2022全球前沿科技热点研究.pdf

2022 全球前沿科技热点研究 Frontier Science and Technologies in Focus 2022 2022 年 11 月 I 目录 第部分：前沿科技热点研究综述.1 1.研究的框架、方法与数据.1 2.前沿科技热点研究结论概述.4 第部分：前沿科技热点解读.7 信息技术领域.7 1.量子互联网（Quantum Internet）.7 2.三维异质集成（3D Heterogeneous Integration，3DHI）.15 3.生成式 AI（Generetive AI）.20 4.元宇宙（Metaverse）.24 5.Web3.0（Web3.0）.31 生命与健康领域.37 6.AI 分子发现与合成（Synthesis of Molecules Aided by AI）.37 7.生物铸造厂（Biofoundry）.42 8.光免疫疗法（Photoimmunotherapy）.46 9.环状 RNA（circRNA）.48 材料领域.53 10.石墨炔（Graphdiyne or Graph-n-yne）.53 11.闭环塑料（Closed-loop Plastic）.59 II 12.储能纤维（Energy-storage Fibers）.63 能源领域.67 13.高效钙钛矿太阳能电池（Highly Efficient Perovskite Solar-cell）.67 14.虚拟电厂（Virtual Power Plant，VPP）.70 15.绿色制氨（Green Ammonia Production）.74 空间及交通运输领域.79 16.卫星通信（Satellite Communication,SatCom）.79 气候、生态与环境领域.85 17.零碳排放（Net Zero CO2 Emission）.85 18.微塑料处理（Microplastics Treatment）.88 先进制造及其他领域.91 19.软件定义汽车的制造（SDV and its Manufacturing）.91 20.柔性感知机器人（Flexible Sensing Robot）.95 1 第部分：前沿科技热点研究综述 上海图书馆（上海科学技术情报研究所）长期跟踪新兴前沿科技发展，本报告是此类项目的第五轮研究，旨在综合应用多种情报分析方法，系统、客观地揭示当前全球前沿科技发展的热点。1.研究的框架、方法与数据 基本框架 本项研究综合应用科技情报研究的方法和工具，从定性分析和定量分析的角度，相互印证，相互补充，考察国际前沿科技热点所在，并确保其客观性和时效性。首先，分析世界主要国家或地区在科技研发战略或计划方面的权威文本。在当今世界科技研发领域是存在领头羊效应的，无论从科技研发的投入规模还是最终研发取得的成果来看，欧美日以及部分新兴经济体的科技发展战略都应该得到重点关注。其次，分析主流咨询机构涉及前沿科技的相关报告。资本对于前沿技术研发是非常敏感的，很多有影响力的咨询机构长期关注新兴技术及其商业模式的创新，对于技术的产业化发展前景具有较好的洞察力。三是利用专利分析工具对专利数据库进行分析，确定相关领域的前沿技术 2 方向与热点。四是利用科睿唯安（Clarivate Analytics）的 Essential Science Indicators（ESI）数据库进行学术论文的聚类分析，由此识别当今学术领域的前沿热点。五是考虑到互联网科技媒体主要包括互联网上的权威科技期刊、综合性科技网站及其社交网络等媒体的新闻报道、评论和观点文章经过同行评审与解读，具有较高专业学术价值和新颖性，更能代表新兴技术和最新研究突破，可以运用大数据分析技术，聚焦互联网科技媒体，依托网络丰富的信息数据资源构建专题研究语料库，对前沿科技热点进行识别与跟踪。研究基本的框架如图-1所示。图-1 本项研究的基本框架 资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制 方法及数据来源 本轮研究五方面所涉及的研究方法和数据来源均有所不相同，简述如下。（1）对主要国家或地区科技发展战略的分析 这一部分主要采用文本分析，主要对重点国家和地区美国、欧盟、英国、德国、日本、韩国的科技战略预算文件或年度工作计划，针对其规划或资助的最新战略前沿技术进行梳理和总结。对这些战略或规划文献，其选择原则主要是：一是政府关于科技方面的权威战略文件或计划；二是年度连续出版报告，便于持续跟踪；三是资料可获得性强。本轮研究所涉报告 18 份。3（2）主流咨询机构相关报告的分析 主要选择全球有影响力的 8 家主流咨询机构，这些咨询机构一般都按一定的时间周期发布同一主题的报告。8 家机构分别是：高德纳咨询公司（Gartner）、麻省理工学院（MIT）、世界经济论坛（World Economic Forum）、国际商业机器公司（IBM）、CB insight、阿里巴巴达摩院、德勤（Deloitte）和埃森哲（Accenture）。本轮研究所涉报告 8 份。（3）技术专利文献分析 采用 Dialog Innography 专利数据库，数据库选取主要基于以下两点考虑：一是利用该平台专利强度指标体系，筛选重要专利；二是利用该平台 PatentScape专利分析功能，进行聚类分析及主题词词频统计。在 Dialog Innography 专利数据库中，通过 IPC 分类号对 IPC 分类的 8 个部（A 部-G 部）进行检索，将检索结果根据 EPO 同族专利去重，并限制检索结果为 PCT 专利申请，限制专利公开日为 2021.01.012022.06.20，限制检索结果的专利强度在6-10（部分专利部，由于最终结果较少，对专利强度指标放宽至3-10），得到最终的专利分析样本。以 IPC 分类的 A 部为例，检索式为(meta IPC_A)AND(datepublished from 01/01/2021 to 06/20/2022)。对检索所得专利样本进行 PatentScape 专利分析，对主题词进行词频排序，将高词频主题词进行人工分析解读，最终确定相关领域的前沿技术方向。（4）学术论文的聚类分析 科睿唯安公司基于所收录的全球 11000 多种学术期刊的 1000 多万条文献记录而建立了一个庞大的计量分析数据库，按照其划分的 22 个专业领域，按被引频次的高低确定出衡量研究绩效的阈值，给出居世界前 1%的研究论文排名ESI 高被引论文，是衡量高水平研究的重要数据来源。在实际操作过程中，利用科睿唯安 Essential Science Indicators（ESI）数据库中涉及自然科学的 19 个学科领域中 20202021 年发表的各研究方向的所有 ESI 高被引论文作为数据源，运用信息可视化软件 Cite Space 从这些论文的题目、文摘、关键词中提取相关名词短语，进行共词聚类分析，对得到的聚类核心文献进行手工梳理，由此得到各学科领域最新的热点研究领域。（5）基于互联网科技媒体语料库大数据分析 4 根据业界领导力（要考察科技媒体本身的专业性和权威性。另外，参考美国知名的科技新闻和博客聚合网站 Techmeme 发布的科技媒体领导者榜单Leader Boards）、内容原创性、网页结构可采集性、样本大小可处理性等原则，选择了 15 家提供英语文本的互联网科技媒体，利用网络爬虫软件对上述互联网科技媒体数据源进行语料采集。主要步骤为：制定抓取规则设置待抓网址调用规则采集待抓网址保存抓取结果。经过对原始语料库经处理分析后，从多个角度展开解读，识别当今前沿科技热点。2.前沿科技热点研究结论概述 在前述研究结果的基础上进行归并，首先确定当前全球科技发展中较为集中的领域，即：信息技术，生命与健康，材料，能源，空间及交通运输，气候、生态与环境，以及先进制造及其他等 7 个行业。其次，筛选 5 个方面交叉较多的科技领域，再逐项筛选其中的具体技术或科学热点；最后，参考各领域的科技情报专家以及部分领域的研发人员的意见。本轮研究最终确定的“2022 全球前沿科技热点”，列表如下（表-1）。表-1 2022 全球前沿科技热点 行业（项数）行业（项数）具体科技热点具体科技热点 信息技术（5）量子互联网（Quantum Internet）三维异质集成（3D Heterogeneous Integration,3DHI）生成式 AI（Generetive AI）元宇宙（Metaverse）Web 3.0（Web 3.0）生命与健康（4）AI 分子发现与合成（Synthesis of Molecules Aided by AI）生物铸造厂（Biofoundry）光免疫疗法（Photoimmunotherapy）环状 RNA（circRNA）材料（3）石墨炔（Graphdiyne or Graph-n-yne）闭环塑料（Closed-loop Plastic）储能纤维（Energy-storage Fibers）5 行业（项数）行业（项数）具体科技热点具体科技热点 能源（3）高效钙钛矿太阳能电池（Highly Efficient Perovskite Solar-cell）虚拟电厂（Virtual Power Plant,VPP）绿色制氨（Green Ammonia Production）空间及交通运输（1）卫星通信（Satellite Communication,SatCom）生态、气候与环境（2）零碳排放（Net Zero CO2 Emission）微塑料处理（Microplastics Treatment）先进制造及其他（2）软件定义汽车的制造（SDV and its Manufacturing）柔性感知机器人（Flexible Sensing Robot）资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制 据上述前沿科技热点，并结合此前的研究，对当今全球科技研发与创新的一些新动向、新特点概述如下。其一，基础科学理论研究为技术创新奠定更为坚实的基础。就量子互联网而言，要实现其完整的构建，依然面临着巨大的、多方面工程技术的挑战，但近年来相应的热点研究已经日渐夯实量子互联网的基础，我们迟早终会步入量子信息的超级高速公路。另外，尽管环状 RNA（circRNA）的发现已经过去很长时间，但是随着近期针对细胞器的一些更为深入的基础性研究，以及 RNA 在新药研发中的新突破，环状 RNA 重新进入研究者的视野，其特有的优点可以规避 mRNA 的不足，为新药研发带来新的想象空间。其二，由于诸多产业数字化转型，信息技术与其他产业技术的融合呈现快速发展的态势。如，生物铸造厂（Biofoundry）是信息技术与生命科学的融合的典型例子，虚拟电厂是数字技术在能源领域的融合应用，数字技术对其他产业的渗透、与其他产业技术的融合，为各种新兴技术创新带来了更多的可能。其三，智能化发展是科技创新的主场之一。作为集计算机科学、统计学、脑神经学、社会科学等学科之大成者的人工智能（AI），近年来在向多领域的应用拓展中不仅推动传统产业的智能化转型，也催生出很多新兴的产业领域，如随着各种机器学习算法的演进，生成式 AI 作为多领域数字化进程的底层技术，给无人驾驶汽车制造等行业带来更多创新的可能，“软件定义汽车的制造”也成就了众多“造车新势力”；创新药物研发方面，AI 分子发现与合成技术越来越成为一种更高效、更可靠的研发手段。6 其四，尽管近年来许多新技术概念大量涌现，但究其内涵却是其来有自，科技创新迭代主要建立在稳定的科技进步之上。如 Web3.0 是基于区块链技术实现去中心化的新型互联网；元宇宙（Metaverse）是虚拟现实/增强现实/混合现实（VR/AR/XR）技术的递进与扩展 1。其五，科技创新仍然以人类的需求为导向不断精进。能源、环境，以及粮食安全一直都是人类面临的重大问题，与其相应的技术创新一直处于较为活跃的状态。在能源领域，绿色低碳是创新的方向，近年来，绿色氢能、绿色制氨、高效钙钛矿太阳能电池、储能技术（包括与储能相关的材料技术）等都是研发创新的热点，取得了可直接感受到的进步。环境领域，空气与水土净化是一项持久战，与其相关的微塑料问题近年来得到各界的普遍关注，相应的处理技术成为研发创新的热点；另外，从源头着手，可降解塑料、闭环塑料等新型材料也是产学研界投资与研发的重点领域。1 鉴于本项研究的惯例，我们每一轮对热点的选择有一定的数量限额，且为了给报告增加一定的新鲜感，对很多往年入列的、在现阶段乃至很长时间内依然是研究重点与热点的技术会做一些取舍，比如区块链（包括其在数字货币上的应用）、基因编辑、二维材料等，在后续的研究中根据其进展会重新加以介绍。7 第部分：前沿科技热点解读 信息技术领域信息技术领域 1.量子互联网量子互联网（Quantum Internet）21 世纪，量子技术仍被认为是最重要的技术创新之一。目前，全球正在加速推进研究开发各种量子技术，包括量子计算机和量子传感器。量子技术创新也被称为第二次量子革命，其设想了许多量子计算机相互连接并相互交换“量子数据”的未来世界。在那个世界，“量子互联网”将为传输量子数据奠定基础。量子互联网将是量子技术时代真正到来时的计算机网络基础。量子互联网定义量子互联网定义 目前，对于“量子互联网”尚没有统一定义。美国国防部美国国防部认为，量子互联网是指采用固有量子技术的任何计算机系统或通信设备网络。量子互联网对于量子计算机之间的通信是必须，但它不一定是指独立于当前互联网的新互联网，可以是与现有互联网交织在一起的新兴基础设施，比如在现有互联网上添加量子组件；允许量子计算机将来集成到现有的互联网中等。日本产学官合作研究日本产学官合作研究开发联盟量子互联网特别工作组开发联盟量子互联网特别工作组认为，量子互联网是一种交换量子数据的技术，与现有的数字通信基础，如互联网，有着根本差异。一旦量子互联网建立并正确运行，就能实现信息的广域分布式处理，这是现在的互联网无法做到的。另有来自来自网络网络上的上的观点观点认为，量子互联网是一个网络，它让量子设备在利用量子力学定律的环境中交换一些信息。从理论上讲，这将为量子互联网提供前所未 8 有的能力，而这些功能是当今的 Web 应用程序无法实现的。这些定义的共同之处：量子互联网是利用量子力学定律，进行量子信息（量子 bit）交换的信息网络，与经典（现有的）互联网有着本质的不同。量子互联网不会取代经典互联网，而是对其的补充（图-01-01）。图-01-01 量子互联网与现行经典互联网功能比较 资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）编制 量子互联量子互联网的组成网的组成与必要技术与必要技术 量子互联网由三个基本的量子硬件要素组成。首先，需要一个支持量子比首先，需要一个支持量子比特传输的物理连接特传输的物理连接，即，即量子通道。量子通道。例如标准电信光纤，因为它们目前用于传输经典光。其次，需要一种其次，需要一种方式方式来扩展来扩展传输传输距离距离，这就是量子中继器，这就是量子中继器。由于量子通道本质上是有损耗的，这种损耗对于应用有极大影响。为了到达更长的传输距离，必须在沿光纤连接以一定的间隔放置这种中继器。理论上，量子比特可以在在任意长距离上传输。未来，强大的中继器也可能兼作量子网络中的长距离路由器。第三第三个硬件个硬件要素是要素是终端节点终端节点，即连接到量子互联网的量子处理器。即连接到量子互联网的量子处理器。这些量子处理器可以是极其简单的节点，如准备和测量单个量子比特节点，也可以是大型量子计算机。终端节点本身也可以充当量子中继器。由于量子互联网并不意味着取代经典通信，而是用量子通信来补充它，因此，所有节点假设都可以进行经典通信。例如，通过经典互联网，交换控制信息（图-01-02）。根据美国量子网络战略远景报告，下面这些量子技术及物理设备是实现量子互联网的先决条件：量子探测器，超低损耗的光通道，空对地连接及经典的网络和网络安全协议。纠缠态和超纠缠态以及量子态的传输，控制和 9 测量。用于量子源和传统源的信号转换器。更可靠的量子存储缓冲器和小型量子计算机。使用量子中继器进行长距离纠缠分布（地面和空间），允许在小规模和大规模量子处理器之间使用基于纠缠的协议。图-01-02 量子互联网的基本构成 资料来源：Stephanie Wehner,David Elkouss,and Ronald Hanson.2018.量子互联网量子互联网发展方式发展方式、应用应用及现有及现有成果成果 目前，量子互联网发展的实际方式是完全未知的，但德国学者最早总结了量子互联网发展模型，提供了每个阶段的明确定义，包括已知应用的基准与示例，并概述了实现这些阶段所需的技术进步（图-01-03）。在这个模型中，每个阶段的特点是以更大的技术难度为代价，达到增加功能的目的。图-01-03 量子互联网发展的各个阶段及已知应用示例 资料来源：Stephanie Wehner,David Elkouss,and Ronald Hanson.2018.美国能源部在 2020 年也提出了量子互联网的发展蓝图，根据五个关键里程 10 碑，标记美国在在建设第一个全国性量子互联网的道路上取得的进展。由于美国是量子技术研发的最先进的国家，因此这些进展也可视为目前量子互联网研发所达到的水平。里程碑 1：光纤网络安全量子协议的验证 在准备和测量量子网络中，最终用户接收并测量量子态，但不一定涉及纠缠。在这种网络中要实现的应用包括不受信任的节点之间的交换，这些节点对时序波动、量子比特丢失和错误的容忍度（相对较）更高。该类量子网络的一个例子已经在田纳西州 Chattanooga 地区，使用量子加密系统组合进行了演示。这项演示是由橡树岭和洛斯阿拉莫斯国家实验室领导的。在这个演示中，这些系统通过可信节点相连接。该类网络一个令人感兴趣的应用是通过安全通信保护关键基础设施，例如电网。里程碑 2：校际和城际纠缠分布 在纠缠分布类型的量子网络中，任何两个最终用户都可以获得纠缠态，需要以确定性或预示的方式端到端创建量子纠缠，以及局部测量。这些网络通过支持实现与设备无关的协议（例如与设备无关的量子密钥分发和双方加密）来提供功能。对波动、损失、误差的容错低于前一类（里程碑 1）。存在经典网络和量子网络的初始集成。该类网络的一个例子是美国伊利诺伊州快车量子网络（IEQNET）。这个网络由地理位置分散在芝加哥大都市区的多个站点组成，这些站点包括西北大学（NU）、StarLight（一个位于芝加哥北湖岸大道 750 号的西北通信交换点）、费米实验室（FNAL）、和 Argonne 国家实验室（ANL）。每个站点都有一个或多个量子节点（即 Q 节点），可以执行量子通信和测量。Q 节点通过光纤连接到支持 SDN 的光交换机。光开关进一步相互连接，形成网状全光网络。IEQNET 目前包含两个逻辑上独立的量子局域网（Q-LAN）：Q-LAN1 和 Q-LAN2，并计划将ANL 站点发展为 Q-LAN3。Q-LAN 通过 ESnet（美国能源部建立的高速计算机网络）中建立的专用信道，或通过费米实验室和 StarLight 之间的其他暗光纤连接。这种网络的直接应用领域将是小规模传感器网络。里程碑 3：使用纠缠交换的城际量子通信 在量子存储网络这类量子网络中，任何两个最终用户（节点）都可以获取和存储纠缠的量子比特，并将量子信息传送给彼此。终端节点可以对它们接收到的量子比特执行测量和操作。最低内存存储要求由往返经典通信的时间决定。11 这个量子网络阶段支持有限的云量子计算，因为它允许能够准备和测量单个量子比特的节点连接到远程量子计算服务器。为了保证全国性量子互联网建设的成功，量子存储网络第一代原型要确定领先策略和解决任何低效问题。为了能够对组件进行全面评估和初始阶段集成测试，需要一个或多个早期测试平台，形成 Q-LAN。对 Brookhaven Lab（布鲁克海文实验室）SBU（纽约州立大学石溪分校）ESnet 合作成果的扩展计划就是这类量子网络的实例。Brookhaven LabSBUESnet 的合作在 2019 年 4 月实现了美国最长距离纠缠分布实验，覆盖了约20km。其中的室温量子网络原型是测试平台的关键，由 SBU 的量子信息技术（QIT）实验室开发，连接多个量子存储器和量子比特源。综合各项研究成果，Brookhaven LabSBUESnet团队设计和实施连接Brookhaven Lab和SBU多个地点的量子网络原型。而且通过使用量子存储器来增强飞行光子对偏振纠缠的交换，实现了长距离分配纠缠而没有有害损耗的量子传输。目前该研究团队已经在纽约长岛，利用ESnet和Crown Castle光纤基础设施，建立了一个量子网络，其中包括连接 Brookhaven 实验室、SBU 和 SBU 校园内的“无线和信息技术卓越中心”，光纤长度约 120 km。下一步计划是将这个现有的量子网络与纽约市的“曼哈顿登陆”（MANLAN）连接起来，这是一个几个主要网络汇聚的高性能交换点。计划中长岛量子网络扩展到纽约市，将使用一系列量子中继器、三个纠缠源、六个量子存储器和两个纠缠交换站，预计这将成为世界上第一个此类量子中继器网络，同时也为全国范围的量子保护信息交换网络奠定基础。图-01-04 长岛量子网络扩展到纽约市计划的网络配置 资料来源：DOE USA.Quantum Internet Blueprint Workshop.2020-07-23 12 里程碑 4：使用量子中继器的州际量子纠缠分布 在这一阶段，经典和量子网络技术已经集成。量子中继器的成功串联和大陆尺度距离上的损耗和操作误差的量子纠错通信，将为覆盖更远距离的运营纠缠分配网络铺平道路，从而能够创建量子互联网。SBU 和 Brookhaven 实验室领导的一项位于纽约的多机构项目探索了如何设计和构建基础设施，以建立一个遍布全州的首个量子互联网原型。里程碑 5：在实验室、学术界和工业界之间建立多机构生态系统，从示范基础设施过渡到运营基础设施 为了实施这种量子通信基础设施并将其实现为量子互联网的完整原型，联邦机构之间的协调与合作至关重要。具有大量量子网络组合的机构以及在该领域具有关键任务需求的机构（包括美国能源部，NSF，国家标准与技术研究所，国防部，国家安全局，美国国家航空航天局（NASA）和美国国立卫生研究院）之间的互补基础设施的交互和集成尤其重要。在寻求这些联盟的同时，应通过与量子通信初创公司和大型光通信公司的密切合作来鼓励新方向和衍生应用的关键机会。早期采用者可以提供有价值的设计指标。主要国家主要国家大型大型量子互联网研发量子互联网研发项目项目和优势比较和优势比较 一直以来，量子互联网的研发是围绕单个要素技术进行的，但近年来，一些在量子领域深耕并取得重要成果的国家，正在启动以“构筑量子互联网的试验台”和“建立量子互联网的中继器”为目标的大型项目。欧盟 自欧盟量子旗舰（EU Quantum Flagship）启动以来，欧洲量子互联网联盟（QIA）一直支持其中的 25 个项目。QIA 是由 QuTech、ICFO、因斯布鲁克大学和巴黎量子计算中心于 2017 年成立，由 40 个学术机构、电信运营商、系统集成商和量子技术创业公司等合作伙伴组成。QIA 从 2018 年开始构建量子互联网的试验台，到 2021 年的三年期预算为 1000 万欧元。2022 年 10 月 14 日，欧洲量子互联网联盟（QIA）启动了为期七年的计划，将开发一个全栈式原型网络，连接相距数百公里的两个都市地区的用户，以构建“欧洲制造”的量子互联网生态系统。该计划的第一阶段，从 2022 年 10 月起持续 3.5 年，预算为 2400 万欧元。第一个目标是建立两个城域网络，包含量子处理器和光子客户端，使用量子中继器的长距离光纤主干链路。这个网络将是完全可编程的，允许使用独立于平台的软件实现硬件支持的任何应用。第二个目标是为欧洲量子互联网创新创建一个量子技术转化为创新应用的平台，包括对企业家的支持、知识产权 13 保护、培养不同领域人才、用例开发，以及将学术和工业界专家聚集一堂的技术论坛。德国 2019 年，德国成立了自己的量子互联网联盟 Quantum Link Extension。德国联邦教育研究部拨付的三年期预算为 1480 万欧元。美国 美国从 2020 年开始，积极推动国家规模的量子互联网研究开发，如 2020年 9 月提交更新国家量子倡议法（National Quantum Initiative Act），加大支持量子互联网。为了配合这一更新，美国能源部（DOE）和美国国家科学基金会（NSF）分别于 2020 年 7 月和 8 月宣布了各自的项目。这两个项目均支持从基础研究到实地实验的研究开发。DOE 项目是以其下属的 Argonne 国家实验室（ANL）和 Brookhaven 国家实验室为中心进行实施。代表性的项目是 Q-NEXT。该项目 2021 年预算要求 2500 万美元。NSF 是出资支持“量子网络中心”，这是以亚利桑那大学为中心的互联网联盟，旨在开发大都市尺度距离的纠错量子网络，为量子互联网奠定基础。该中心在亚利桑那州图森和波士顿的两个地点安装试验台。NSF 在 2020 年2025 年的五年将出资 2600 万美元。中国 中国虽然没有以量子互联网为主题的大型项目，但正在对量子信息技术开展广泛的研究，潘建伟团队使用光子的量子计算证明量子超越性，又实施了使用卫星的量子纠缠分发实验和全光量子中继实验，展示了以量子互联网为目标的研究成果。日本 日本早在 2012 年就计划成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，未来 10 年内投资 400 亿日元，支持量子通信和量子信息领域的研发。日本 2020 年制定的量子技术创新战略将推动各项技术的开发。但将量子互联网测试用通信网视为 2029 年度以后的课题。但是日本业界对量子互联网研发投入仍在持续。2020 年初，日本东芝公司和日本东北大学的研究人员用量子保密通信技术在短时间内传输了多达数百 Gbit 的人类基因组测序数据，据称这是全球首次用量子保密通信技术如此短时传输大量数据。2021年2月，由Mercari公司和东京大学等 14 家机构组成的“量子互联网特别工作组”在公开的白皮书中，公布了建立量子互联网测试环境的方针，计划从 2021 年度开始，5 年内 10 14 20km 的分支通信网。表-01-01 主要国家量子互联网研发优势比较 欧洲欧洲 美美国国 中国中国 日本日本 硬件 世界上最早开展现场单跃点实验 采用NV中心、稀土类的先进成果 采用NV中心实证非随机量子中继 预计荷兰将利用经过维护的光纤网（TODO须注明来源）实证测定使用存储器的光子间的量子相关性（量子中继的核心技术）最先建立用于现场测试的暗光纤网 使用大量预算利用卫星的研究成果（2017）原子集团量子存储器领域的先进成果 硬件具有多样性-原子集团、NV中心、稀土类、超导、离子等各种作为量子存储器候选的基础实验-提出并证明全光架构（2015-2018）算法 关注硬件参数，开展自下而上的研究 缺乏从架构观点进行的研究 积极研究量子加密网络的架构 在世界上率先研究量子通信架构 基于现行互联网研究和运用知识以及量子信息理论，自上而下开展研究 发布世界上第一个开源量子互联网模拟器 应用 一直研究，并提出了许多提案。拥有许多著名的理论家，包括量子密钥分发的发起人。应用不多 有一定数量的密码和传感专家。有分布式计算和机密计算专家。其他 世界上最早开始专注于量子互联网（2018-）从2020年开始急速加力（DoE/NSF）因为可投入的人才数量和相关技术具有优势，只要参与竞争就有强大力量 人才在必要的所有领域分布均匀，但人数少 资料来源：産官学連携研究開発，量子.2021.【参考文献】【参考文献】1 White House website.A strategic vision for americas quantum networksR.2020.2 Stephanie Wehner,David Elkouss,and Ronald Hanson.Quantum Internet:A Vision for the Road Ahead.Science 362,no.6412(2018)3 産官学連携研究開発，量子.“The”量子：宇宙物理法則許空間極致 R.2021-02-10.(https:/qitf.org/files/20210210_qitf_whitepaper.pdf)15 2.三维异质集成（3D Heterogeneous Integration，3DHI）传统集成电路 CMOS 工艺按照“摩尔定律”经过数十年的发展，已经开始边际收益递减，表现为引入下一代技术后单个晶体管成本不降反升，性能提升、面积缩小、功耗降低（PPA）放缓。通过通过三维异质集成三维异质集成等等先进封装先进封装技术技术实实现现系统系统层层面面的小的小型化、型化、多功能化多功能化，已已成为集成电路技成为集成电路技术创新的术创新的重要方向重要方向之一之一。2022 年美国国防高级研究计划局（DARPA）启动下一代微电子制造（NGMM）项目，该项目将三维异质集成作为下一代微电子制造的关键技术，并提出建立美国三维异质集成微系统（3DHI）研发制造中心，开发用于 3DHI 微系统的设计、封装、组装和测试关键工艺模块。按照 DARPA 的定义，三维异三维异质质集成集成（3DHI）是指将是指将在在不同材料系统单独不同材料系统单独制造的组件堆叠在一个封装中，制造的组件堆叠在一个封装中，形成形成一个在功能和一个在功能和性能方面性能方面具有具有革命性改进的革命性改进的微系统。微系统。其三维异质集成定义包括两层含义：一是一是同质组件同质组件异构集异构集成成，即通过封装技术将多个采用不同工艺，具有不同功能，由不同厂商制造的同质芯片（一般是硅基芯片）集成到一个封装内部；二是异质二是异质组件组件集成集成，即将不同半导体材料的器件集成到一个封装内，如：硅基数字处理电路与 GaN 射频、功率器件集成等。3DHI 技术具有技术具有以下以下优优点：点：将芯片封装架构由平面拓展至 2.5D 或 3D，可实现更小更紧凑的芯片系统；可以融合不同的半导体材料、工艺、器件的优点，实现更复杂的功能和更优异的性能；将单芯片系统（SOC）分拆成若干小芯片，简化了芯片设计复杂度，单个小芯片功能可以单独优化，提高了芯片设计效率；此外，使用 3DHI 技术还可以避免芯片（Die）尺寸增大而带来良率的下降，各个 Die 可以使用不同的最佳工艺，实现制造成本的降低。技术的发展现状及态势技术的发展现状及态势 根据 SEMI 异质集成技术路线图（HIR），当前，异质集成技术正沿着多种材料、工艺集成，3D 集成，以及提高封装功率/效率、互联密度、可扩展性等方向发展。其技术创新主要集中在以下几个方面：EDA（电子设计自动化）工具 3DHI 需要考虑的物理参数更加复杂，对 EDA 工具提出新的要求，例如：IC/封装的协同优化，TSV 通孔、硅中介层等引入产生的新约束等，此外，不同芯片高密度互连，对于布局布线也需要开发新的工具以实现最优化。尽管目前已有多种可用于 3D IC 设计的 EDA 点工具，但全流程工具仍不完善，设计团队相 16 当程度上仍需自行摸索设计方法、整合开发流程，积累经验数据，难以达到理想的开发效率。包括 IMEC、Cadence 等企业均在积极构建 3DHI EDA 工具平台。小芯片（Chiplet）Chiplet 将一个系统单芯片（SoC）设计拆分成许多不同功能区块的小芯片，再藉由先进封装整合在一起。可以提升芯片设计灵活性，也具有制程良率、低成本优势，并可以提升设计效率，加快产品上市时间。2022 年 3 月，Intel 联合台积电、三星、日月光、微软、高通等企业共同成立 Chiplet 产业联盟，共同推动小芯片间通用互连传输标准（Universal Chiplet Interconnect Express，UCIe），以打造开放式的全球 Chiplet 生态系统。UCIe 定义了芯片间 I/O 物理层、芯片间协议、软件堆栈等标准，可以实现小芯片即插即用（Plug and Play），大大提高设计的灵活性和通用性（图-02-01）。图-02-01 Chiplet 产业联盟的成员构成及其贡献 资料来源：UCleMIC，2022 年 10 月（转引自公众号“半导体行业观察”）集成工艺 要实现要实现 3DHI，集成工艺方面仍集成工艺方面仍需要突破几个关键技术，如需要突破几个关键技术，如：硅通孔（硅通孔（TSV）、）、晶圆晶圆/芯片键合技术、散热等。芯片键合技术、散热等。TSV 是通过在硅片上制作通孔，以实现垂直的电互连。TSV 技术可分为三种类型：先通孔技术，在 CMOS 工艺过程之前在硅片上完成通孔制作和导电材料填充；中通孔技术，在 CMOS 制程之后和后端制程（BEOL）之前制作通孔；后通孔技术，是在 CMOS 工艺完成后，减薄处理之前制作通孔。TSV 核心技术是深硅刻蚀（微孔的批量刻蚀）和 TSV 孔内导电材料的电镀沉积，关键是提高通孔的高纵横比、阶梯覆盖、外形控制、工艺灵活性和速度。17 混合键合技术（Hybrid bonding），是通过热处理实现由介电材料（Dielectric Material）间隔的高密度 Cu 衬垫的直接连接。具有超短互连间距，超高互连密度的优点。由于取消了凸点（no bump），硅片间几乎没有厚度，可以实现更薄封装。同时采用低电阻铜互联，可实现高速互连。背面供电技术，将芯片的电源线与信号线分离，电源线由晶圆背面接入，可以降低后段制程布线拥挤问题，优化供电效能，改善散热等。IMEC、Intel 等均在开展相关技术研发。技术技术发展发展的竞的竞争态争态势势 21 世纪以来，美国国国防部高级研究局（DARPA）、比利时微电子研究中心（IMEC）等机构支持开展了大量 3DHI 的研究项目。DARPA 先后设立硅上化合物半导体材料（COSMOS）、多样化易用异构集成（DAHI）、通用异构集成及IP 复用策略（CHIPS）、下一代微电子制造（NGMM）等项目，持续、系统地支持 3DHI 技术研发。产业链各环节企业如日月光、台积电、英特尔、三星、美光、AMD 等均积极布局 3DHI 技术，随着先进封装工艺与前道制程结合更加紧密，台积电、英特尔和三星等上游芯片制造企业成为 3DHI 技术创新的最重要参与者。英特尔尝试通过晶体管、封装和芯片设计协同优化继续摩尔定律演进。公司提供嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）、Foveros 3D 封装等异质集成技术。EMIB通过一个桥接硅片，将不同芯片组合在一起，可实现 50m-40m 的凸点间距。Foveros 是英特尔开发的晶圆级 3D 封装技术，可以实现在逻辑芯片堆叠，其凸点间距可达 50-36m。此外，英特尔还在研发下一代 Foveros Omni 和 Foveros Direct 技术。前者支持分拆芯片（die disaggregation）设计，为芯片到芯片的互连和模块化设计提供更高的灵活性；后者实现了由传统凸点焊接到铜对铜直接键合（Hybird bonding）的转变，可以实现 10 微米以下的凸点间距，芯片互连密度提高一个数量级。两项技术计划在 2023 年实现量产。台积电推出 3D Fabric 先进封装平台，提供扇入型晶圆级封装（Fan-in WLP）、整合扇出型封装（InFO），2.5D 片上晶圆基板（CoWoS）封装，以及 3D 集成片上系统（SoIC）等封装技术。台积电 CoWoS 在芯片与基板中间加入硅中介层，实现重新布线及高密度互联；SoIC 采用无凸点（no Bump）直接键合技术，实现 CoW（Chip on Wafer）、WoW（Wafer on Wafer）直接互连。2020 年，台积电投资 100 亿美元在中国台湾地区竹南科学园建设全球首座全自动化 3D Fabric 先进封装厂 AP6，预计 2