此前，華為創(chuàng )始人兼 CEO 任正非與 ICPC（國際大學(xué)生程序設計競賽）基金會(huì )及教練和金牌獲得者的談話(huà)紀要曝光，《紀要》顯示，任正非認為，我們即將進(jìn)入第四次工業(yè)革命，基礎之一就是大算力。同時(shí)，第四次工業(yè)革命波瀾壯闊，其規模之大不可想象。
在任正非談話(huà)之后舉行的2023華為全聯(lián)接大會(huì )上，孟晚舟介紹了華為下一個(gè)10年戰略——全面智能化（All Intelligence）戰略，分為三個(gè)環(huán)節，包括讓所有對象可聯(lián)接、讓所有應用可模型、讓所有決策可計算。
在華為的預判中，第四次工業(yè)革命將是全面智能化的革命，將帶動(dòng)芯片、傳感器等硬件的發(fā)展，以及基于這些硬件的算力、AI模型是基礎。
無(wú)獨有偶，中國科學(xué)院院士褚君浩在此前演講中，指出第四次工業(yè)革命總趨勢就是智能化，人類(lèi)進(jìn)入后IT時(shí)代，迎接智能時(shí)代。。傳感器是第四次工業(yè)革命中智能化系統一個(gè)非常重要的核心技術(shù)，我國發(fā)展高性能的傳感器芯片非常重要。
顯然，華為的戰略預判與院士高屋建瓴的觀(guān)點(diǎn)不謀而合，在接下來(lái)的第四次工業(yè)革命中，將產(chǎn)生海量的傳感器需求，是全面智能化時(shí)代連接物理世界與數字世界的關(guān)鍵橋梁。
本文，褚君浩院士從科學(xué)家的角度闡述第四次工業(yè)革命的特點(diǎn)，以及傳感器將發(fā)揮什么作用、如何發(fā)揮作用、傳感器為什么重要。傳感器的新時(shí)代來(lái)了！
褚君浩，中國科學(xué)院院士。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員，復旦大學(xué)材料科學(xué)系教授，《紅外與毫米波學(xué)報》主編，中科院學(xué)部主席團成員。褚君浩院士長(cháng)期從事紅外光電子和半導體物理研究。獲得國家自然科學(xué)獎三次、部委級自然科學(xué)獎或科技進(jìn)步獎12次。2005年當選為中國科學(xué)院院士。
第四次工業(yè)革命
18世紀，第一次工業(yè)革命起源于英國，以機械化為特征。當時(shí)先有蒸汽機，隨著(zhù)技術(shù)和性能的不斷提高，大機器生產(chǎn)取代手工勞動(dòng)，整個(gè)世界開(kāi)始機械化。進(jìn)而，生產(chǎn)力得到解放和發(fā)展，出現擁有資產(chǎn)的階層，改變了世界的面貌；勞動(dòng)力從農村走向城市，開(kāi)始了城市化的進(jìn)程。
19世紀，第二次工業(yè)革命，以電氣化為特征。由于在實(shí)驗室里面發(fā)現電磁學(xué)規律，從而發(fā)明了電動(dòng)機和發(fā)電機。當時(shí)，美德兩國處于領(lǐng)先地位，電力的廣泛應用及石油的大量開(kāi)采，將科學(xué)技術(shù)成就循序運用到生產(chǎn)中，推動(dòng)了世界經(jīng)濟的迅速增長(cháng)，進(jìn)一步改變了人民的生活方式；壟斷資本影響國家和世界的政治和經(jīng)濟生活；加強了世界聯(lián)系，同時(shí)帶來(lái)了環(huán)境污染。
工業(yè)革命是技術(shù)和科學(xué)交叉推動(dòng)，科學(xué)推動(dòng)技術(shù)，技術(shù)轉化為應用，應用對技術(shù)提出要求，技術(shù)要解決問(wèn)題，又想辦法從科學(xué)上來(lái)解決，以此循環(huán)。好比，第一次工業(yè)革命是從技術(shù)開(kāi)始，然后到科學(xué)，再到技術(shù)。第二次工業(yè)革命就不一樣了，完全是從科學(xué)開(kāi)始，然后到技術(shù)再到科學(xué)。
20世紀， 第三次工業(yè)革命，以信息化為特征。從科學(xué)出發(fā)到技術(shù)再到科學(xué)，由此發(fā)展。通過(guò)原子物理、量子力學(xué)、固體物理、現代光學(xué)和半導體科學(xué)規律的發(fā)現，使得我們在半導體晶體管、集成電路、激光、光纖、電磁波、巨磁阻效應等方面，得到了技術(shù)性的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了電子技術(shù)、微電子技術(shù)、原子能技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、新材料技術(shù)、信息技術(shù)等一系列新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
那么，新的工業(yè)革命驅動(dòng)力是什么？
1.能源和環(huán)境問(wèn)題突顯, 全球可持續發(fā)展面臨巨大壓力
過(guò)去北冰洋都是冰，北極熊覓食時(shí)，在冰上打個(gè)洞，魚(yú)游過(guò)來(lái)，就可以撈魚(yú)吃?？墒?，隨著(zhù)冰川融化，沒(méi)有地方打洞，最終造成大熊吃小熊，這也是人們去旅游時(shí)能看到小熊骨骼的原因。倘若北極格陵蘭島冰蓋全部融化，海平面將上升7.2米！對上海來(lái)說(shuō)，浦東海拔高度和海平面距離不到2米，浦西只有3到4米。如果海平面上升7.2米，意味著(zhù)浦東要全部浸到水里去了。
2. 人類(lèi)不斷追求更加美好的生活
我們過(guò)去看黑白的電視，后來(lái)看彩色的電視，屏幕越來(lái)越大，將來(lái)可能會(huì )看看立體的電視。激光全息攝影就是其中一種方案，人們也在為之研究。
3. 信息科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展為工業(yè)革命創(chuàng )造條件
現在基于物質(zhì)科學(xué)新發(fā)現、微納米器件和制造新技術(shù)；基于腦科學(xué)和認知科學(xué)發(fā)展，促進(jìn)高度智能化；數字化發(fā)展成為大數據，程序化發(fā)展到智能化，小型化發(fā)展到微納化，網(wǎng)絡(luò )化由機—機網(wǎng)絡(luò )發(fā)展到人—機—物網(wǎng)絡(luò )。
舉個(gè)例子，現在集成電路發(fā)展非常困難，尺寸越來(lái)越小，摩爾定律接近臨界，將來(lái)可能就要研究自旋電子學(xué)。自旋電子器件高速度、低功耗，可實(shí)現更高集成度，還能融合光、電、磁，實(shí)現存儲、計算、傳感為一體的器件，從而實(shí)現更高速的集成電路。
信息、生物、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的一些重大突破已出現萌芽，很多思想、理念、技術(shù)都會(huì )發(fā)生大的躍變。人類(lèi)進(jìn)入后IT時(shí)代，迎接智能時(shí)代。
所以第一次工業(yè)革命是機械化，第二次工業(yè)革命是電氣化，第三次工業(yè)革命是信息化，第四次工業(yè)革命總趨勢就是智能化。它的特點(diǎn)就是智慧融入物理的實(shí)體系統里面，簡(jiǎn)稱(chēng)智慧融物?，F在第四次工業(yè)革命有以下三個(gè)特征：信息科學(xué)技術(shù)在物理數學(xué)生物基礎上進(jìn)一步提升；多領(lǐng)域發(fā)現和發(fā)明多軌并行、交叉推動(dòng)；信息科學(xué)技術(shù)和多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)深度融合，將信息滲透到各個(gè)領(lǐng)域，由此用信息技術(shù)提升能級。
新工業(yè)革命的技術(shù)態(tài)勢有六個(gè)方面：第一個(gè)，智能化分布式新能源系統、能源互聯(lián)網(wǎng)；第二個(gè)，智能化復雜體系、人工智能、智慧城市；第三個(gè)，智能化制造技術(shù)、先進(jìn)材料、極端制造；第四個(gè)，智能化診斷、修復技術(shù)、智慧醫療；第五個(gè)，傳統工業(yè)的智能化升級；第六個(gè)，互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數據。
迎接智能時(shí)代
智能時(shí)代的特點(diǎn)就是智能化的系統，這是它的核心。智能化的系統有三根支柱，動(dòng)態(tài)感知、智慧識別、自動(dòng)反應：
首先它是要動(dòng)態(tài)感知，就是像我們的眼睛，耳朵等五官，可是，二維碼、條形碼不是動(dòng)態(tài)的，它們是事先做好放在那里的。所以智能化的系統里面，我們要靠傳感器，達成動(dòng)態(tài)感知，而傳感器則是代替我們五官的。
第二個(gè)就是要智慧識別，識別就是要分析，相當于我們的腦子。這里面要靠大數據的分析，大數據的分析有兩個(gè)方面，一個(gè)是文本大數據，是現成的，另一個(gè)是物理大數據，是通過(guò)測量得到的，比如天氣預報，我們人體看B超，做CT， 要更加注重物理過(guò)程的規律、模型、方法。通過(guò)規律發(fā)現規律，事半功倍。
第三個(gè)就是要自動(dòng)反應?，F如今我們有基礎信息平臺，有互聯(lián)網(wǎng)，有物聯(lián)網(wǎng)，有集成電路，有芯片技術(shù)，有通訊技術(shù)5G的技術(shù)，能大大提高自動(dòng)反應。
例如，一個(gè)打乒乓球的機器人，是典型的智能化系統，因為首先它看得見(jiàn)乒乓球，這是動(dòng)態(tài)感知，第二個(gè)它要算這個(gè)乒乓球彈起來(lái)怎么樣，第三個(gè)是它反應，把它打回去，在智能化的系統中，一個(gè)是人工智能，一個(gè)是智慧地球。人工智能在工業(yè)上已經(jīng)用得非常普遍。
德國慕尼黑的寶馬工廠(chǎng)里，有5000個(gè)人，里面1000個(gè)是機器人。在智慧地球里面，包括智慧空天海地、智慧能源環(huán)境、智能制造等。智慧地球 = 互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)，這是IBM總裁的定義。溫總理在無(wú)錫有一段講話(huà)，把所有通過(guò)物品，通過(guò)信息傳感的設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)進(jìn)行智能化處理，這個(gè)就是物聯(lián)網(wǎng)了。
智能系統，是在某一區域中智能化運行某一行為。比如在家庭智慧的老幼監視系統或者設備控制系統；在小區智慧的能源調控系統；在工廠(chǎng)智慧的物流系統等。所以智能系統是一定在一個(gè)區域內，實(shí)行一個(gè)、兩個(gè)或者三個(gè)行為。如果說(shuō)區域越來(lái)越大，行為越來(lái)越多，那么你的智慧度就越來(lái)越高。
在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數據和云計算的基礎信息化技術(shù)上，智慧城市至少應該有四層架構：感知層、互聯(lián)層、分析層、反應層，進(jìn)而在城市綜合管理、 交通物流貿易、能源環(huán)境安全、 醫療文化教育和城市社區安居五大方面獲得廣泛應用。
其中包含兩個(gè)核心的技術(shù)，一個(gè)是實(shí)時(shí)感知技術(shù)，是通過(guò)傳感器芯片來(lái)實(shí)現。第二個(gè)是智慧分析系統，通過(guò)模型和大數據的分析實(shí)現，比如人體心臟監視器，數據分析中心實(shí)時(shí)獲取心臟信息后發(fā)送出去，如果發(fā)現你的心電圖有什么問(wèn)題，馬上就可以采取措施，這就是智慧的醫療。
首先是傳感器，就是一個(gè)器件，它是代替我們人的眼睛、鼻子、耳朵，把光聲熱電子生物過(guò)程變成電。比如光電傳感器來(lái)說(shuō)，非常重視基礎研究，它提供方法、手段、模型、理論。既然是不同運動(dòng)形式的器件，我們需要發(fā)現其規律，進(jìn)行在技術(shù)上提高、實(shí)現，從而做成了傳感器，這個(gè)就發(fā)展了光電芯片技術(shù)。
另外，用不同波段探測器，可以看到不同信息。因為不同的波段有不同的特征，所以要做不同波段的探測器。比如短波紅外，可見(jiàn)光和近紅外，都有不同的用處?，F在照相機是可見(jiàn)光的，如果能發(fā)現規律，能做出不同波段的探測器，其應用面將非常寬廣。
波長(cháng)再長(cháng)就是太赫茲（THz），其應用面很廣，包括地垢油的監測，醫學(xué)二維成像，安全（爆炸物探測），雷達建模等。這里面有核心技術(shù)，比如說(shuō)要做特殊靈敏的探測器、非夲征Ge光電探測器，場(chǎng)效應晶體管探測器，肖特基勢壘探測器等等。
我們最近發(fā)現一個(gè)新現象：窄禁帶半導體MSM結構與THz光場(chǎng)相互作用，外部電磁波(光子)入射到器件上，將在半導體材料中誘導勢阱，從而束縛來(lái)自于金屬中的載流子，使得材料中載流子濃度發(fā)生改變，出現載流子集聚。
紅外，不僅可以在黑暗里面看清圖象，同時(shí)還能看到溫度分布。我們可以用鐵電薄膜、氧化釩等，制造室溫工作的紅外探測器，根據科學(xué)道理，分析不同溫度的物體，以及對外輻射的能量分布。這也是現在疫情期間，經(jīng)常用來(lái)探測體溫的。
再比如說(shuō)火情監控，可以通過(guò)固定式紅外監控系統、機載紅外火情預警、紅外衛星等紅外探測技術(shù)，及時(shí)準確地穿透煙霧，發(fā)現火點(diǎn)以及火場(chǎng)被困人員。
智能時(shí)代背景下光電傳感器需求，有以下幾點(diǎn)：少光子、單光子、光子數可分辨紅外探測器；超大規模焦平面列陣器件；不同波段光電器件；多波段融合光電器件；室溫工作紅外焦平面器件；新型讀出方式焦平面器件。要清楚材料器件結構中物理過(guò)程，并能精細描述和控制，從而提升技術(shù)水平并達成創(chuàng )新。
因此，傳感器是智能化系統一個(gè)非常重要的核心技術(shù)。發(fā)展高性能的傳感器芯片非常重要，用更低的成本，實(shí)現更快的速度，更智能化的應用。有了好的傳感器，就能握緊核心技術(shù)，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，把傳感的信息傳出去加以分析，進(jìn)而達成多功能集成化、無(wú)線(xiàn)通信化、柔性化、微型化。
第二個(gè)核心技術(shù)，就是智慧分析，模型分析，大數據分析。我們現在是處在一個(gè)波動(dòng)世界里面，空間引力波、電磁波、機械波，這個(gè)波就有頻率、強調、位相、偏振，通過(guò)對于波的分析，就可以得到很多信息。
舉個(gè)例子，蘋(píng)果、櫻桃、梨、葡萄光譜不一樣。我們每個(gè)人穿的衣服光譜也不一樣，當我們獲取波譜特征，并存入數據庫后，應用時(shí)就可以，將測量到的波譜，對比數據庫數據，即可進(jìn)行分析判斷。醫學(xué)成像信息大數據，則是利用成像結合光譜，從而進(jìn)行識別。
所以，智能芯片則是將分析和傳感器的芯片結合在一起，采集波的特征，制作數據庫，形成自己的系統。
重視基礎研究是非常重要的，基礎研究是歷次工業(yè)革命的科學(xué)源泉，又在歷次工業(yè)革命中得以發(fā)展?；A研究將推動(dòng)第四次工業(yè)革命發(fā)展，將在智能時(shí)代背景中催生新發(fā)現新技術(shù)。所以這也是科學(xué) - 技術(shù) - 科學(xué) - 技術(shù)之間不斷應用，根據科學(xué)技術(shù)本身的規律來(lái)研究，來(lái)推動(dòng)它的發(fā)展。
現在新工業(yè)革命對制造業(yè)也會(huì )有一些影響，首先，工業(yè)革命總是與科技革命相伴而生，制造業(yè)也逐漸從傳統邁向智能化時(shí)代，因為隨著(zhù)工業(yè)機器人、3D打印、數字化工廠(chǎng)的出現，取代了人工，使勞動(dòng)力成本占總成本的比例不斷減小，使我國很多制造行業(yè)面臨生存危機，但也促進(jìn)了人工智能機器人的發(fā)展。而且將來(lái)網(wǎng)絡(luò )共享的經(jīng)濟模式會(huì )出現分布生產(chǎn)模式，智慧工廠(chǎng)和互聯(lián)網(wǎng)工廠(chǎng)。
與此同時(shí)，也會(huì )提倡低碳化、綠色的生產(chǎn)與生活方式，突破一些關(guān)鍵技術(shù)，其中包括可再生能源技術(shù)、儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)、新能源技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)這些普遍的技術(shù)，還包括很多特殊的技術(shù)、傳感的技術(shù)、分析的技術(shù)等等。
制造業(yè)轉化的趨勢，有以下五點(diǎn)：原來(lái)主要是靠資源和投資驅動(dòng)的，現在靠技術(shù)進(jìn)步。原來(lái)是生產(chǎn)能力的擴張，現在是技術(shù)能力的積累。原來(lái)是生產(chǎn)型的制造，向服務(wù)型的制造發(fā)展。原來(lái)是處在制造業(yè)價(jià)值鏈的低端向價(jià)值鏈的高端發(fā)展。原來(lái)是擠壓環(huán)境，現在是對環(huán)境友好。
關(guān)于新工業(yè)革命的應對措施，政府應該做好推進(jìn)新工業(yè)革命的頂層設計。其次，要積極投資新工業(yè)革命需要的重要基礎設施，包括宏觀(guān)的新基建，還包括每個(gè)鎮、鄉、城市、省的設施。另外，要培育創(chuàng )新環(huán)境，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新浪潮。構建未來(lái)產(chǎn)業(yè)的培育體系，引導產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新。
最后，推動(dòng)適應新工業(yè)革命需要的機制體制建設。其中幾方面工作要加強，第一，加強科學(xué)規律和核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三部曲。第二，加強實(shí)驗室成果的中試研發(fā)，企業(yè)要提早介入，政府要分擔風(fēng)險。第三，切實(shí)加強產(chǎn)學(xué)研合作，建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合實(shí)驗室、聯(lián)合研發(fā)中心，政府要引導支持。第四，要提高企業(yè)的自主創(chuàng )新意識，增強自主創(chuàng )新能力。
最后，老子曾說(shuō)：有道無(wú)術(shù)，術(shù)尚可求也。有術(shù)無(wú)道，止于術(shù)。 莊子曾說(shuō)：以道馭術(shù)，術(shù)必成。離道之術(shù)，術(shù)必衰。。這兩句話(huà)將科學(xué)規律和技術(shù)的關(guān)系，表達得淋漓盡致。
培育創(chuàng )新能力
培育創(chuàng )新能力，對于一個(gè)單位、科學(xué)家、工程師、學(xué)生都是重要的，關(guān)鍵是人。第一要遵循客觀(guān)規律，尤其是發(fā)現規律，開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)際應用特別重要，要把關(guān)系處理好；第二要修煉內在的素質(zhì)，勤奮，有好奇心，有創(chuàng )新精神，要漸進(jìn)，不要浮躁，有遠大志向；第三要凝聚驅動(dòng)的力量，驅動(dòng)的力量非常重要的是興趣，要有興趣來(lái)做這件事，只有產(chǎn)生興趣才能做得最好；第四要有責任的驅動(dòng)，我們是人，有精神的驅動(dòng)，責任的驅動(dòng)；最后要培養一種極致的精神，就是精益求精，一絲不茍。
結語(yǔ)
每一位院士都是中國科學(xué)界的棟梁，中國科技領(lǐng)域的中流砥柱，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著(zhù)高屋建瓴的見(jiàn)解，也引領(lǐng)者我們國家最前沿科學(xué)的發(fā)展方向。
本文中，褚君浩院士對即將到來(lái)的第四次工業(yè)革命的觀(guān)點(diǎn)，與華為的戰略預判不謀而合。
從褚君浩院士的報告中，多次強調傳感器在第四次工業(yè)革命中的重要作用，同時(shí)是中國邁入智能時(shí)代的核心技術(shù)。然而我國傳感器產(chǎn)業(yè)羸弱，核心技術(shù)掌握不多，是整個(gè)中國傳感器產(chǎn)業(yè)亟需改變的現狀。
