態(tài)，這使得量子芯片能夠?qū)崿F(xiàn)并行計(jì)算和高效的信息處理。目前，硅基量子比特芯片以及超導(dǎo)量子比特芯片是目前最受關(guān)注的兩大技術(shù)分支。
硅基量子比特芯片將單個(gè)電子嵌入硅晶格中，實(shí)現(xiàn)硅基量子比特的制備，具有制造成本相對(duì)較低、與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)有天然銜接的優(yōu)勢(shì)。英特爾在2023年6月發(fā)布了量子芯片Tunnel Falls，這款芯片包含了12個(gè)硅自旋量子比特，在每塊300mm晶圓上集成超過(guò)24000個(gè)量子點(diǎn)，從而形成可被相互隔離或同時(shí)操控的4個(gè)到12個(gè)量子比特。
超導(dǎo)量子比特芯片通過(guò)引入超導(dǎo)技術(shù)，加強(qiáng)了量子比特的穩(wěn)定性和可控性，從而更好地適應(yīng)量子計(jì)算的需求。此前，IBM發(fā)布了全球首個(gè)模塊化量子計(jì)算系統(tǒng)IBM Quantum System 2，以及業(yè)界首款1000量子位量子芯片Condor。
中國(guó)在量子芯片領(lǐng)域也取得了階段性的進(jìn)展。1月7日，量子計(jì)算芯片安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、安徽省量子計(jì)算工程研究中心聯(lián)合發(fā)布了中國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子芯片——“悟空芯”(夸父KF C72-300)。該超導(dǎo)量子芯片已在中國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)量子疊加和糾纏等特性?；谠摽盍孔有酒?ldquo;本源悟空”量子計(jì)算機(jī)可一次性下發(fā)、執(zhí)行多達(dá)200個(gè)量子線路的計(jì)算任務(wù)。
人形機(jī)器人高精度傳感器：賦予機(jī)器類人感官
《實(shí)施意見》在做強(qiáng)未來(lái)高端裝備部分提出，面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和人民美好生活需要，加快實(shí)施重大技術(shù)裝備攻關(guān)工程，突破人形機(jī)器人等高端裝備產(chǎn)品。
與工業(yè)機(jī)器人相比，人形機(jī)器人的特點(diǎn)在于其工作環(huán)境和運(yùn)動(dòng)方式的復(fù)雜度更高、精細(xì)程度也更高。為了使人形機(jī)器人能夠“更像人”，應(yīng)用于人形機(jī)器人的傳感器一方面需要精確度更高，另一方面需要為機(jī)器“補(bǔ)足”類人的感官。
小米全尺寸人形仿生機(jī)器人CyberOne
裝配在人形機(jī)器人上的傳感器類型紛繁復(fù)雜，總結(jié)來(lái)看包括五大類：力/力矩傳感器、IMU（慣性測(cè)量單元）、視覺傳感器、觸覺傳感器和編碼器。此類傳感器，是幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)包括靈巧手、仿生感知與認(rèn)知、電子皮膚在內(nèi)的重要組件的關(guān)鍵產(chǎn)品。2023年9月，工信部發(fā)布《關(guān)于組織開展2023年未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人物揭榜掛帥工作的通知》，并公布《人形機(jī)器人揭榜掛帥任務(wù)榜單》，其中重點(diǎn)提及三類傳感器，包括：力傳感器、MEMS姿勢(shì)傳感器和觸覺傳感器。
力傳感器針對(duì)的是人形機(jī)器人準(zhǔn)確獲取驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和肢體末端觸感力學(xué)信號(hào)的需求，主要使用于關(guān)節(jié)、手指、足底等重點(diǎn)關(guān)節(jié)和測(cè)量部位。當(dāng)前，市面上部分供應(yīng)商提供六維力矩傳感器以滿足該需求。當(dāng)前，該技術(shù)在日本和歐美國(guó)家的企業(yè)比較領(lǐng)先，全球六維力傳感器廠商主要有日本企業(yè)Sintokogio和WACOH-TECH、歐美的ATI、AMTI、Kistler等。
MEMS姿勢(shì)傳感器針對(duì)的是人形機(jī)器人姿態(tài)控制的需求，要求具備低功耗、抗振動(dòng)抖動(dòng)能力、體積更小并能實(shí)現(xiàn)姿態(tài)實(shí)時(shí)解算。當(dāng)前，市面上多款機(jī)器人采用慣性傳感器（IMU）來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能，包括UCLA ARTEMIS、波士頓動(dòng)力的Atlas和小米的CyberOne。
觸覺傳感器主要是為了滿足人形機(jī)器人靈巧手使用工具、操作設(shè)備、分揀物品、高精度裝配等能力，在靈巧手掌內(nèi)配置觸覺傳感器，幫助機(jī)器人感知操作目標(biāo)的位姿、硬度、肌理等特征，提高靈巧手的智能化操作能力。當(dāng)前，柔性傳感器是業(yè)內(nèi)采用較多的觸覺傳感器類型。騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室推出自研機(jī)器人靈巧手TRX-Hand和機(jī)械臂TRX-Arm，在指腹和掌面覆蓋了自研的高靈敏度柔性傳感器陣列。
