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我国在芯片领域换道超车核心技术

2019-01-19 10:48  点击数:    来源:hg0088
    据其介绍,光子人工智能芯片的发展得益于人工智能的发展。光学计算芯片其实在实验室一直存在,但它一直没有比较好的应用场景,没有办法落地应用。近年来伴随着人工智能的兴起,人工智能的算法特征恰好跟光学芯片物理性能匹配,这使得光学计算有了走出实验室、走向产业应用的机会,就是这样一个过程。
  中科院“百人计划”专家、上海微系统所研究员余明斌回国后也一直致力于硅光工艺平台的建设。他认为,这是一个可能引发巨大产业新空间的前瞻性技术。 宫颈癌是严重威胁女性健康,仅次于乳腺癌的常见恶性肿瘤。目前,由美国药企研制,已上市的九价宫颈癌疫苗,保护范围最广,可预防七种高危型和两种低危型HPV的感染,即大约90%的宫颈癌的发生。
  然而,目前尚不清楚使用类似疫苗进行广泛免疫,是否会引起其他与癌症相关的病毒感染率增加,即导致其余10%的宫颈癌发生。因此,研发保护范围更广的宫颈癌疫苗十分必要。
  现有的第一代和第二代宫颈癌疫苗,均使用类似于HPV天然病毒颗粒的“类病毒颗粒”作为疫苗抗原。类病毒颗粒就是去除病毒遗传物质之后剩余物质重新进行装配,结构上仍具有原病毒特征,但无复制和感染能力。类病毒颗粒能使人产生针对该病毒的免疫应答,从而产生抗体使人对该病毒的侵蚀具有很好的防御能力。期刊的审稿人认为这是“一项了不起的成就”,因为这种新疫苗在增加可预防病毒型别的同时,减少了疫苗抗原所需的类病毒颗粒的种类,因此不会增加生产成本和难度,并减少副作用的产生。他们在给研究团队的回复邮件中表示,“相信这种新型疫苗会走向临床。”中国目前引进的宫颈癌疫苗有三种,分别是二价、四价和九价。其中九价疫苗最昂贵,每支接种价格为1298元人民币,三支总价约为3894元。
  夏宁邵表示,新型疫苗将适用于9至45岁的女性,其生产成本不会高。夏宁邵长期从事宫颈癌疫苗的研究。他的团队研制了即将在国内上市的首个国产第一代宫颈癌疫苗。第二代国产九价疫苗也于2017年获得临床试验批准。
  据世界卫生组织2018年统计数据,世界上每年宫颈癌新发病例约有57万例,死亡病例约31.1万例。中国每年约有10.6万新发病例,并有约4.8万例死亡病例。近年来,HPV疫苗接种在中国得到了推广,并且政府已向数千万农村妇女免费提供宫颈癌检查。中国科研人员近日在对抗宫颈癌方面取得重大进展。他们研发的新一代宫颈癌疫苗有望抵御所有可致癌的高危型人乳头瘤病毒。人乳头瘤病毒(以下简称HPV)主要通过性接触传播。目前已经鉴定出的HPV型别超过200种,分为高危型和低危型。其中至少有18种高危型HPV是与99%的宫颈癌的发生相关。
  光子人工智能芯片。光子芯片的计算速度为电子芯片的1000倍,但功耗仅为其百分之一。算力是传统电子人工智能芯片的1000倍,但功耗只有其百分之一,低延迟还抗电磁干扰,由清华、北大、北交大等高校博士生创业研发的光子人工智能芯片,在技术上实现不少突破,未来可广泛应用于手机、自动驾驶、智能机器人、无人机等领域。近日,该光子人工智能芯片项目落户顺义,将这项新技术推向了台前。
  “芯片的设计、加工、封装、测试全部在国内完成,摆脱了对国外高制程光刻机的依赖,是我国在芯片领域换道超车的核心技术。”研究团队负责人白冰说。
  落地顺义的光子人工智能芯片出自一个由清华、北大、北交大等多所高校的在校博士生组成的创业团队,该团队是全国第一个,也是全球第二个光子人工智能芯片研究团队。
  团队负责人、光子芯片的研发者之一——白冰,目前正在北京交通大学通信与信息系统专业攻读博士学位。作为国内第一个研究光子计算的团队,白冰介绍,光子芯片具有低延迟、抗电磁干扰等优势,计算能力是传统芯片的三个数量级,功耗却只有传统芯片的百分之一。
  对于光子人工智能芯片发展的意义,白冰说,国内电子芯片设计领域能力很强,但在核心加工环节有一个很强的技术壁垒,需依赖国外的高制程光刻机,在成本等多个方面都会受限。光子人工智能芯片的生产过程自主可控,全流程可在国内完成,采用国内130nm微电子工艺加工完成,摆脱了对于国外高制程光刻机的依赖,无需在工艺制程上进行追赶。
  “芯片的设计、加工、封装、测试全部在国内完成,摆脱了对国外高制程光刻机的依赖,所以说是我国在芯片领域换道超车的核心技术。”白冰说。
  白冰表示,未来芯片主要还是针对人工智能领域的应用与发展。目前光子人工智能芯片的产品部署主要集中于设备端,预计于2022年将光子芯片运用到云端。
  记者了解到,第三代半导体是北京市高精尖产业的重要内容,也是顺义确定发展的三大创新型产业集群之一。当前,顺义正布局全产业链,7.1万平方米的第三代半导体材料及应用联合创新基地已于去年12月竣工。目前,中关村科技园区顺义园管理委员会已与其团队签约,项目正式落户顺义。
  据介绍,上海也已开始光子芯片的布局,计划到2021年建成全国硅光子芯片研发和中试基地,到2025年量产平台实现芯片批量供货,成为国际知名硅光子的研发、制造基地。
  白冰介绍,光子人工智能芯片是指采用硅基光子集成技术,让光提供算力,为人工智能应用提供高性能的硬件支持。第一个层面是“人工智能芯片”。如果一个芯片要跑得非常快、非常省电,一定是芯片的物理结构跟软件高度匹配,这样才能达到一个比较高的效率。包括现在的人脸识别、自动驾驶、安防监控、AI金融、AI医疗等,实际上都是一种人工智能算法,要设计一款芯片结构跟其特征匹配,这就是人工智能芯片。
  第二个层面是“光子”。已有的人工智能芯片都是电子芯片,电子芯片在计算速度和功耗方面会有瓶颈。光子人工智能芯片是依托硅基光子集成技术,在内部用光完成矩阵运算与数据交换。它的计算过程与人工智能算法高度匹配,计算速度比普通电子芯片高,功耗比电子芯片低。
  中科院上海微系统所所长助理、上海新微科技集团总裁秦曦曾介绍,集成电路的发展沿着摩尔定律已趋于极限,硅光子技术是超越摩尔研究领域的发展方向之一。通过硅光集成,用光代替原来的电进行传输,成本有可能降低到原来的十分之一,甚至更低。
  白冰解释,主要有两方面优势。一个优势是计算速度,光子人工智能芯片的计算速度大概是电子芯片的三个数量级,约1000倍,单个电子芯片的计算速度大约是7.8TFlops,而光子人工智能芯片的计算速度大概是3200TFlops。第二个优势是功耗,光子人工智能芯片的功耗仅为电子芯片的百分之一,单位电子芯片和耗电量大概300W,对应的光子人工智能芯片的耗电量只有4W。
  对比不同芯片在同一情境下是否具有优势,要考虑性能功耗比、单位美元提供算力两方面。性能功耗比是指消耗单位瓦特提供的性能,重在强调涉及多少电费,单位美元提供算力则重在强调芯片的生产成本。在这两方面,光子人工智能芯片比电子芯片更有优势。
  白冰表示,光子人工智能芯片可广泛用于手机、安防监控、自动驾驶、服务机器人、无人机、工业物联网、企业服务器和数据中心等关键人工智能领域。比如在分拣机器人机械臂上装上摄像头,让它识别有什么东西,控制它去抓取等。
  
  一种HPV类病毒颗粒只能预防一种HPV型别。如果按照传统方法,为提高预防效果,覆盖更多的病毒种类,就需要持续增加颗粒的种类数量。
  但如果用这种“一对一”的方法去制造可以预防十几种病毒的疫苗,将会造成疫苗接种剂量大,增加潜在的副反应,比如摄入过多的蛋白和佐剂,会造成接种者注射部位疼痛,红肿,以及发热,还会提高疫苗制造的复杂性和生产成本。福建厦门大学的夏宁邵教授团队经过六年的研究,取得关键技术突破,研发出一种高效的疫苗,能用较少的类病毒颗粒种类保护更多的HPV病毒型别。
  他们根据遗传关系,将20种与癌症相关的HPV型别(包括18种高危型和两种低危型)划分为七组,并发现亲缘关系较近的HPV型别在结构上拥有共同的骨架和不同的外在细节形貌特征。
  夏宁邵认为HPV类病毒颗粒和天然病毒颗粒在外形上都可比作一个“球体”。而“球体”表面的纹路、线条、凸起、凹陷等,称为“环区”。不同型别的HPV外在形貌虽然在大体上相似,但在细节上的凸起、线条却有明显的不同。
  夏宁邵说:“正是由于这些环区的不同,导致了每个病毒型别刺激人产生的抗体不能预防其他病毒型别的感染。”于是,研究团队利用新兴的结构疫苗学方法设计了一种复杂的“嵌合类病毒颗粒”。它上面集成了三种型别HPV病毒颗粒(HPV33,HPV58和HPV52)的“环”特征,使之前一个类病毒颗粒只能模拟一种HPV型别的形貌,变成了一个类病毒颗粒能够模拟三种HPV型别的形貌,即一个新“球体”具有此前三个“球体”的特征。
  这也意味着,一种HPV类病毒颗粒具有同时保护三种HPV病毒型别的功能。果然,之后在小鼠和猴子的测试中,研究人员发现“嵌合类病毒颗粒”所提供的免疫效果,与过去“一对一”方法叠加三种类病毒样颗粒所产生的效果相当。
  他们又用同样的方法,成功地在另外四组HPV型别上制作了四个“嵌合类病毒颗粒”。我们的研究为开发新一代HPV疫苗开辟了道路。它表明,只需要七种嵌合类病毒颗粒就有可能实现预防二十种HPV型别导致的宫颈癌。”夏宁邵说。

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