這一年，科學(xué)高度不斷刷新

●存算一體架構(gòu)在手寫數(shù)字集上的識別準(zhǔn)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，飛行里程約3.6億公里，距離地球超過1億公里

●嫦娥五號經(jīng)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(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀(jì)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(lián)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。在這一年里，突如其來的新冠肺炎疫情打亂了人們生活與工作的節(jié)奏，而科學(xué)界奮斗的腳步卻不曾停歇，并在奮力拼搏的過程中越戰(zhàn)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(chuàng)造中國載人深潛新紀(jì)錄……這一年，科學(xué)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(xué)的高度不斷被刷新，一個更精彩的未來正展現(xiàn)在我們眼前。

“天琴一號”通過技術(shù)在軌驗證

每項技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于任務(wù)目標(biāo)

“天琴一號”衛(wèi)星是我國“天琴”引力波探測計劃的首顆技術(shù)驗證衛(wèi)星，其核心任務(wù)是驗證空間慣性基準(zhǔn)技術(shù)，這是空間引力波探測技術(shù)體系中的核心技術(shù)之一，包括高精度慣性傳感、微牛級連續(xù)可調(diào)微推進和無拖曳控制三大關(guān)鍵技術(shù)，以及高精度激光干涉測量技術(shù)、高穩(wěn)定度溫度控制技術(shù)和高精度質(zhì)心控制技術(shù)。

1月18日，中國航天科技集團五院502所傳來好消息，根據(jù)最新試驗結(jié)果分析，“天琴一號”衛(wèi)星已成功完成無拖曳控制飛行驗證。

據(jù)介紹，無拖曳控制是指抵消除引力外所有干擾衛(wèi)星的力，包括太陽光壓力、大氣阻力等，確保衛(wèi)星處于“超靜超穩(wěn)”狀態(tài)。無拖曳控制分為加速度模式與相對位移模式兩類。由于要時刻保證衛(wèi)星不受到除引力之外的力的干擾，無拖曳控制從模型建立、算法設(shè)計到衛(wèi)星平臺控制都面臨較大挑戰(zhàn)。

從飛行數(shù)據(jù)看，在加速度模式下，實施無拖曳控制后，“天琴一號”衛(wèi)星外部干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(yōu)于歐空局“GOCE”(重力場與穩(wěn)態(tài)海洋環(huán)流探測)衛(wèi)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(wèi)星無拖曳控制技術(shù)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(yīng)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(xué)家羅俊表示，經(jīng)過多方評估，“天琴一號”衛(wèi)星六大技術(shù)在軌驗證全部通過，每項技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于任務(wù)目標(biāo)。

多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)問世

打破算力瓶頸，滿足復(fù)雜任務(wù)的高需求

2月，清華大學(xué)微電子所、北京未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心教授錢鶴、吳華強團隊與合作者宣布，成功研發(fā)出全球首款多陣列憶阻器存算一體系統(tǒng)，其在處理卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時的能效比圖形處理器芯片高兩個數(shù)量級，在一定程度上突破了傳統(tǒng)計算框架的限制，大幅提升計算設(shè)備的算力，且比傳統(tǒng)芯片的功耗降低100倍。相關(guān)成果發(fā)表于《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(nèi)外的科研熱點。尋找合適的硬件，是提升算力的基礎(chǔ)之一。該團隊通過優(yōu)化材料和器件結(jié)構(gòu)，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(tǒng)識別準(zhǔn)確率下降問題，他們提出一種新型的混合訓(xùn)練算法，僅需用較少的圖像樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過微調(diào)最后一層網(wǎng)絡(luò)的部分權(quán)重，就可使存算一體架構(gòu)在手寫數(shù)字集上的識別準(zhǔn)確率達到96.19%。

同時，團隊還提出空間并行的機制，將相同卷積核編程到多組憶阻器陣列中，各組憶阻器陣列可并行處理不同的卷積輸入塊，提高并行度來加速卷積計算。在此基礎(chǔ)上，該團隊搭建了全硬件構(gòu)成的完整存算一體系統(tǒng)，在系統(tǒng)里集成了多個憶阻器陣列，并在該系統(tǒng)上高效運行了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，成功驗證了圖像識別功能，證明了存算一體架構(gòu)全硬件實現(xiàn)的可行性。

“基于憶阻器的新型存算一體架構(gòu)，可以打破算力瓶頸，滿足人工智能等復(fù)雜任務(wù)對計算硬件的高需求。”團隊成員、清華大學(xué)未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)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(xiàn)人體細胞數(shù)字化

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院郭國驥教授團隊用自主研發(fā)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(xué)家主要利用顯微鏡和流式分析等技術(shù)，依靠若干表型特征對自然界里不同物種的細胞進行分類和鑒定。單細胞測序技術(shù)的出現(xiàn)給這一傳統(tǒng)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(yǎng)樣品進行了高通量單細胞測序分析，系統(tǒng)性地繪制了跨越胚胎和成年兩個時期、涵蓋八大系統(tǒng)的人類細胞圖譜，建立了70多萬個單細胞的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫，鑒定了人體100余種細胞大類和800余種細胞亞類，開發(fā)了單細胞比對系統(tǒng)，并搭建了人類細胞藍圖網(wǎng)站。

郭國驥介紹，這項工作概括地說就是人體細胞數(shù)字化。用數(shù)字矩陣描述每一個細胞的特征，并對它們進行系統(tǒng)性分類。此外，還定義了許多以前未知的細胞種類，發(fā)現(xiàn)了一些特殊的表達模式。通過人類細胞圖譜，團隊發(fā)現(xiàn)，多種成人的上皮、內(nèi)皮和基質(zhì)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：干細胞和祖細胞的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)混雜且隨機，而分化和成熟細胞的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)就變得分明且穩(wěn)定，也就是說，細胞分化經(jīng)歷了一個從混亂到有序的發(fā)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(shù)據(jù)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(tài)的鑒定帶來深遠影響。在未來，臨床醫(yī)生有望通過參照正常的細胞來鑒別異常的細胞狀態(tài)和起源。

“天問一號”開啟火星探測新征程

一次完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測”三大目標(biāo)

7月23日，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發(fā)射場，用長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器，火箭成功將探測器送入預(yù)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。

國際上對于火星的探測，起步于20世紀(jì)60年代。截至2020年6月底，人類已對火星實施了40余次探測任務(wù)，其中成功24次。我國首次火星探測任務(wù)起步雖晚，但起點高、跨越大，從立項伊始就瞄準(zhǔn)當(dāng)前世界先進水平確定任務(wù)目標(biāo)，明確提出在國際上首次通過一次發(fā)射，完成“環(huán)繞、著陸、巡視探測”三大目標(biāo)。如果這一目標(biāo)能夠順利實現(xiàn)，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(shù)的國家。

據(jù)介紹，發(fā)射成功只是任務(wù)第一步，此次任務(wù)飛行過程包括發(fā)射、地火轉(zhuǎn)移、火星捕獲、火星停泊、離軌著陸和科學(xué)探測6個階段。相比于月球探測，火星探測任務(wù)的難度更大。由于火星相對地球距離較為遙遠，對發(fā)射、軌道、控制、通信和電源等技術(shù)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，飛行里程約3.6億公里，距離地球超過1億公里，距離火星約1200萬公里，飛行狀態(tài)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(fā)射場順利升空，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(wù)，也是我國航天領(lǐng)域迄今為止最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。12月17日，伴隨著嫦娥五號任務(wù)的圓滿成功，人類44年以來再次獲得月球樣品。這一任務(wù)開啟了在月球自動采樣并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(wù)的通俗解讀。事實上，嫦娥五號任務(wù)將重點實現(xiàn)三大工程目標(biāo)，一是要突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，提升我國航天技術(shù)水平;二是要實現(xiàn)首次地外天體自動采樣返回，推進我國科學(xué)技術(shù)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才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。此外還將開展一系列科學(xué)探測，如著陸區(qū)的現(xiàn)場調(diào)查和分析，月球樣品的分析與研究等。

整個任務(wù)嫦娥五號經(jīng)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(wù)的順利完成，實現(xiàn)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(shù)的一次重大跨越，為我們進一步認識月球提供了重要支撐。

“奮斗者”號順利返航

創(chuàng)造中國載人深潛新紀(jì)錄

11月10日，“奮斗者”號創(chuàng)造了10909米的中國載人深潛新紀(jì)錄，于11月28日順利返航。這標(biāo)志著我國具有進入世界海洋最深處開展科學(xué)探索和研究的能力，體現(xiàn)了我國在海洋高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實力。

已知的海洋最深處——西太平洋馬里亞納海溝是板塊俯沖地帶，地質(zhì)運動活躍、水壓高、溫度低、完全黑暗，被稱為“地球第四極”。包括探測馬里亞納海溝在內(nèi)的深淵科學(xué)研究，有助于科學(xué)家了解海底生物、礦藏、海山火山巖的物質(zhì)組成和成因，以及深海海溝在調(diào)節(jié)氣候方面的作用。

“奮斗者”號是我國自主設(shè)計、集成的萬米載人潛水器。其成功研制，顯著提升了我國載人深潛技術(shù)裝備能力和自主創(chuàng)新水平，為我國探索深海科學(xué)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(wù)中，海試隊員克服臺風(fēng)、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(lián)合作業(yè)。海試過程中獲取了一批沉積物、巖石和海底生物樣品。

“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(shù)上的突破，標(biāo)志著我國進入深海科考第一梯隊，將為我國后續(xù)深淵深海科學(xué)研究提供強有力的技術(shù)支撐。

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(huán)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(xiàn)象、流體不穩(wěn)定性、約束湍流等前沿研究具有重大意義，標(biāo)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)的重要支撐，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(zhì)量轉(zhuǎn)化為超強能量，這和太陽發(fā)光發(fā)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(nèi)，達到反應(yīng)條件。目前全球在共同探索其實現(xiàn)方法，建造模擬實驗平臺。HL—2M是我國自主知識產(chǎn)權(quán)、規(guī)模最大、參數(shù)最高的“人造太陽”。

“放電是為了使HL-2M真空室內(nèi)的氣體變成等離子體態(tài)，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(biāo)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(dāng)于太陽芯部溫度的近10倍。等離子體只有被加熱到了1億攝氏度以上才可能實現(xiàn)可控核聚變。”相關(guān)研究人員表示。

國際熱核聚變實驗堆計劃是當(dāng)今世界規(guī)模最大、影響最深遠的國際大科學(xué)工程，我國于2006年正式簽約加入該計劃。法國、日本、美國、英國等多國科學(xué)家持續(xù)多年在成都進行聯(lián)合研究，并設(shè)立“中法聯(lián)合實驗周”，推動了全球相關(guān)科研進展。

量子計算原型機“九章”獲重大突破

一分鐘完成經(jīng)典超級計算機一億年任務(wù)量

12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布，該校潘建偉、陸朝陽等學(xué)者研制的76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數(shù)學(xué)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(guān)論文在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。《科學(xué)》雜志審稿人評價，這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。

據(jù)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(jì)念中國古代數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。量子計算機具有超快并行計算能力，它通過特定算法在一些重大問題方面實現(xiàn)指數(shù)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，可用于編碼和求解多種問題。其計算難度呈指數(shù)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’在一分鐘時間里完成了經(jīng)典超級計算機一億年才能完成的任務(wù)。”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(yīng)用仍有漫漫長路，但已成功實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”的里程碑式突破。

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(lián)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并完成峰頂測量任務(wù)，2020珠峰“測身高”外業(yè)作業(yè)圓滿收官。

據(jù)了解，此次珠峰“測身高”創(chuàng)下了多個第一。峰頂全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)測量首次依托中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);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分鐘，其間還開展了峰頂雪深和氣象等測量，創(chuàng)造了中國人在珠峰峰頂停留時長新紀(jì)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，珠峰高程就是峰頂巖面相對于黃海平均海平面的高差。

據(jù)介紹，本次珠峰的高程測量是分段進行的，從位于西藏拉孜的基準(zhǔn)點開始到珠峰腳下的前半程采用水準(zhǔn)測量法，每隔幾十米豎立一個標(biāo)桿，通過水準(zhǔn)儀測出高差，一站一站地將高差累加起來。當(dāng)精確高程傳遞至6個峰頂交會點后，則利用珠峰之巔豎立的測量覘標(biāo)，采用三角高程交會測量法測出峰頂相對于這幾個點的高程差。最后，通過進行重力、大氣等多方面的改正計算，確定珠峰高程。

除了水準(zhǔn)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(wèi)星遙感、似大地水準(zhǔn)面精化等多種傳統(tǒng)和現(xiàn)代測量技術(shù)，讓珠峰的“身高”更加精準(zhǔn)。(記者 付麗麗)

關(guān)鍵詞： 科學(xué)高度