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這一年,科學高度不斷刷新
2020-12-25 08:19:56 來源:科技日報  作者:
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  ●存算一體架構在手寫數字集上的識別准確率達到96.19%

  ●截至12月14日21時,『天問一號』探測器已在軌飛行144天,飛行裡程約3.6億公裡,距離地球超過1億公裡

  ●嫦娥五號經歷了11個階段、23天的在軌工作,采集了約1731克月球樣品返回地球

  ●『奮斗者』號創造了10909米的中國載人深潛新紀錄

  ●計算『高斯玻色取樣』問題,處理100億個樣本,『九章』只需10小時,超級計算機則需要1200億年

  ●中國和尼泊爾聯合公布珠峰『新身高』——8848.86米

  即將過去的2020年,是極不平凡的一年。在這一年裡,突如其來的新冠肺炎疫情打亂了人們生活與工作的節奏,而科學界奮斗的腳步卻不曾停歇,並在奮力拼搏的過程中越戰越勇。

  『天問一號』開啟人類探測火星的新旅程,嫦娥五號帶回來自月球的饋贈,『奮斗者』號創造中國載人深潛新紀錄……這一年,科學家們在上下求索的過程中點亮更廣闊的世界,在追逐真理的道路上打開更嶄新的天地。滄海橫流顯砥柱,隨著科學的高度不斷被刷新,一個更精彩的未來正展現在我們眼前。

   『天琴一號』通過技術在軌驗證

  每項技術指標均優於任務目標

  『天琴一號』衛星是我國『天琴』引力波探測計劃的首顆技術驗證衛星,其核心任務是驗證空間慣性基准技術,這是空間引力波探測技術體系中的核心技術之一,包括高精度慣性傳感、微牛級連續可調微推進和無拖曳控制三大關鍵技術,以及高精度激光乾涉測量技術、高穩定度溫度控制技術和高精度質心控制技術。

  1月18日,中國航天科技集團五院502所傳來好消息,根據最新試驗結果分析,『天琴一號』衛星已成功完成無拖曳控制飛行驗證。

  據介紹,無拖曳控制是指抵消除引力外所有乾擾衛星的力,包括太陽光壓力、大氣阻力等,確保衛星處於『超靜超穩』狀態。無拖曳控制分為加速度模式與相對位移模式兩類。由於要時刻保證衛星不受到除引力之外的力的乾擾,無拖曳控制從模型建立、算法設計到衛星平臺控制都面臨較大挑戰。

  從飛行數據看,在加速度模式下,實施無拖曳控制後,『天琴一號』衛星外部乾擾力對加速度的影響降到了重力加速度的四億分之一以下,優於歐空局『GOCE』(重力場與穩態海洋環流探測)衛星的三億分之一,比打哈欠給人帶來的加速度還要小得多。『天琴一號』衛星無拖曳控制技術在軌成功驗證,表明我國向空間引力波探測邁出了堅實一步,但距離真正的引力波探測應用還有一定距離。

  5月21日,我國空間引力波探測『天琴計劃』首席科學家羅俊表示,經過多方評估,『天琴一號』衛星六大技術在軌驗證全部通過,每項技術指標均優於任務目標。

  多陣列憶阻器存算一體系統問世

  打破算力瓶頸,滿足復雜任務的高需求

  2月,清華大學微電子所、北京未來芯片技術高精尖創新中心教授錢鶴、吳華強團隊與合作者宣布,成功研發出全球首款多陣列憶阻器存算一體系統,其在處理卷積神經網絡時的能效比圖形處理器芯片高兩個數量級,在一定程度上突破了傳統計算框架的限制,大幅提昇計算設備的算力,且比傳統芯片的功耗降低100倍。相關成果發表於《自然》雜志上。

  如何用計算存儲一體化突破AI算力瓶頸,是近年來國內外的科研熱點。尋找合適的硬件,是提昇算力的基礎之一。該團隊通過優化材料和器件結構,成功制備出高性能憶阻器陣列。為解決器件非理想特性造成的系統識別准確率下降問題,他們提出一種新型的混合訓練算法,僅需用較少的圖像樣本訓練神經網絡,並通過微調最後一層網絡的部分權重,就可使存算一體架構在手寫數字集上的識別准確率達到96.19%。

  同時,團隊還提出空間並行的機制,將相同卷積核編程到多組憶阻器陣列中,各組憶阻器陣列可並行處理不同的卷積輸入塊,提高並行度來加速卷積計算。在此基礎上,該團隊搭建了全硬件構成的完整存算一體系統,在系統裡集成了多個憶阻器陣列,並在該系統上高效運行了卷積神經網絡算法,成功驗證了圖像識別功能,證明了存算一體架構全硬件實現的可行性。

  『基於憶阻器的新型存算一體架構,可以打破算力瓶頸,滿足人工智能等復雜任務對計算硬件的高需求。』團隊成員、清華大學未來芯片技術高精尖創新中心教授吳華強說。

  世界首個人類細胞圖譜繪制成功

  實現人體細胞數字化

  浙江大學醫學院郭國驥教授團隊用自主研發的分析平臺,繪制出人類首個細胞圖譜。3月26日,國際頂級期刊《自然》在線刊登了這項研究成果。

  細胞是生命的基本單位。在過去,科學家主要利用顯微鏡和流式分析等技術,依靠若乾表型特征對自然界裡不同物種的細胞進行分類和鑒定。單細胞測序技術的出現給這一傳統的細胞認知體系帶來了革命性的變化。

  研究團隊對60種人體組織樣品和7種細胞培養樣品進行了高通量單細胞測序分析,系統性地繪制了跨越胚胎和成年兩個時期、涵蓋八大系統的人類細胞圖譜,建立了70多萬個單細胞的轉錄組數據庫,鑒定了人體100餘種細胞大類和800餘種細胞亞類,開發了單細胞比對系統,並搭建了人類細胞藍圖網站。

  郭國驥介紹,這項工作概括地說就是人體細胞數字化。用數字矩陣描述每一個細胞的特征,並對它們進行系統性分類。此外,還定義了許多以前未知的細胞種類,發現了一些特殊的表達模式。通過人類細胞圖譜,團隊發現,多種成人的上皮、內皮和基質細胞也在組織中扮演著免疫細胞的角色。

  此外,通過跨時期、跨組織的細胞圖譜分析,團隊揭示了一個普適性的哺乳動物細胞命運決定機制:乾細胞和祖細胞的轉錄狀態混雜且隨機,而分化和成熟細胞的轉錄狀態就變得分明且穩定,也就是說,細胞分化經歷了一個從混亂到有序的發展過程。

  該研究首次從單細胞水平上全面分析了胚胎和成年時期的人體細胞種類,研究數據將成為探索細胞命運決定機制的資源寶庫,也將對人體正常與疾病細胞狀態的鑒定帶來深遠影響。在未來,臨床醫生有望通過參照正常的細胞來鑒別異常的細胞狀態和起源。

  『天問一號』開啟火星探測新征程

  一次完成『環繞、著陸、巡視探測』三大目標

  7月23日,我國在海南島東北海岸中國文昌航天發射場,用長征五號遙四運載火箭成功發射首次火星探測任務『天問一號』探測器,火箭成功將探測器送入預定軌道,開啟火星探測之旅,邁出了我國自主開展行星探測的第一步。

  國際上對於火星的探測,起步於20世紀60年代。截至2020年6月底,人類已對火星實施了40餘次探測任務,其中成功24次。我國首次火星探測任務起步雖晚,但起點高、跨越大,從立項伊始就瞄准當前世界先進水平確定任務目標,明確提出在國際上首次通過一次發射,完成『環繞、著陸、巡視探測』三大目標。如果這一目標能夠順利實現,我國將成為世界上第二個獨立掌握火星著陸巡視探測技術的國家。

  據介紹,發射成功只是任務第一步,此次任務飛行過程包括發射、地火轉移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學探測6個階段。相比於月球探測,火星探測任務的難度更大。由於火星相對地球距離較為遙遠,對發射、軌道、控制、通信和電源等技術都提出了很高的要求。

  截至12月14日21時,『天問一號』探測器已在軌飛行144天,飛行裡程約3.6億公裡,距離地球超過1億公裡,距離火星約1200萬公裡,飛行狀態良好。

  嫦娥五號去月球『挖土』

  書寫人類探月新篇章

  11月24日,中國探月工程嫦娥五號探測器在文昌航天發射場順利昇空,開啟中國首次地外天體采樣返回之旅。這是探月工程的第六次任務,也是我國航天領域迄今為止最復雜、難度最大的任務之一。12月17日,伴隨著嫦娥五號任務的圓滿成功,人類44年以來再次獲得月球樣品。這一任務開啟了在月球自動采樣並將樣品帶回地球的新篇章,對增加人類對月球歷史的了解具有『革命性』意義。

  去月球『挖土』,是很多人對嫦娥五號任務的通俗解讀。事實上,嫦娥五號任務將重點實現三大工程目標,一是要突破一系列關鍵技術,提昇我國航天技術水平;二是要實現首次地外天體自動采樣返回,推進我國科學技術重大跨越;三是要完善探月工程體系,為載人登月和深空探測奠定一定的人纔、技術和物質基礎。此外還將開展一系列科學探測,如著陸區的現場調查和分析,月球樣品的分析與研究等。

  整個任務嫦娥五號經歷了11個階段、23天的在軌工作,采集了約1731克月球樣品返回地球。

  專家表示,嫦娥五號任務的順利完成,實現了中國航天史上5個『首次』:一是地外天體的采樣與封裝,二是地外天體的起飛,三是月球軌道交會對接,四是攜帶樣品高速地球再入,五是樣品的存儲、分析和研究。這是我國航天技術的一次重大跨越,為我們進一步認識月球提供了重要支橕。

   『奮斗者』號順利返航

  創造中國載人深潛新紀錄

  11月10日,『奮斗者』號創造了10909米的中國載人深潛新紀錄,於11月28日順利返航。這標志著我國具有進入世界海洋最深處開展科學探索和研究的能力,體現了我國在海洋高技術領域的綜合實力。

  已知的海洋最深處——西太平洋馬裡亞納海溝是板塊俯衝地帶,地質運動活躍、水壓高、溫度低、完全黑暗,被稱為『地球第四極』。包括探測馬裡亞納海溝在內的深淵科學研究,有助於科學家了解海底生物、礦藏、海山火山岩的物質組成和成因,以及深海海溝在調節氣候方面的作用。

  『奮斗者』號是我國自主設計、集成的萬米載人潛水器。其成功研制,顯著提昇了我國載人深潛技術裝備能力和自主創新水平,為我國探索深海科學奧秘、保護和合理利用海洋資源提供了又一利器。第二階段萬米海試任務中,海試隊員克服臺風、多雨、高溫、高海況等困難,進行了多項驗收試驗,還開展了深海視頻著陸器『滄海』號和『奮斗者』號的聯合作業。海試過程中獲取了一批沈積物、岩石和海底生物樣品。

  『奮斗者』號的成功海試,充分驗證了潛水器各項功能、性能以及我國在深海裝備和深海技術上的突破,標志著我國進入深海科考第一梯隊,將為我國後續深淵深海科學研究提供強有力的技術支橕。

  人造太陽開始放電

  加快人類探索未來能源的步伐

  12月4日,我國新一代可控核聚變研究裝置『中國環流器二號M』(HL—2M)在成都正式建成放電,對超高溫等離子體的磁現象、流體不穩定性、約束湍流等前沿研究具有重大意義,標志著我國正式跨入全球可控核聚變研究前列。它也是國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)的重要支橕,將進一步加快人類探索未來能源的步伐。

  核聚變由氘、氚離子聚合成氦,聚合中損失的質量轉化為超強能量,這和太陽發光發熱原理相同,所以可控核聚變研究裝置又被稱為『人造太陽』。可控核聚變需要超高溫、超高密度等條件,多采用先進托卡馬克裝置,通過超強磁場將1億攝氏度的等離子體約束在真空室內,達到反應條件。目前全球在共同探索其實現方法,建造模擬實驗平臺。HL—2M是我國自主知識產權、規模最大、參數最高的『人造太陽』。

  『放電是為了使HL-2M真空室內的氣體變成等離子體態,我們科研人員將在這個裝置上進行不同種類的放電,最終目標是讓足夠多的等離子體被加熱到1億攝氏度以上。我們太陽芯部溫度是1500萬到2000萬攝氏度,這相當於太陽芯部溫度的近10倍。等離子體只有被加熱到了1億攝氏度以上纔可能實現可控核聚變。』相關研究人員表示。

  國際熱核聚變實驗堆計劃是當今世界規模最大、影響最深遠的國際大科學工程,我國於2006年正式簽約加入該計劃。法國、日本、美國、英國等多國科學家持續多年在成都進行聯合研究,並設立『中法聯合實驗周』,推動了全球相關科研進展。

  量子計算原型機『九章』獲重大突破

  一分鍾完成經典超級計算機一億年任務量

  12月4日,中國科學技術大學宣布,該校潘建偉、陸朝陽等學者研制的76個光子的量子計算原型機『九章』,求解數學算法『高斯玻色取樣』,處理5000萬個樣本只需200秒,而目前世界最快的超級計算機進行相同操作要用6億年。相關論文在線發表在國際學術期刊《科學》上。《科學》雜志審稿人評價,這是『一個最先進的實驗』『一個重大成就』。

  據潘建偉團隊介紹,之所以將這臺量子計算機命名為『九章』,是為了紀念中國古代數學專著《九章算術》。量子計算機具有超快並行計算能力,它通過特定算法在一些重大問題方面實現指數級別的加速。『九章』解決的『高斯玻色取樣』問題就是其中一種。

  『高斯玻色取樣』是一個計算概率分布的算法,可用於編碼和求解多種問題。其計算難度呈指數增長,很容易超出目前超級計算機的計算能力,適合量子計算機來探索解決。

  『九章』的算力究竟有多強?在室溫條件下運行(除光子探測部分需4K低溫),計算『高斯玻色取樣』問題,處理100億個樣本,『九章』只需10小時,超級計算機則需要1200億年——而宇宙誕生至今不過約137億年。

  『「九章」在一分鍾時間裡完成了經典超級計算機一億年纔能完成的任務。』研究人員介紹。不得不說,其推動全球量子計算的前沿研究達到了一個新高度。盡管距離實際應用仍有漫漫長路,但已成功實現了『量子計算優越性』的裡程碑式突破。

  珠峰有了『新身高』

  采用『空天地一體化』全覆蓋測量

  12月8日,中國和尼泊爾聯合公布珠峰『新身高』——8848.86米。

  此前,5月27日,珠峰高程測量登山隊8名攻頂隊員從北坡登上珠穆朗瑪峰並完成峰頂測量任務,2020珠峰『測身高』外業作業圓滿收官。

  據了解,此次珠峰『測身高』創下了多個第一。峰頂全球導航衛星系統(GNSS)測量首次依托中國自主研發的北斗衛星導航系統;人類首次在珠峰峰頂開展重力測量,提高珠峰高程精度;隊員在峰頂停留了150分鍾,其間還開展了峰頂雪深和氣象等測量,創造了中國人在珠峰峰頂停留時長新紀錄。

  專家介紹,所謂高程,指的是某點沿鉛垂線方向到絕對基面的距離。測量高程,首先要確定一個『原點』。我國法定的高程起算面是黃海平均海平面,珠峰高程就是峰頂岩面相對於黃海平均海平面的高差。

  據介紹,本次珠峰的高程測量是分段進行的,從位於西藏拉孜的基准點開始到珠峰腳下的前半程采用水准測量法,每隔幾十米豎立一個標杆,通過水准儀測出高差,一站一站地將高差累加起來。當精確高程傳遞至6個峰頂交會點後,則利用珠峰之巔豎立的測量覘標,采用三角高程交會測量法測出峰頂相對於這幾個點的高程差。最後,通過進行重力、大氣等多方面的改正計算,確定珠峰高程。

  除了水准測量法和三角高程交會測量法這些基本方法外,本次珠峰『測身高』可以說是『空天地一體化』全覆蓋測量,綜合運用GNSS測量、雪深雷達測量、重力測量、衛星遙感、似大地水准面精化等多種傳統和現代測量技術,讓珠峰的『身高』更加精准。(付麗麗)

責任編輯:楊金光
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