从憧憬中来,到革新里去,记录科技改变世界的魔幻之年 | 趋势预测

新技术让人憧憬,是生于热闹的产物。但在 2020 年,科技承担了更多责任,背负起人类对抗风险、抵御未知的深沉期待。刚刚公布的达摩院 2021 十大科技趋势,悄然捕捉到了「后疫情时代」的科技变局。

不足五天,2020 年即将成为过去式。许多人评价这一年是「魔幻」的,的确,历史上应该没有哪一年,能像 2020 那样,让人感到时代变动如此之大。

重遭疫情影响的社会,宛如泡影一样变化无常,到处充斥着不安的色彩。在很多不确定事物面前,人类往往是束手无策的。但欣喜的是,我们还能看到科技给社会创造了各种各样的新改变。

科技让人憧憬,是生于热闹的产物。但在疫情影响下,它们不断承担新的期待,帮助人类对抗「不确定性」。

以 AI 为代表的技术与应用在疫情期间得到大范围使用,比如无人配送、远程办公、在线教学、智能外呼等,而且有一些趋势是不可逆的,并将持续影响明年诸多产业的发展,例如 AI 加速药物研发等。

一年一度的达摩院十大科技趋势预测如期而至,围绕基础科学、前沿应用、场景革新三个方面,阿里巴巴达摩院发布了 2021 年十大科技趋势,复盘不平凡的 2020 年,预判被疫情倒逼和重塑的技术未来。

01 技术,是守护公共安全的重要防线

年初,本是冬春迎新之际,却因突如其来的疫情打乱了节奏。冬天从未有如此之长。那时,人们都被笼罩在一层挥之不去的迷雾里,不断来袭的疫情信息更像是警钟,刺激人们惶恐不安的内心。

在病毒来源未知的情况下,最好的方式便是防控。技术冲入第一阵营,维护公共安全,让我们有惊无险地度过了这场考验。

技术快速再造了一个数字平行世界。以大数据、人工智能、云计算等技术在疫情监测、病毒溯源、社区防控、检测隔离等环节发挥了有力的辅助作用;AI、生物科技等技术被用以支持药物和疫苗研发工作。

医疗行业从未像今天这样高度重视疫苗和药物的研发效率,「AI 提升药物及疫苗研发效率」被达摩院列入 2021 十大科技趋势。

2003 年 SARS 爆发之时,研究人员在病毒基因组发布大约 20 个月之后才准备好进行临床试验的疫苗。现在全世界都在加速疫苗的研发,并将缩短研发用时。疫苗研发过程除了必需的审批流程外,还需要经过大量的医学文献筛选、数据分析,反复修改与检测,而擅长数据分析的 AI 可以加速用时,大幅度缩短用时、减少投入成本。

例如在研发的疫苗中添加化合物可以提升其功效,更好地刺激人体免疫系统形成更多抗体。这个过程可以利用 AI 自动输入一系列已知的可激活人体免疫系统的有效化合物模型,与电脑合成程序产生的数亿种不同的化学化合物对比筛选,最终快速找到可能成为人类免疫药物的优质候选化合物。

在疫情的催化下,AI 与药物、疫苗研发的结合必将加速推进。据《Natrue》数据显示:一款新药的平均研发成本大约是 26 亿美元,耗时约 10 年,成功率不到 10%。而药物发现是新药研发的重要环节,包括了疾病选择、靶点发现和化合物合成等步骤。AI 则可在疫苗化合物筛选、建立疾病模型、发现新靶点、先导化合物发现、先导药物优化及老药新用等环节上起作用。

在今年 12 月初,谷歌旗下人工智能技术公司 DeepMind 提出的深度学习算法「Alphafold」破解了生物学 50 年来的重大挑战——蛋白质分子折叠问题。这一突破性研究成果将帮助科研人员弄清引发某些疾病的机制,并为设计药物、农作物增产,以及可降解塑料的「超级酶」研发铺平道路。

由此可见,AI 与药物筛选结合是未来明确的方向。AI 作用新药研发上,通过筛选流程和实验过程模型化,利用虚拟药物筛选、模拟计算筛选出药物的高概率结构,可以大幅减少化合物筛选的时间消耗。此外,还可以通过 AI 匹配、发掘疾病与现有药物之间的数据关联性,老药新用也能快速在其他适应症上给予有效性证明。

02 科学,是渺小人类的长期主义

全国蔓延的新冠疫情打乱了人类生活的节奏和社会秩序,人们只能本能地手握各种砝码,站在正义的一方,与病毒对抗。面对巨大的未知,我们不得不认清人类的渺小。

但尽管如此,科技界仍显示着一种长期主义的坚持,在那些只见微光的领域,取得了令人鼓舞的进步,比如被达摩院 2021 十大科技趋势收录的量子计算、脑机接口等。倘若,将这些科学创新价值累加,人类就会重新拥有巨大的力量。

2020 年为「后谷歌量子霸权」元年,世界对量子计算的投入趋涨,为早日到达量子纠错和实用优势奠定基础,在 2021 年量子计算仍保持着巨大的关注度。

量子计算的优越性来自叠加态和量子纠缠之类的量子相关性。在经典计算机中也需要纠错,量子纠错所需的比特数比经典计算要多得多。演示纠错的系统必须同时达到「多比特」、「高精度」和「高连接度」:至少几千个高质量、强关联的比特。️

今年 12 月初,我国科学家潘建伟、陆朝阳团队在量子计算取得重大成果,实现了量子计算的第一个里程碑——量子计算优越性。

为了实现这一目标,他们在高斯波色采样实验当中构建了一个量子计算原型机「九章」,其处理特定问题的速度比目前最快的超级计算机「富岳」快了一百万亿倍,同时也等效地比谷歌去年发布的 53 比特量子计算原型机「Sycamore」快一百亿倍。量子计算机被认为能够完成一些经典计算机难以完成的任务,玻色采样也属于此类任务。

尽管谷歌的团队去年已经实现 「量子霸权」,推出 54 个量子比特的计算机「Sycamore」,宣布实现量子优越性。但国内研究者提出的「九章」也在图论、机器学习、量子化学等领域表现潜在的应用价值。

另外,量子计算领域预计 2021 在其他维度上取得突破性的创新。比如基于新型设计的超高精度超导比特和扬弃目前线性结构的可扩展的 2 维离子阱。超导的另一场扬弃也可能在 2021 年播下种子:低温电子学的成熟将使得庞大和昂贵的室温电子学开始走向末路。

相比量子技术,脑机接口离现实世界的距离似乎更近一些。今年 8 月,伊隆 · 马斯克神秘的脑机接口公司 Neuralink 以「猪脑接口」叩开了脑机接口领域的重大突破,尺寸极小,不到一小时植入,可读取清晰的大脑活动信号。这款脑机接口设备,已经在 7 月份获得了 FDA 的「Breakthrough Devices Program(突破性设备计划)」许可,即将在人类身上进行植入实验。

脑机接口并非新概念,已有几十年研究之久。更大的想象空间在于,借助脑机接口,结合 AI 可以对神经工程发挥重要作用。例如,通过接口直接从大脑中合成语音,帮助失去说话能力的人通过技术手段来进行交流。此外在康复方面,通过对神经系统活动的识别,读取人的「意念」,通过机械臂精确完成大脑内发出的相应指令。

这项突破正面意义是帮助残疾弱势群体,脑机接口技术也许能帮助脑瘫患者、渐冻人、帕金森患者等群体恢复生活能力、提升生活质量,为神智清醒、思维健全,却口不能言、手不能动的人提供精准康复服务。但就像人类历史上任何一项技术突破那样,脑机接口带来梦幻,也将带来伦理挑战——尽管那些挑战都还在人们的想象中。如何安全可靠地用好新技术,是与技术突破同样重要的课题。

03 重塑,找到「下沉」路径和「落地」的使命

技术最大的价值在于找到落地的使命。即便是处于高光时刻的新技术,也必然要经历漫长的「下沉」,走向应用落地场景。根据达摩院预测,工业互联网、智慧农业、智慧城市等几大场景将在 2021 年走到变革的临界点,推动变革的力量,既有长期的技术蓄力,也有持之以恒的场景探索,当然也少不了疫情等外力的催化。

疫情期间,中国数字经济展现出超强韧性让社会更加重视工业、农业、城市运营方面的智能建设。

据《工业互联网平台白皮书》显示,中国互联网平台已达 300 家左右,具有一定规模和影响力的平台数量也有 50 家之多。但工业智能仍以解决碎片化需求为主,难以满足制造企业全面数字化转型的需求。究其原因,数字孪生的实施成本和复杂度高、供给侧数据难以打通、整体生态系统不够完善等因素延缓了工业智能的前进步伐。

达摩院预测,工业智能将在技术进步与政策利好的双重加持下得到发展。例如,从单点智能快速迈向全局智能,包括从复杂代码编写升级到低代码的应用开发,从而降低企业的使用成本;从边缘业务切入企业核心业务,从而扩大工业智能的应用范畴;从辅助决策升级到对生产系统的控制,从而扩展工业智能的应用场景;从单一业务方案升级到平台化整体方案,从而提升工业智能的使用价值。

在未来 3 年,工业特别是汽车、消费电子、品牌服饰、钢铁、水泥、化工等具备良好信息化基础的制造业,贯穿供应链、生产、资产、物流、销售等各环节在内的企业生产决策闭环的全局智能化应用将大规模涌现。

工业之外,智能技术在农业领域的应用也正在引起质变。以物联网、人工智能、云计算等为代表的数字技术正与农业产业深度融合,打通农业产业的全链路流程。比如,结合新一代传感器技术,农田地面数据信息得以实时获取、快速处理,实现农作物监测、精细化育种和环境资源按需分配。5G、物联网、区块链等技术的应用,将确保农产品物流运输的可监测、可追溯。

与工业互联网、智慧农业一样,「智慧城市」同样不是新概念,2014 年中国就已制定国家政策,把智慧城市作为新型城镇化建设的重要抓手和实现路径。中国智慧城市建设过程中,先后涌现出「最多跑一次」、「一网通办」等实践案例,让普通人切实感受到智慧城市带来的便利。

经历疫情之后,城市管理者更加重视城市运营效率的提升,强化城市「运营」理念,比如将城市数据进行汇聚、交换和共享,作为智能决策基础,服务于综合管理服务平台。达摩院预测,这类城市运营中心,今后必将逐渐兴起。

更大的想象空间在于,智慧的城市运营中心未来能够通过构建数字孪生城市直观展现城市全量信息。在数字孪生城市中全面融入城市感知数据、政府数据、商业数据等,并通过空间计算技术,在时间和空间维度下立体呈现城市运转的全貌,助力实现城市治理精细化。

04 结语与十大趋势

2020 年就要过去了,我们也许不会怀念,但也无法忘记。对技术趋势的预判与梳理,即是留念,也是展望。

著名科幻作家、科学家阿瑟 • 克拉克(Arthur Clarke)曾在 1962 年《未来的轮廓》(Profiles of the Future)一书中提出,「任何足够先进的技术,都与魔术无异」。他还认为,到 21 世纪 20 年代,人工智能的水平将可以达到人类的水平;对人类感知的神经学研究也会大有建树,人类可以不再依靠耳朵、眼睛和皮肤来获取信息。

在 20 年代的开篇之年,克拉克几十年前的预言正在惊人地快速实现:人工智能在一些特定场景下的水平甚至已远超人类;而脑机接口和传感器等技术的发展,也为人类的感知甚至进化打开了一扇全新的大门。必须承认,科技的进步让人心潮澎湃,无论在之前看起来是多么夸张的预言,都正在逐渐成为现实。

身处科技最前沿的达摩院,梳理并提出了今年科技领域最重要的十个趋势,其中, 既包含物理世界基础研究突破带来的「原子动能」,又囊括我们日益离不开的数字世界中发生的「比特跃迁」,还涉及科技进步对我们生产生活模式的改变即「场景变革」。

中国工程院院士郑南宁认为,未来五十年的变化都被这场疫情提前并压缩到了未来十年里,科学技术将加速应用到社会经济领域。科技发展来到了一个新周期的起点,以人工智能、大数据为代表的新一轮科技将改变我们所处的世界。 

附:达摩院 2021 十大科技趋势

趋势一、以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应用大爆发

以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体,具备耐高温、耐高压、高频率、大功率、抗辐射等优异特性,但受工艺、成本等因素限制,多年来仅限于小范围应用。近年来,随着材料生长、器件制备等技术的不断突破,第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场:SiC 元件已用于汽车逆变器,GaN 快速充电器也大量上市。未来 5 年,基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于 5G 基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景。

趋势二、后「量子霸权」时代,量子纠错和实用优势成核心命题

2020 年为后「量子霸权」元年,世界对量子计算的投入持续上涨,技术和生态蓬勃发展,多个平台异彩缤纷。这一潮流将在 2021 年继续推高社会的关注和期待,量子计算的研究需要证明自身的实用价值;业界需要聚焦「后霸权」时代的使命:协同创新,解决众多的科学和工程难题,为早日到达量子纠错和实用优势两座里程碑铺路奠基。

趋势三、碳基技术突破加速柔性电子发展

柔性电子是指经扭曲、折叠、拉伸等形状变化后仍保持原有性能的电子设备,可用作可穿戴设备、电子皮肤、柔性显示屏等。柔性电子发展的主要瓶颈在于材料——目前的柔性材料,或者「柔性」不足容易失效,或者电性能远不如「硬质」硅基电子。近年来,碳基材料的技术突破为柔性电子提供了更好的材料选择:碳纳米管这一碳基柔性材料的质量已可满足大规模集成电路的制备要求,且在此材料上制备的电路性能超过同尺寸下的硅基电路;而另一碳基柔性材料石墨烯的大面积制备也已实现。

趋势四、AI 提升药物及疫苗研发效率

AI 已广泛应用于医疗影像、病历管理等辅助诊断场景,但 AI 在疫苗研发及药物临床研究的应用依旧处于探索阶段。随着新型 AI 算法的迭代及算力的突破,AI 将有效解决疫苗 / 药物研发周期长、成本高等难题,例如提升化合物筛选、建立疾病模型、发现新靶点、先导化合物发现及先导药物优化等环节的效率。AI 与疫苗、药物临床研究的结合可以减少重复劳动与时间消耗,提升研发效率,极大的推动医疗服务和药物的普惠化。

趋势五、脑机接口帮助人类超越生物学极限

脑机接口是新一代人机交互和人机混合智能的关键核心技术。脑机接口对神经工程的发展起到了重要支撑与推动作用,帮助人类从更高维度空间进一步解析人类大脑的工作原理。脑机接口这一新技术领域探索性的将大脑与外部设备进行通信,并借由脑力意念控制机器。例如在控制机械臂等方面帮助提升应用精度,将为神智清醒,思维健全,但口不能言、手不能动的患者提供精准康复服务。

趋势六、数据处理实现「自治与自我进化」

随着云计算的发展、数据规模持续指数级增长,传统数据处理面临存储成本高、集群管理复杂、计算任务多样性等巨大挑战;面对海量暴增的数据规模以及复杂多元的处理场景,人工管理和系统调优捉襟见肘。因此,通过智能化方法实现数据管理系统的自动优化成为未来数据处理发展的必然选择。人工智能和机器学习手段逐渐被广泛应用于智能化的冷热数据分层、异常检测、智能建模、资源调动、参数调优、压测生成、索引推荐等领域,有效降低数据计算、处理、存储、运维的管理成本,实现数据管理系统的「自治与自我进化」。

趋势七、云原生重塑 IT 技术体系

在传统 IT 开发环境里,产品开发上线周期长、研发效能不高,云原生架构充分利用了云计算的分布式、可扩展和灵活的特性,更高效地应用和管理异构硬件和环境下的各类云计算资源,通过方法论工具集、最佳实践和产品技术,开发人员可专注于应用开发过程本身。未来,芯片、开发平台、应用软件乃至计算机等将诞生于云上,可将网络、服务器、操作系统等基础架构层高度抽象化,降低计算成本、提升迭代效率,大幅降低云计算使用门槛、拓展技术应用边界。

趋势八、农业迈入数据智能时代

传统农业产业发展存在土地资源利用率低和从生产到零售链路脱节等瓶颈问题。以物联网、人工智能、云计算等为代表的科学技术正在与农业产业深度融合,打通农业产业的全链路流程。结合新一代传感器技术,农田地面数据信息得以实时获取和感知,并依靠大数据分析与人工智能技术快速处理海量领域农业数据,实现农作物监测、精细化育种和环境资源按需分配。同时,通过 5G、物联网、区块链等技术的应用确保农产品物流运输中的可控和可追溯,保障农产品整体供应链流程的安全可靠。农业将告别「靠天」吃饭进入智慧农业时代。

趋势九、工业互联网从单点智能走向全局智能

受实施成本和复杂度较高、供给侧数据难以打通、整体生态不够完善等因素限制,目前的工业智能仍以解决碎片化需求为主。疫情中数字经济所展现出来的韧性让企业更加重视工业智能的价值,加之数字技术的进步普及、新基建的投资拉动,这些因素将共同推动工业智能从单点智能快速跃迁到全局智能,特别是汽车、消费电子、品牌服饰、钢铁、水泥、化工等具备良好信息化基础的制造业,贯穿供应链、生产、资产、物流、销售等各环节在内的企业生产决策闭环的全局智能化应用将大规模涌现。

趋势十、智慧运营中心成为未来城市标配
在过去 10 年时间里,智慧城市借助数字化手段切实提升了城市治理水平。但在新冠疫情防控中,一些所谓的智慧城市集中暴露问题,特别是由于「重建设轻运营」所导致的业务应用不足。在此背景下,城市管理者希望通过运营中心盘活数据资源、推动治理与服务的全局化、精细化和实时化。而 AIoT 技术的日渐成熟和普及、空间计算技术的进步,将进一步提升运营中心的智慧化水平,在数字孪生基础上把城市作为统一系统并提供整体智慧治理能力,进而成为未来城市的数字基础设施。

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