來源：浙江在線-浙江日報 記者 嚴粒粒 見習記者 涂佳煜 通訊員 陳航 周立超
高鐵讓地理距離不再遙遠，朝發(fā)便可夕至；智能手機讓人際聯(lián)系更為便捷，天涯不過咫尺……不斷更迭的科技，正為我們的生活，以及觀察世界的方式，提供著極大的便利和可能性。
本周，之江實驗室舉行了成立以來最大規(guī)模的集中科研成果發(fā)布會，面向公眾重磅發(fā)布了十余項科研成果。探索科學研究新范式的智能計算，引領世界前沿的基礎研究，破解“卡脖子”難題的核心器件與裝備……這些重要領域，乍一看有些晦澀，走近后，你會發(fā)現(xiàn)它們的價值所在。
極弱力測量科學裝置
追尋感知力極限
如果說，人與人的相愛，是靠一股吸引力在牽引，文學家可能會感嘆，這股力源自兩個靈魂的默契；而科學家此時或許會跳出來，以嚴謹?shù)膽B(tài)度表明——這股力一點也不玄乎，甚至還可以被測量。
“只要是有質(zhì)量的兩個物體，相互之間就會產(chǎn)生引力。如果兩個成年人正好站在地球相對應的兩端，那么他們之間所產(chǎn)生的引力大約是9*10-21N?？茖W裝置能夠穩(wěn)定測量出比上述情形還要小的力。”之江實驗室量子傳感研究中心副主任高曉文說。
他口中的科學裝置，便是之江實驗室發(fā)布的新一代極弱力測量科學裝置。
這臺由之江實驗室牽頭，聯(lián)合浙江大學共同設計研制、具備完全自主知識產(chǎn)權的科學測量儀器，具備了力分辨率達4.2*10-23N、力靈敏度達4.3*10-21N/Hz1/2的極弱力測量能力。經(jīng)過與目前全球相關領域的公開指標對比以及專家驗收測試，該裝置的核心性能指標，已居全球最高水平。
我們?yōu)槭裁匆獪y量力？
“力是描述客觀世界物質(zhì)相互作用的最基本物理量。提升力精密測量的能力，能為人類不斷探索科學規(guī)律、認知客觀世界提供有力的科研利器?！?nbsp;之江實驗室極弱力測量科學裝置項目負責人、之江實驗室特聘專家胡慧珠說。
的確，測力的精密水平，能讓我們觀測到不一樣的世界。比如，在原子力顯微鏡把物體放大10億倍的視野里，我們能直接感知到極微弱的原子間相互作用力?？蒲腥藛T從而能夠在比一粒鹽小幾千倍的尺度上描繪出一種材料的孔、突起和特性。
并且，當前世界科學界最熱門的幾個話題，都離不開對力的研究。比如，當我們抬頭，把目光投向宇宙空間，有更多看不見、摸不著的物質(zhì)，讓科學家們無從下手研究。觀察它們，便可以它們之間能產(chǎn)生的極微弱的力著手。
2015年，LIGO（激光干涉引力波天文臺）首次探測到一個來自宇宙的引力波信號。它那長達四公里的探測臂微微移動了一個質(zhì)子直徑的萬分之一尺度。因為這一事件，LIGO項目的三位組織者獲得了諾貝爾物理學獎。我們是否還能再次靈敏地探測到如此微弱的引力波，去印證宇宙起源是一場大爆炸？
此外，暗物質(zhì)被認為占宇宙中所有物質(zhì)的大約85%，從未被直接觀察到，并且仍然是現(xiàn)代物理學中最大的未解之謎之一?？茖W家們懷疑它的存在，是因為它對宇宙中物體的引力效應。我們能否感知到這大量看不見的物質(zhì)，從而解釋為什么星系會這樣旋轉，宇宙為什么會越來越膨脹？
這些都是項目團隊希望去幫助解答的問題?！鞍滴镔|(zhì)、暗能量、引力波的探測和檢驗是宇宙物理學的重大命題。因此我們希望這臺極弱力測量科學裝置，能夠在相關領域得到應用，為相關研究做出貢獻?！焙壑橥嘎?，近期，他就將趕赴國內(nèi)相關領域優(yōu)勢單位作學術交流。在那里，一個探測引力波的大型裝置正在建設之中。
相比處于研究初期的量子計算和量子通信，這臺科學裝置所依托的量子傳感是量子技術中較為成熟的子類別，實際應用場景豐富。不止支撐科研，項目團隊圍繞國家重大任務和產(chǎn)業(yè)應用需求，不斷拓展裝置的應用領域。
在項目團隊看來，極弱力測量科學裝置不是一顆“蛋”，吞下去就完了。它更像是一只去孕育更多成果的“雞”。“基于力學量的精密測量，能夠構建具有廣泛應用前景的智能傳感器?！焙壑榻榻B，“比如礦產(chǎn)探測就是一種有效應用”。
在沒有探測器的古代，人們對礦藏的勘測源于經(jīng)驗。如《管子》中寫到：“上有丹沙者，下有黃金。上有慈石者，下有銅金。上有陵石者，下有鉛錫赤銅。上有赭者，下有鐵?！碑斎?，經(jīng)驗主義難免失敗。當力的探測達到足夠精度的時候，探礦的準確度就大大提升。
“物質(zhì)之間是有引力作用的。如果地下存在空洞，或者有密度較高的礦的時候，地表的重力加速度會發(fā)生變化。我們的智能傳感器能感知微小到小數(shù)點后第七位的力的變化，并描繪出礦藏的地下分布情況。”胡慧珠舉例，除了礦產(chǎn)勘探，根據(jù)裝置原理能設計出地球重力儀，用于服務地質(zhì)勘探、災害預警等現(xiàn)實場景。
極弱力測量科學裝置對力的測量基于光動量效應，通俗理解起來，便是用光束之間產(chǎn)生的引力作為“鑷子”，“夾住”極微小的粒子做測量?？茖W家認為，該裝置還有進步空間，目前4.2*10-23N的力的分辨率只是一個階段性成果。
“說是‘測量’，其實更核心的是‘控制’?！焙壑閺娬{(diào)，光束控制的穩(wěn)定程度與力的測量環(huán)境程度正相關。項目組把實驗環(huán)境進行全方位的隔振降噪處理，隔振基座甚至被埋在地下17米的深處，就是為了排除干擾?！袄碚撋希绻M一步加強對光的控制，我們對力的捕捉精度還能提升7到8個量級?！?
合作，永遠是推動科學進步的關鍵因素。在成果發(fā)布的當天，項目組還上線了一個開放分享的網(wǎng)站。“我們希望為國內(nèi)外的前沿理論科研提供幫助，也為提高自身多一分可能性?！焙壑檎f。
智能計算數(shù)字反應堆
讓算力像電力一樣好用
“算力”即電子設備的計算能力，小到手機、電腦，大到超級計算機，都需要算力支撐其軟硬件的正常運行。步入大數(shù)據(jù)時代，算力成為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的基石，算力需求爆發(fā)式增長，這一新型基礎設施的普惠建設也愈發(fā)重要。
然而，當下算力資源的“異構性”特征引發(fā)了不少問題。采用不同技術實現(xiàn)的計算能力，往往具備不同的系統(tǒng)架構、指令集等。用戶在使用算力執(zhí)行任務時需要適配不同的算力軟硬件，甚至還要為此專門編寫軟件，不僅使用不便，還產(chǎn)生了大量算力資源浪費。
為了高效利用規(guī)?；懔?，支撐各領域的計算需求，之江實驗室智能計算數(shù)字反應堆應運而生。為協(xié)同調(diào)度算力和算法，數(shù)字反應堆“之江瑤光”智能計算操作系統(tǒng)于去年10月啟動建設，目前已發(fā)布1.0版本，進入了測試階段。
人工智能技術是“之江瑤光”的核心，以強大智慧，在用戶和算力之間“牽線搭橋”。它“包羅萬象”，通過一個“資源連接器”，聚合高性能計算集群、智算集群、智能超算等算力資源，其中不乏“之江天目”異構智能計算機、“之江之光”智能超算機等國內(nèi)新型計算集群，目標聚合損耗低于10%，算力近線性疊加。它又“運籌帷幄”，按策略對數(shù)據(jù)進行編排調(diào)度，把數(shù)據(jù)高效傳達計算集群和節(jié)點，讓每臺智算機物盡其用，協(xié)同整合算力可達10EFlops（每秒1000億億次浮點運算）。
“‘之江瑤光’是一個易用性很強的通用計算平臺。”數(shù)字反應堆總架構師潘愛民評價道。這不僅得益于它雄厚的算力基礎設施，還離不開平臺配備的如科學計算、人工智能算法、大數(shù)據(jù)算法框架、開源科學計算庫等各類算法框架。它們面向不同計算任務，避免了用戶的重復開發(fā)和不兼容問題。
“瑤光者，資糧萬物者也”?；跀?shù)字反應堆，天文、制藥、育種、材料、基因五大“應用堆”開枝散葉，與智能計算深度融合。數(shù)字反應堆對五大平臺的“資糧”，一方面在根據(jù)已有算法庫，為科研人員提供“零代碼一鍵部署”服務，另一方面則能幫助他們根據(jù)需要進行低代碼自建，即以最少的手動編碼創(chuàng)建出功能強大的應用。而隨著更多領域的自研算法被引入，“之江瑤光”的算法模塊也得到了豐富和擴張。
“我們的首批應用賦能科學研究，未來基于之江瑤光操作系統(tǒng)以及之江實驗室的算力基礎設施，能夠支持各領域用戶建設相應的領域計算平臺?！迸藧勖裾f。
數(shù)字反應堆提供的智能算法與基礎科學的第一原理性碰撞，“裂變”出巨大能量。實驗無法窮盡的排列組合、方程無法解析的復雜系統(tǒng)，都能在人工智能的協(xié)助下一一破解。潘愛民認為，智能算法為科研提供新的工具，拓寬思路，提高效率，從某種意義上說，更有可能催生出數(shù)據(jù)與領域知識相結合的科學研究第五范式。
“五大平臺均誕生了突破性研究成果，無疑是對當下大熱的科學智能理念的成功探索。”潘愛民說。
比如，今年6月，之江實驗室科學家團隊發(fā)現(xiàn)了首例持續(xù)活躍的快速射電暴，相關成果發(fā)表于《自然》雜志?；凇爸幑狻毙纬傻腇AST@LAB智能計算天文平臺的作用功不可沒。該平臺實現(xiàn)了中國天眼FAST數(shù)據(jù)實時的接入數(shù)字反應堆，運用深度學習目標檢測算法挖掘觀測數(shù)據(jù)，規(guī)模化天體輻射現(xiàn)象，還建立了唯一提供動態(tài)圖譜和完整物理參數(shù)的快速射電暴知識庫，引領著國際宇宙“時間前沿”瞬變天體物理研究。
又如CERESLAB智能計算育種開放平臺，以“計算選優(yōu)”代替了傳統(tǒng)的“試驗選優(yōu)”。通過現(xiàn)有的基因、分子、環(huán)境和表型等多模態(tài)、多尺度海量數(shù)據(jù)集，建立了基于深度學習的精準預測模型，借助基因編輯與合成生物學等先進技術，實現(xiàn)了智能、高效、定向培育新品種。目前，平臺已經(jīng)在中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究院、中國水稻研究所開展應用。
算力、算法、數(shù)據(jù)是驅(qū)動人工智能發(fā)展的三駕馬車。下一步，“之江瑤光”還將強化“云邊協(xié)同”，除對數(shù)據(jù)中心“云”的建設外，打造智能數(shù)據(jù)采集的“邊緣平臺”。潘愛民介紹：“我們已經(jīng)在智能育種領域展開實驗，在集裝箱溫室中裝配傳感器，自動提取作物特征，采集的數(shù)據(jù)與數(shù)字反應堆完全打通，可以自動進行后續(xù)計算。”
數(shù)字反應堆的生態(tài)圈將持續(xù)擴大，聚合更強算力，布局更廣領域，向“讓算力像水電一樣，隨時隨處可得”的美好愿景進發(fā)。
高通量納米激光直寫裝置
突破三維微納加工技術
以光子芯片為代表的未來技術領域，需要進行三維、復雜、大面積的微納結構加工。然而，光刻技術一直被認為是擋在我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路上的巨石。
之江實驗室高通量納米激光直寫技術及裝置，就是奔著解決這一矛盾難題而去。目前，該團隊正在之江實驗室特聘專家劉旭、匡翠方的帶領下，致力于提升激光直寫“雕刻”的精度和速度，讓斑點中的“世界”更復雜精妙。
所謂“光刻”，是利用光“刀”在特殊材料上雕刻圖形。從類別上來看，投影式光刻是當下芯片加工的主要方法。它是一種在光照作用下，借助光刻膠將掩膜版上的圖形轉移到硅材料芯片上的技術。這有點類似于“膠片相機用底片洗照片”過程——刻有精密圖形的掩膜版便是底片，芯片就此批量生產(chǎn)。
投影式光刻是目前能實現(xiàn)的精度與效率最好的光刻手段。但是，有沒有可能把目前的“最好”推向更好？
“投影式光刻的缺陷也是明顯的。它只能刻二維結構，無法滿足當下新的發(fā)展需求。此外，所需關鍵材料——掩膜版不僅價格極為昂貴、工藝復雜、制作周期長，并且關鍵制備技術也‘卡’在他國手里?！?nbsp;之江實驗室高級研究專員丁晨良博士透露，“而有時候，實驗用芯片并不需要批量生產(chǎn)，何必浪費資源去開發(fā)掩膜版”。
讓我們以“價格”為切入，更直觀地看清使用掩膜版的“代價”。芯片在制造過程中，要經(jīng)歷多次曝光，每一次曝光都要更換不同的掩膜。隨著光刻掩膜版層數(shù)增加，成本自然是隨之增加。在16到14納米精度的芯片制程中，所用掩膜成本在500萬美元左右，到7納米時，掩膜成本迅速升至1500萬美元。
于是，團隊把目光投向另一種光刻方式——具有圖形可自定義、可三維打印兩大優(yōu)勢的激光直寫?！昂唵蝸碚f，便是拋棄掩膜版，利用激光，直接在芯片上雕刻精密結構。這讓芯片的研發(fā)周期更快，保密性、自主化程度更高?！倍〕苛冀忉?。
雖然激光直寫加工方式靈活，但也有相對精度低、效率相對不足、穩(wěn)定度相對不夠三大缺陷。
研究團隊經(jīng)過兩年多的攻關，成功研制了多套多通道激光直寫裝備。其中，十通道激光直寫系統(tǒng)，突破了邊緣光抑制、十通道特異性調(diào)控、3D暗斑調(diào)控、光束防漂移、差分定焦鎖焦等一系列關鍵技術，能夠讓激光直寫光刻技術實現(xiàn)“高分辨、高通量、高穩(wěn)定”的性能優(yōu)勢。
目前，這一技術已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)20到50納米精度的光刻。而50納米以下的精度，足以覆蓋80%電子產(chǎn)品所用芯片。在速度方面，十通道直寫系統(tǒng)代表可以實現(xiàn)10道激光同時雕刻，這意味著雕刻速度可以提升10倍，達到100米每秒的刻寫通量。以往以“天”計的激光直寫時間單位，就此可以縮短至“小時”。
激光直寫對光刻膠材料性能的要求很高；同時，光刻膠制備技術長期被日本企業(yè)所壟斷?！艾F(xiàn)有材料對激光的敏感度還不夠，這意味我們需要使用更高能量的激光來雕刻。但是能量越高，光刻的精度就會衰減?！?nbsp;丁晨良介紹，為此，研究團隊還特意自主研發(fā)了一種適配于所有光刻種類的全新光刻膠。“經(jīng)過與在目前直寫領域廣泛應用的一種膠對比，我們新研發(fā)的光刻膠整體性能與其不相上下。尤其在剛性參數(shù)上表現(xiàn)更強。”
好的科研成果不能捂在手，廣泛的應用才能惠及社會。據(jù)悉，目前，團隊研發(fā)的新型光刻膠已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)，高通量納米激光直寫裝置也已經(jīng)生產(chǎn)出不止一臺樣機，可讓有需要的科研等領域相關機構使用。
論及未來應用，激光直寫技術的應用邊界，甚至超越它的初衷。例如，丁晨良透露，團隊正在和國內(nèi)某三甲醫(yī)院合作，探索利用相關技術，實現(xiàn)生物組織結構的3D打印。此外，激光直寫光刻三維加工能力的優(yōu)勢，也將為AR、VR等智能感知領域貢獻更多新型納米感知器件，有力推動相關技術的發(fā)展。
