浅析国内电子信息工程科技16大技术挑战

为推动我国电子信息工程科技领域高质量发展，助力数字基建科学发展驱动壮大经济新动能。

日前，中国工程院信息与电子学部、中国信息与电子工程科技发展战略研究中心在中国工程院发布“中国电子信息工程科技发展十六大技术挑战(2020)”(以下简称“挑战”)。

据了解，这 16 个领域包括微电子光电子、光学工程、感知、测量计量与仪器、电磁空间、网络与通信、网络安全、水声工程、电磁场与电磁环境效应、控制、认知、计算机系统与软件、计算机应用、工业软件系统、应对重大突发事件和新基建。“挑战”分析了我国电子信息工程科技上述 16 个领域方向所面临的技术挑战。

1. 微电子光电子

摩尔定律不断逼近物理与工艺极限，新结构、新器件、新材料、新工艺和新封装是该领域补短板、加长板和可持续发展面临的重要挑战。当前围绕通信用激光的收、发、调制、放大等光子集成和光电集成芯片技术的微小型化、高速率、低成本、低功耗、多功能、光电融合与智能化是该领域补短板、加长板和可持续发展面临的重要挑战。

2. 光学工程

自然界许多生物具有目前人工系统无法比拟的光学感知能力。围绕“仿生光学如何模拟这些生物的可调谐、宽光谱、宽视野、抗反射和隐身的视觉系统，以及将这些生物及其群体智能感知的机理和功能赋予人工智能系统，提高仿生光学在强背景干扰下的动态感知和处理能力”等是重要挑战。

3. 感知

遥感技术正向着主动与被动相结合和小型化高重复周期观测的方向发展，结合图像信息的智能处理技术推进遥感信息的广泛应用；信息技术的快速发展正推动着数字化和智能化传感器研发。“具备自主采集、数据处理、传输和安全管理等能力的智能传感器”是该领域当前面临的重要挑战。

4. 测量计量与仪器

通过实施基于”常数”重新定义的国际单位制，中国计量体系正在经历从多层金字塔架构向扁平化的历史性变革，直接推动国家测量体系向数字化、网络化、智能化方向跨越，支撑中国科技、产业、健康和国防的持续高质量发展,特别是加快研制和生产服务生命安全和生物安全的计量标准和测量仪器，满足国家迫切急需，是该领域面临的重要挑战。

5. 电磁空间

电磁频谱已成为信息时代、智能时代人类社会的主要活动空间和竞争资源之一，用户数量、类型和频次爆炸式增长。电磁空间探测感知，通信传输和管制控制等系统形态和技术体制渐现一体化趋势。实现智能全谱和多元一体的频谱感知、高频宽带高效的频谱利用、动态精细的用频管控以及系统设备的高集成、低成本，是该领域当前面临的重要挑战。

6. 网络与通信

受可用频谱资源限制、关键光电器件指标等制约，移动通信和光纤通信容量提升趋缓。伴随网络流量的爆发式增长和天空海全覆盖的重大需求，技术代际跃升急需突破性的理论和技术。在人网物三元万物互联，以及网络与各行业深度融合所带来的网络极大复杂性、巨容量、大连接、广覆盖、高可靠、低能耗、低成本等压力和驱动下，网络架构、服务质量、用户体验、安全性和可靠性等是该领域当前面临的重要挑战。

7. 网络安全

面对各国激烈角逐制网权的变局，“维护网络安全主权需创新主动、自适应的多层联动技术体系，构建以快打快、以智对智的积极防御屏障，突破“御攻击于外”的网络边防关键技术，形成以我为主的威胁感知和攻击预判能力”是该领域当前面临的重要挑战。

8. 水声工程

针对复杂多变的海洋环境开展水下网络化的声学观测，获取海洋水下声学环境规律及水下目标声学信息，以实时化的信息传输和大数据信息处理为手段，实现海洋水下信息自主掌控是该领域当前面临的重要挑战。

9. 电磁场与电磁环境效应

随着 5G、人工智能、物联网、大数据及其在高速通信、无人系统、工业互联网、先进能源、先进空天等领域的广泛应用，各类装备面临严峻的电磁安全问题。突破传统思维和方法束缚，建立电磁环境效应与防护新理论，发展新技术、新材料和新器件，提升我国信息电子及其应用的电磁环境适应性和电磁制衡能力是该领域当前面临的重要挑战。

10. 控制

“在智能制造、无人驾驶、深空深海等不确定复杂动态环境下，如何采用自动化与人工智能相融合的理论、技术和系统，针对重大装备、自主运动体和流程工业过程等机理不清及难以建立数学模型的被控对象，实现自主智能控制、人机协同优化决策、决策与控制一体化”是该领域当前面临的重要挑战。

11. 认知

脑认知与人工智能加速融合，在无人系统、类脑芯片、智能视觉等领域广泛应用。以脑认知机理为基础创新的人工智能技术是国际热点。“多尺度动态脑观测、针对记忆、情绪、视觉等认知功能的机理揭示和易泛化、鲁棒、低功耗的人工智能理论与模型的建立”是该领域当前面临的重要挑战。

12. 计算机系统与软件

随着人工智能应用的快速发展，数据爆炸式增长和计算模型日趋复杂，人们对计算力的需求呈高速增长态势。面对后摩尔时代的物理制约，计算系统的体系结构、系统硬件、系统软件、应用软件等多个环节面临着高效能、高可靠、低能耗、敏捷设计、智能化及应用多样性等重要挑战。智能计算已经成为传统产业转型和新兴产业融合发展的基础使能技术。

13. 计算机应用

随着人机融合、区块链、虚拟现实、数字孪生等为代表的计算机应用技术与各行各业融合程度的加深，支持各类工业设备、信息系统、业务流程、企业产品与服务、人员之间的互操作技术也愈加复杂。构建一个更高效、更适人、更智能的互操作技术体系是该领域当前面临的重要挑战。

14. 工业软件系统

软件运行固有的离散性和工业系统运行固有的连续性之间的适配成为操作系统和中间件等工业基础软件的首要难题，高稳定性三维几何引擎、工程分析仿真求解器、电子设计自动化等工业核心软件，以及大型高可信嵌入式工业软件和新型工业互联网系统软件是该领域当前面临的重要挑战。

15. 应对重大突发事件（属信息领域的部分）

“如何建立国家、省、市三级重大突发事件（比如新冠肺炎爆发等）信息化决策平台，集思广益，突破局限性，延伸到经济社会各领域；如何整合相关部门的数据资源，包括医疗卫生、公安、交通、建设、环保、教育、能源、民政、国企数据等，建设重大突发事件大数据平台；如何建立平战结合能支撑应急科研的计算环境和平台，用于新药、疫苗研发等”是应对重大突发事件、提升国家治理能力的重要挑战。

16. 新基建

以 5G、数据中心、工业互联网、物联网、人工智能等为代表的新型基础设施建设步伐加快，正在发挥战略性和先导性作用，支撑疫情期间及后期的经济社会高质量发展。随着建设速度的加快和规模不断扩大，新型基础设施在技术协同、大规模组网、应用模式创新、光电芯片和关键软件等核心技术支撑、网络安全、高可靠绿色化低成本、与各行业融合的垂直整合等是该领域当前面临的重要挑战。

中国工程院副院长陈左宁院士表示，信息科技作为关系国计民生的战略性、基础性、先导性行业，要走在前列，助力我国打造数字经济和信息治理“升级版”，特别要以数字基建为契机，加强协同融合和统筹发展，推动我国信息科技更好发挥在经济社会发展中的引擎与纽带作用。