世界军事电子技术发展动态

2019-11-15 09:58:05 caoyu 110

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一、雷达技术 

二、用通信技术 

三、用计算机技术 

四、络空间技术 

五、光电子技术 

六、电子技术 

七、量子信息技术 

八、MEMS技术 

九、电子材料技术 

十、新能源技术 


 

 

世界军事电子技术发展动态

 

一、雷达技术

隐身飞机、新型导弹、高超声速飞行器等威胁目标的发展和电磁干扰环境的日益复杂,对雷达性能提出了更高的要求,促进了雷达新技术的发展。2018年,世界各国在合成孔径雷达卫星、防空雷达、激光雷达等领域取得了较大进展。同时,积极利用现有技术对老旧装备更新换代。此外,还在微波光子雷达、软件定义雷达、太赫兹雷达、量子雷达、多功能射频一体化等雷达新技术领域开展探索与研发工作。

(一)发展高分辨率、精确识别能力的合成孔径雷达卫星技术

1.全球首颗微型合成孔径雷达卫星成功传回首幅地面图像

2018年1月12日,芬兰ICEYE公司于印度萨迪什·达万航天中心发射ICEYE-X1合成孔径雷达卫星。该卫星旨在及时获取可靠的地球观测数据。1月17日,该公司发布了由ICEYE-X1雷达卫星获得的第一幅雷达图像。

合成孔径雷达依靠自身发射无线电波,通过雷达接收到的回波信号重构出测绘区域图像,有效解决了传统的光学相机由于云层覆盖等原因无法对地表某些区域成像的问题。ICEYE-X1合成孔径雷达卫星是芬兰ICEYE公司的第一个微型合成孔径雷达卫星项目。该卫星总线与雷达系统均由芬兰ICEYE公司自主研发并集成,在卫星尺寸和造价上取得了巨大进步。与传统的合成孔径卫星对比,ICEYE-X1雷达卫星质量仅为70千克,是全球首个质量低于100千克的合成孔径雷达卫星,单价下降到数百万欧元。同时,由于卫星价格低廉、体积重量较轻,可以一次发射数十到上百颗微型卫星围绕地球,当一颗卫星损坏时,可以由其他卫星补充,不影响观测效果。

2.西班牙成功发射首颗合成孔径雷达卫星

2月22日,空客公司研制的PAZ雷达卫星于美国加利福尼亚的范登堡空军基地发射成功,进入距地球514千米的轨道。PAZ卫星搭载的先进有源合成孔径雷达,可提供灵活的反应能力,适应不同覆盖范围与分辨率的多种拍摄需求,全天候、全天时地采集影像。在完成为期5天的初期调试后,卫星移交给西班牙国家航天航空技术研究所(INTA)的地面控制中心。

PAZ是西班牙首个合成孔径雷达卫星,初始投资为1.6亿欧元,设计寿命为5年半,可同时为西班牙政府及商业应用服务。同时,该星与TerraSAR-X和TanDEM-X卫星组成了重访时间更短、获取能力更强的极高分辨率星座。此外,PAZ卫星采集的数据也将为欧盟“哥白尼”地球监测计划提供支持。

(二)探索应对新型威胁目标的新型防空预警雷达技术

1.俄罗斯3部“沃罗涅日”型雷达进入作战值班

2017年12月,俄罗斯联邦武装部队3部“沃罗涅日”型雷达同时进入作战值班状态,分别部署在克拉斯诺亚尔斯克边疆区的叶宁塞斯克、阿尔泰边疆区的巴尔瑙尔,以及奥伦堡州的奥尔斯克,分别覆盖东北方向、东南方向,以及从塔克拉玛干沙漠至里海沿岸部分区域。

在完成这3部雷达的部署工作后,当前俄罗斯已组建成由7部新一代雷达组成的雷达网。其中,部署在列宁格勒、加里宁格勒、伊尔库茨克、克拉斯诺达尔地区的4部雷达已经进入作战状态,雷达网可以对导弹发射区域提供持续监视。俄罗斯国防部长谢尔盖在国防部年终董事会会议上宣称,俄罗斯已建立了历史以来首次可实现全范围覆盖的雷达预警探测网。

同传统预警雷达相比,“沃罗涅日”系列雷达具有比较明显的优势,主要包括:①研制成本大幅降低。“沃罗涅日”雷达单价为1.17亿美元,而“第聂伯”和“达里亚尔”雷达分别是2.01亿美元和8.13亿美元。②设备数量明显减少。“达里亚尔”“第聂伯”“沃罗涅日”等三种型号雷达站部署的技术设备数量分别为4070台、180台和30台;而且,与以往雷达不同,“沃罗涅日”雷达采用风冷,无须发射器冷却用的蒸馏水制备厂。③建造时间大幅缩短。“沃罗涅日”雷达建造时间为1.5~2年,而“第聂伯”和“达里亚尔”雷达分别是5~6年和8~9年。④功耗明显降低。“沃罗涅日”雷达功耗为0.7兆瓦,而“第聂伯”和“达里亚尔”雷达分别是2兆瓦和50兆瓦。⑤操作人员大幅减少。“沃罗涅日”雷达的操作人员编制为15~18人,而“第聂伯”和“达里亚尔”雷达的人员编制分别是39人和80~100人。此外,“沃罗涅日”雷达采用固定式安装方式,虽然具有一定阵地重新部署能力,但其体积庞大,目标明显且无机动能力,易遭敌方的远程精确打击。

2.德国亨索尔特公司推出TRML-4D防空雷达

6月24日,德国亨索尔特公司发布了新款TRS-4D有源相控阵雷达的陆基版本。该雷达被命名为TRML-4D,具有氮化镓全固态发射器、软件定义有源相控阵系统。雷达工作频段在C波段(北大西洋公约组织为G波段)。与S波段雷达系统相比,C波段雷达系统具有更高精度。系统拥有较高精度,可增加包括雷达、指挥控制系统和操纵系统在内的整体系统对威胁目标防御的可能性。

TRML-4D雷达可探测雷达散射截面积为0.01平方米的目标,最大作用距离为250千米,最小作用距离为100米。该雷达的“提示跟踪”功能能够在相控阵天线的一次旋转中确定跟踪目标,并在天线完成旋转后通过“回看”功能进一步获得目标跟踪信息。当天线第二次旋转时,可以第三次获取目标信息,以提高目标的跟踪稳定性。该功能对于防御弹出式目标很有用。它可以最少的扫描次数,完成较高的跟踪速率刷新,增加了武器系统反应的时间。

3.以色列航空航天公司推出三坐标防空雷达

6月28日,以色列埃尔塔公司在欧洲展览会上推出了ELM-2138M“绿岩”防空雷达,该雷达采用四个有源相控阵实现360°的全空域覆盖,在运动中也具备对空监视能力,将改变未来的战术防空和部队安全防卫的方式。

ELM-2138M绿岩防空雷达体积小巧,可以安装在一辆悍马车上,多个相控阵天线使雷达无须旋转,便可实时对空中目标进行监视,探测运输飞机、高速战斗机、直升机、滑翔炸弹或无人机等空中目标,也可进行火箭弹、炮弹和迫击炮的探测,并实时准确地给出敌方火力的发射和弹着点信息。

该雷达采用相控阵脉冲多普勒技术,工作模式为多目标边跟踪边扫描,对极小目标探测距离可达10千米,方位覆盖范围为360°,俯仰为90°,具有高精度的发射/弹着点测量能力,只需3秒便能探测敌方发射的迫击炮,10秒完成弹着点的计算并进行信息分发,从而引导和疏散己方作战人员远离火炮的威力区,将己方人员的伤亡率降到最低。

4.俄罗斯先进机动式三坐标雷达在伏尔加区域服役

6月,俄罗斯中部军区发言人称,俄罗斯第五代Protivnik-GE机动性三坐标防空雷达已开始在萨马拉防空兵团服役。

Protivnik-GE雷达是伏尔加区域服役的首部机动式防空雷达。该雷达是高机动性、抗干扰分米波防空雷达,采用数字相控阵和数字空间信号处理技术,执行自动或半自动探测、定位和跟踪战略与战术飞机、巡航导弹、弹道目标和小型低速飞行器。该雷达还可以对目标进行分类、敌我识别、定位有源干扰器。当雷达作为自动防空与空军指挥控制系统的一部分时,可为战斗机指挥生成雷达数据,并为地对空导弹系统提供数据。

5.DRS公司为美国海军提供额外5部AN/SPQ-9B导弹防御雷达系统

7月,美国海军与莱昂纳多DRS公司签署价值1910万美元的订单,用于采购额外5部AN/SPQ-9B雷达系统及相关组件。2018年4月,莱昂纳多DRS公司取代诺斯罗普·格鲁曼公司成为美国海军AN/SPQ-9B雷达的承包商,并获得了初始价值6429万美元的合同,用以为美国和日本建造59部SPQ-9B雷达。AN/SPQ-9B是X波段脉冲多普勒频率捷变雷达,采用背接平板裂缝天线,主要用于低空补盲和对空中及水面目标的探测,具有与宙斯盾武器作战系统、MK 34火炮武器系统、MK 48火炮武器系统、协同作战能力系统的数字接口,可与舰载武器相连接,以帮助美国海军水面舰艇不受敌方反舰导弹的攻击。此次,增购合同将于2025年1月完成交付。

(三)探索扩展激光雷达的军事应用领域

1.俄罗斯推出首架可搭载激光雷达的无人机

7月,俄罗斯卡拉什尼科夫综合防御体下属Zala公司首次将激光雷达部署在无人机上,可更好地进行基础设施和地形勘察。激光雷达具备更好的态势感知和更快的数据收集能力,将激光雷达系统应用在无人机上,可获得现有地面或载人飞机技术所无法达到的侦察能力。塔斯社报道称,部署在Zala公司无人机上的激光雷达可更好地进行基础设施和地形勘察,这种方式是现有地面或载人飞机技术所无法提供的。激光雷达是具备更好的态势感知和更快的数据收集能力的关键要素。

2.美国海军将装备机载激光探雷系统

7月23日,美国海军MH-60S“海鹰”直升机搭载机载激光探雷系统(ALMDS),在演习期间扫描并探测到水下类似水雷的目标。ALMDS系统采用大功率固体蓝绿激光器发射激光脉冲,并在一定的高度以相应的速度飞行。直升机下方的摄像机接收到水中的反射,经计算机快速处理后生成水雷的形状、尺寸和位置图像,可显示在直升机的控制台上,并提供摧毁水雷的选项。该系统没有使用机械化或拖曳式水雷探测系统,而是扩展了探雷的区域,使得近海战斗舰具有更安全的操作范围。

(四)利用先进氮化镓及有源相控阵技术换装及研发雷达

1.洛克希德·马丁公司对引入氮化镓雷达的“陆基宙斯盾”系统开展测试

1月,洛克希德·马丁公司将“陆基宙斯盾”(Aegis Ashore)与“远程识别雷达”(Long-Range Discrimination Radar,LRDR)相连,演示验证了系统的性能、效率和可靠性等。该测试表明,当前或未来“宙斯盾”系统版本可控制洛克希德·马丁公司的固态雷达,并接收目标跟踪数据。

“远程识别雷达”基于氮化镓可扩展雷达组件,性能优异,将其引入“宙斯盾”系统,可获得多项技术优势,扩大态势感知范围,缩短预警时间。同时,引入“远程识别雷达”也将是对原AN/SPY-1雷达的低风险技术升级。升级后,多项系统性能将有所提高,包括:扩大探测距离,增大可同时处理的目标数量,提高目标拦截概率,提高对复杂陆地环境的抗干扰能力,减小对民用或军用无线电发射机和接收机的干扰,充分发挥新型“标准”-3 Block ⅡA导弹性能。

2.首部陆基氮化镓AN/TPS-80雷达交付

7月26日,诺斯罗普·格鲁曼公司交付了第一部AN/TPS-80地面/空中任务导向雷达。雷达采用先进的高功率、高效的氮化镓天线技术,进一步提高系统的作战能力。该系统是提前交付的,也是第七部低速率初始生产的雷达系统。地面/空中任务导向雷达的后续低速率初始生产阶段和全速率生产系统阶段都将全部采用氮化镓技术,按照计划全速率生产阶段将于2019年初开始。美国海军陆战队是第一个接收融合先进氮化镓技术的地面多任务有源相控阵雷达。

地面/空中任务导向雷达是先进的有源相控阵多任务雷达,可提供全面实时360°的态势感知能力,能应对包括固定翼飞机、直升机、巡航导弹、无人自主系统、火箭、火炮和迫击炮在内的各种威胁目标。同时,它可在全球迅速部署,以满足美国海军陆战队的作战需要。利用最新的网络和数字波束形成技术,雷达能够执行多种作战任务,与美国海军陆战队现有雷达相比,它显著降低了系统操作和维护成本。

3.诺斯罗普·格鲁曼公司为F/A-18C战斗机换装AN/APG-83有源相控阵雷达

8月13日,诺斯罗普·格鲁曼公司宣布已成功在海军陆战队的F/A-18C“大黄蜂”战斗机上安装了生产型AN/APG-83“可扩展敏捷波束雷达”。

AN/APG-83是F/A-18C/D战斗机雷达换装的一种低风险选择,可以与F/A-18C/D飞机既有的供电、冷却和航电系统集成,并满足美国海军陆战队对F/A-18C/D飞机尺寸、重量、供电和冷却的要求。

美国海军陆战队计划将大约100架F/A-18C/D飞机的机械扫描雷达换装为有源相控阵雷达。目前,雷声公司也计划利用其“雷声先进作战雷达”(RACR)等竞争美国海军陆战队F/A-18C/D飞机换装有源相控阵雷达的合同。

4.AN/TPQ-53雷达引入氮化镓器件

10月8日,美国陆军与洛克希德·马丁公司签订修改合同,为AN/TPQ-53雷达升级氮化镓组件。AN/TPQ-53雷达可快速部署在一辆5吨重的卡车上,自动调平,然后由远程操作或带有笔记本电脑的指挥车辆指挥执行任务,具有360°或90°两种工作模式,可探测、识别、跟踪和锁定目标位置,能够应对未来飞机、无人机和其他威胁目标。升级氮化镓组件将为雷达系统提升功率,提高目标探测距离,增加探测远程反火力目标等能力,并增强系统可靠性、降低生命周期成本。

5.澳大利亚CEA公司推出陆基双波段CEATAC雷达

9月4日,澳大利亚CEA技术公司展示了首款基于舰载有源电子扫描阵列(AESA)技术的陆基雷达原型——CEA战术雷达。该雷达是专为澳大利亚棘蛇轻型装甲车所设计研发的。该雷达基于舰载CEAFAR雷达的技术基础,并更新换代了氮化镓组件。

6.远程识别雷达实现关键技术里程碑

10月17日,洛克希德·马丁公司远程识别雷达(LRDR)完成技术里程碑,实现了闭环模式卫星跟踪,降低了2020年按时交付美国导弹防御局的风险。

洛克希德·马丁公司利用产品硬件、战术后端处理设备、战术软件,在作战环境中成功演示了雷达系统的性能。雷达系统在作战环境下被执行一系列测试,其中包括闭环卫星轨道,演示验证了该项目的重大成熟度,这为2019年初开始的系统全速率生产奠定了基础。

远程识别雷达使用可扩展、模块化、氮化镓的雷达结构单元,除了具备先进的性能外,系统还提供了更高的效率和可靠性,以适应国土防御任务和不断变化的威胁环境。

(五)开展前沿新型雷达技术研发

1.美国休斯研究实验室研发出太赫兹雷达编码孔径副反射面阵列

1月,休斯研究实验室在DARPA“成像雷达先进扫描技术”(ASTIR)项目支持下开发出一种新型高分辨率、低功耗雷达天线阵列(编码孔径副反射面阵列CASA),可用于太赫兹雷达,探测隐藏在人体上的武器、爆炸装置及自杀式炸弹等。该阵列采用数字合成波束扫描获取目标的高分辨率三维图像,雷达本身无须移动,通过数字化处理所收集到的目标反射波束的数据实现成像。CASA雷达阵列可在低能见度情况下探测移动的人或车辆,并有助于直升机导航,可穿透尘埃、雾霾,全天候对着陆区域进行高分辨率成像(见表1)。

采用CASA雷达阵列的下一代成像雷达采用由主反射器和电子副反射器组成的复合天线结构(见图1)。主反射器提供足够大的孔径,以实现所需的分辨率。电子副反射器是一个可用来控制波束的平面电子反射面。它与单个雷达发射机/接收机相连,在视场内可提供高分辨率。电子副反射器可控制主反射器的点波束在整个主反射器覆盖范围内顺序扫描。其雷达接收机接收到目标回波信号后,采用合成孔径雷达处理等算法,产生完全聚焦的三维图像。

表1 下一代成像雷达与现有成像雷达的技术比较

优点

缺点

复杂度适中,2~8通道

需要平台运动
二维成像

复杂度低,单个射频通道

需要目标运动
二维成像

采用简单的机械扫描,单个射频通道

成像速度低,机电部件体积大、重量重、功耗高;振动会干扰图像的形成

成像速度高,可部署在固定或移动平台上;三维成像

高复杂度,许多射频通道

成像速度高,可部署在固定或移动平台上;三维成像;复杂度低,单个射频通道

有待讨论

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图1 下一代成像雷达结构

2.美国海军计划升级软件定义雷达

1月5日,美国海军研究局发布了合成孔径雷达研发—资源项目征询书,旨在开发增强多波段合成孔径雷达(MB-SAR)作战能力的技术。该雷达由诺斯罗普·格鲁曼公司于2010年完成研制,已在美国海军多个先进探测项目中得到应用,如北极海冰测绘、反简易爆炸装置作战、特殊目标成像、对太平洋和格陵兰岛海域二战期间击落飞机定位。

MB-SAR雷达升级项目为期5年,主要内容如下:一是改进MB-SAR雷达天线子系统,延长和扩大雷达作用距离、频谱覆盖范围,减小尺寸,降低重量和功耗,使其适装于吊舱和不耐压的飞机隔舱内;二是开发并测试新的探测算法,用于单视、相干和非相干变化检测,并定位、跟踪移动目标,如低速移动人员及低雷达横截面的目标;三是开发新的合成孔径成像算法,用于目标定位、分类、干涉合成孔径成像,视频合成孔径成像,超精细分辨率成像,三维立体图像;四是研发用于压缩、数据集成和可视化的新软件,提高合成孔径雷达的探测和目标识别能力;五是计划为雷达开发深度学习和神经网络算法,使其自动适应不同的系统功能。

3.加拿大滑铁卢大学研发量子雷达纠缠光子源

4月,加拿大国防部为滑铁卢大学量子计算研究所和纳米技术研究所投资270万美元,用于开发量子雷达纠缠光子源,项目周期为3年。

滑铁卢大学使用量子照明技术来探测目标,该技术利用量子纠缠原理,即两个光子形成一个相互联系的纠缠对。发射时,量子纠缠雷达将其中的一个光子发往目标,而将纠缠对中的另一个光子保留在雷达本地。接收时,回波信号中的光子用作纠缠计数信号。量子纠缠机制允许抛弃噪声环境中的光子,这将显著改善雷达信噪比。为了将量子雷达在实际环境中部署使用,首先需要制造一种快速且满足需求的纠缠光子源——建立一个稳定的纠缠光子源,该光子源产生光子的速度将比当前装置快1000倍。这项研究是加拿大国防部全域态势感知(ADSA)计划的一部分,最终目的是将量子雷达从当前实验室阶段推进到加拿大北极地区等现实应用场景。

4.“海火”全数字雷达系统进入生产阶段

5月9日,法国泰勒斯公司宣布开始生产“海火”雷达。该雷达采用了全数字、软件控制处理技术,并利用公司大数据和网络安全领域技术,以实现自适应探测目标,目标种类覆盖从缓慢移动目标到超声速目标,主要部署在法国海军未来护卫舰上。

“海火”雷达是全固态多功能雷达,拥有四个雷达阵面,具备了360°视场,可同时跟踪800个目标,对空探测距离达500千米,对海探测距离达80千米,具备远距离3D监视、水平搜索、对海监视能力,能预警常规和新兴空/海威胁,特别是超声速导弹,兼容“紫苑”中程防空火控系统和舰炮武器系统。

5.雷声公司推进可同时执行雷达、通信和电子战任务的舰载天线研发

6月,美国海军研究局授予雷声公司综合防御系统分部950万美元的合同,开展灵活分布式阵列雷达(FlexDAR)项目研究,推进可同时执行监视、通信和电子战等任务的多功能射频系统,该项目是美国海军“集成桅杆”(InTop)项目的一部分。

按照合同规定,雷声公司将集成单元数字波束形成、网络协调和精确时间同步技术,以实现系统多输入、多输出操作,改善系统对舰载目标的探测、跟踪和电子防御能力。

6.美军计划在夏威夷建造价值10亿美元的导弹防御雷达

6月,美军计划在夏威夷部署导弹防御雷达,以识别从朝鲜或其他国家来袭的弹道导弹威胁。该雷达系统将耗资10亿美元,用来识别攻击夏威夷和美国其他州的导弹弹头,并将收集到的信息提供给阿拉斯加的陆基拦截器,使其击落这些弹头。该雷达系统能够区分真假弹头,假弹头主要是用来欺骗导弹防御系统的。

到目前为止,国会议员已经拨款6100万美元用于项目设计。该雷达尺寸为30~50英尺宽、60~80英尺高。它可能采用平面板的设计,像在阿拉斯加的谢米亚岛上的雷达,而不是像其他采用球形外观雷达那样。专家指出,雷达面板越大,区分弹头和诱饵的精确度就越高。

美国导弹防御局正在研究雷达可能的两个部署位置,它们均位于瓦胡岛的北岸。

7.俄罗斯加紧微波光子雷达研制进程

7月,俄罗斯RTI集团正在研制小尺寸、轻重量、低功耗、可搭载在无人飞行器上的微波光子雷达。该雷达将部署在俄罗斯第六代战斗机上。RTI集团将研制X波段微波光子雷达样机,根据样机的试验结果,确定主要设计方案。目前,RTI集团正在创建首条激光器生产线,同时也在积极寻找使雷达集成微波电路全生产周期本土化的方法。

微波光子雷达是将微波光子技术全面应用于雷达收发系统,在光域产生、处理、转换、传输微波信号。雷达工作原理:发射端,数字信号处理器输出的中频信号经电光转换后,在光域生成高频宽带微波信号,再经光电转化至微波域,通过天线发射;接收端,接收信号经电光转化后,在光域处理微波信号,再经光电转化为中频信号,输入至数字信号处理器进行处理及目标识别。

8.AN/SPY-6(V)成功完成多目标跟踪演示

10月,雷声公司AN/SPY-6(V)雷达在位于夏威夷考艾岛的美国海军太平洋导弹靶场成功演示探测、截获并跟踪多个目标,雷达系统展示了拦截过程中同时跟踪多种威胁以及弹道导弹的能力。

该雷达采用了数字波束形成技术,能够同时执行防空反导任务,并能有效对抗有源干扰和环境干扰,同时,是世界上首部采用氮化镓半导体收/发组件的舰载雷达。此外,利用开放式体系结构及模块化软硬件技术,适装于不同的舰船平台。

9.萨博公司为“海上长颈鹿”雷达推出高超声速工作模式

10月,萨博公司研制的“海上长颈鹿”雷达通过引进高超声速探测模式(HDM),提高了探测、跟踪超高声速飞行目标的能力。HDM以萨博公司下一代边跟踪、边扫描技术为基础,并优化了“海上长颈鹿”固定阵列装置,使其可在任意条件下跟踪包括隐形目标在内的目标。

二 军用通信技术

(一)新型卫星通信终端和通信方式

1.美国国防部完成宽带卫星通信备选方案分析

6月,美国国防部提交了宽带卫星通信“备选方案分析”(AOA)报告。报告指出,美国国防部应当继续混合使用军用和商业卫星以满足其宽带通信需求,同时应当不断提高防护级别,以应对干扰及近年来出现的各种其他威胁。

2.美国国防部发布首部移动用户目标系统的战术卫星通信波形双通道软件无线电台

6月,罗克韦尔·柯林斯公司宣布,其生产的AN/PRC-162(V)1型软件无线电台是第一部通过美国国防部移动用户目标系统(MUOS)波形运行关键安全测试的战术地面无线电台。该电台是双通道组网的通信地面无线电台,含有多种波形(窄带和宽带),功能丰富,可实现高速移动ad hoc组网、点对点数据、话音通信、新一代卫星通信和最新的战区内IP波形通信。MUOS是新一代特高频卫星通信系统,将实现与美国国防部全球信息栅格和国防交换网的连接,并可分发综合广播服务消息。

3.美、欧开展卫星激光通信试验

美国完成首次立方星激光通信技术验证。8月,美国航空航天公司利用“光学通信和传感器验证”任务的2颗1.5U立方星,成功验证了星地激光通信技术。试验中,星地链路传输速率达100兆比特/秒,是目前同等大小卫星传输速率的50倍。激光器以硬装方式安装在卫星上,无须光束转向镜,简化了激光通信系统;卫星装有小型星跟踪器,姿控精度达0.025度,可精准定向激光。

欧洲“空间数据高速公路”(EDRS-A)成功实现1万次激光链接。5月,由欧洲航天局与空中客车公司合营、用于测试和改进低地球轨道和静止地球轨道之间通信的“空间数据高速公路”实现了超过1万次的成功激光链接,数据传输量超过500Tb,数据速率1.8吉比特/秒。

4.美国海军军舰将装备便携卫星通信系统

7月,美国海军向莱昂纳多DRS公司授出价值1000万美元的合同,旨在为美国海军军舰制造可移动舰载上/下卫星通信系统(SCOSS)。SCOSS将为大/小型海军舰艇提供全面的安全网络连接,解决舰艇网络拥塞问题,在严酷环境下提供持续性高带宽通信能力。SCOSS可同时使用商业Ku波段和X波段,数据收发速率高达6兆字节/秒,与宽带全球卫星系统兼容,预计2019年交付美国海军。

5.数据路线公司展出两种新型卫星通信终端

数据路线公司在2018年IBC大会上展出两种新型便携式卫星终端。一是QCT90卫星终端,直径90厘米,重量仅20.6千克,可军民两用。该系统由碳纤维构成,可单人携带,使用简便,坚固耐用。QCT90终端运行在X、Ku和Ka波段,支持各种行业内最流行的调制解调器,可以最大限度地利用高通量卫星(HTS)传输高清视频、捕捉实时感知数据,并提供高质量的语音和数据通信。二是CCT120轻型车载卫星通信终端,可在几分钟内快速部署实现语音、数据或视频传输,在运输过程中完全封闭,防风、防雨、防尘。CCT120终端提供模块化的X、Ku和Ka波段收发器,兼容多个卫星网络,天线的开放式馈电系统支持集成大多数Ku波段高功率放大器,输出功率高达400瓦,可集成在舱内或舱外。

(二)无线通信不断取得新突破

1.军用无线射频通信速率突破100吉比特/秒

1月,美国DARPA“100G射频骨干网”项目在真实城市环境中完成地面演示验证(见图2),通信速率达102吉比特/秒,传输距离20千米。该项目旨在构建信息传输速率类似光纤网的射频通信链路,双向通信速率100吉比特/秒,带宽5吉赫,空—空通信距离200千米,空—地/海通信距离100千米(高度18千米)。该项目已耗资6700万美元,重点攻克了两个技术难题:一是经仿真确定71~86吉赫兹的毫米波通信频段,二是利用双向圆极化复用技术和多输入、多输出空间复用技术将带宽利用效率提高4倍。该技术一旦实用,可使无线通信速率较当前Link-16数据链提高4个量级,大幅增强美军远距离战术通信能力,为跨域实时共享情报监视侦察数据、提高综合态势感知和联合指挥控制能力提供有力保障。

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图2 100G项目空地通信演示验证

2.量子磁通信电台实现通信能力跃升

4月,美国国家标准与技术研究院(NIST)透露,正在研制一种基于量子物理的通信技术。该技术能使前线作战人员、船员等在无线电和卫星通信受限或无信号的地区实现通信和导航,如在城市峡谷、瓦砾下、建筑物内、地下甚至水下保持连接。研究团队使用原子磁力计作为无线电接收机,检测甚低频(VLF)数字调制信号。原子磁力计有一个内含铷原子的微型玻璃小瓶,铷原子被激光束照射,当受到低频电磁信号影响时,其自旋会发生变化,并由激光束感知。该技术开创了量子技术与甚低频无线电结合的新领域,在开发出量子磁通信电台原型后,将进一步研制生产型号。

3.法国开展军用4G通信技术测试

4月,法国武装部队与法国国防部装备总署(DGA)合作演示了4G技术在通信、信息共享以及指挥控制领域的应用,利用Atos公司的Auxylium通信系统实现了包括空中客车防务及航天公司、比利时FN Herstal公司以及泰勒斯在内的多家公司设备的互联互通。该通信系统能够无缝连接民用4G和军用4G移动网络。通过该通信系统,指挥官可使用平板电脑指挥军事行动,无人机能够按照预先设定的路线飞行,士兵可以利用触摸式手表发起紧急呼叫,支持车内、车外通信,大幅增强了军用通信安全性,且适用于各种地形。

4.美国联邦通信委员会加速5G移动通信网络部署

9月,美国联邦通信委员会通过新规定,简化地方政府对小基站的审批流程,加速5G移动网络在美国的部署。随着5G网络商用化的加速,各类军用移动终端除接入军中战术通信网络外,也可以直接利用5G网络,进行加密数据通信,为军队提供“广覆盖、高速率、强兼容”的空地一体化备份通信能力,有效提升战场的信息化保障能力。

(三)软件定义技术提高通信网络适应性

1.美国空军开发军用级直接射频数字转换软件无线电

4月,美国国防部发布了创新研究计划,其中包括美国空军的“军用级直接射频转换软件无线电”项目。该项目将利用开源方法,开发一种军用版本的直接射频转换软件无线电,应用于核攻击后的指挥控制领域。相关技术成果有望大幅优化美军的军事通信架构。

此项目计划分为三个阶段:第一阶段将确定军用级直接射频转换软件无线电的性能、设计与成本,提出风险及应对策略;第二阶段利用开源体系架构,设计软件无线电并开发相应的射频采样、直接转换与数字信号处理算法,并在合适的频段(可以用于挑战性环境的频段),演示现代军用波形的调制解调与编解码性能;第三阶段将研究系统的军民两用应用,包括核攻击后指挥控制区域的军事通信,以及可直接用于蜂窝电话的应用。

2.美国空军研发软件定义无线电信号情报技术

5月,美国空军研究实验室与“黑河”公司签署价值930万美元的合同,用于信号情报软件定义无线电项目研究。该公司将发展先进的软件定义无线电技术来维持信号情报能力,包括:探测、识别、表征和定位新兴通信和低功耗信号的技术;为新系统和波形开发数字信号处理软件;为远程收集系统开发软件和硬件架构;将这些能力整合到信息作战和收集系统中;描述密集信号环境下机载或地面平台上认知软件定义电台的特性。该项目将为当前已装备的系统增加新的网络空间能力,同时开发自动化信号处理框架,形成快速信号处理和网络空间能力。

3.美国陆军发展双通道软件定义无线电台

9月,美国陆军向哈里斯公司和泰勒斯防务公司授出双通道领导者软件无线电台合同,计划采购1540部领导者无线电台和338套车载系统。该电台具有以下特点:一是具有可分别执行不同通信任务的两条信道,使地面指挥官在一个通信信道受到干扰时能切换到另一个信道;二是支持在上、下游指挥链上完成交叉频带通信;三是可通过多个波形提供数据和话音通信,有效支持电子战;四是具有可扩展性。双通道领导者无线电台有望成为美国陆军综合战术网络中的重要组成部分,支撑实现美国陆军网络现代化总体战略。

(四)开发水下网络通信技术,满足水下通信需求

1.美国国家标准技术研究院研制可用于水下通信的量子传感器

1月,美国国家标准技术研究院(NIST)研究表明,量子无线电能在手机、无线电信号难以抵达,甚至完全拒止的地方(如峡谷、水下和地下)实现通信和测绘功能。量子传感器具有磁场灵敏度强、通信距离远、通信带宽大的潜在优势。国家标准技术研究院基于铷原子量子特性研制出磁场传感器,成功检测数字调制磁信号,并实现通过改变磁场来调制频率。下一步计划改进发射机,并研制、测试Ⅰ型量子磁力计,提高传感器灵敏度,扩大低频磁场信号检测范围,以更好地抑制噪声、扩展有效带宽。

2.美国劳伦斯伯克利国家实验室提出利用轨道角动量提高水声通信容量

7月,美国劳伦斯伯克利国家实验室发现利用声波传播产生的动态旋转(即轨道角动量)携带信息,可以提高某一特定频率的通信容量。虽然多路复用技术已广泛用于电信和计算机网络,但多路复用轨道角动量从未用于声学通信。在声波传播过程中,波前会形成螺旋状或漩涡状波束,利用这种波束的轨道角动量形成的空间自由度可进行数据编码。即使波束频率保持不变,不同轨道角动量的信道、旋转的速度都会不同,使这些信道保持相互独立。这种能力有望将水声通信能力从纯文本信息传输提升到高清视频信息传输,推动海洋探索、研究以及水下态势共享能力的发展。

3.麻省理工学院开发新型水下—空中通信技术

8月,美国麻省理工学院开发出“平移声学—射频通信”技术,混合使用声呐和雷达,克服水和空气对通信的限制,将数据从水下信号源传输到空中,使潜艇与飞机直接通信。该技术通过声呐装置向水面发送声波,在水面形成微小振动。在水面之上,机载极高频雷达(30~300吉赫)捕捉水面的微小振动信号,将信号解码恢复。该技术尚处于早期研发阶段,开发出的原型系统传输速率只有几百比特/秒,却是水下对空通信的重要里程碑。应用该技术的潜艇无须浮出水面即可与空中飞机通信,极大地提高了潜艇隐蔽性。

4.林肯实验室开发水下窄束激光通信原型

8月,美国林肯实验室开发海底激光通信原型,利用窄束激光,克服激光在海洋中的衰减和散射,使潜航器之间进行精确的对准通信(见图3)。研究团队在泳池中对两个原型系统进行了测试,验证了两个潜航器可有效搜索并定位对方,A终端在检测到B终端信标后,可在不到1秒内锁定并建立激光通信链接,传输速率达千兆比特/秒。

图片关键词 

图3 林肯实验室水下激光通信

5.日本将基于时间反转技术的水下通信技术列为大型研究项目

8月,日本防卫装备厅公布2018年度军事技术基础研究项目,其中排名第一的大型研究项目为“基于时间反转技术的长距离、多输入多输出的无线通信技术”。该技术将通过时间反转,补偿多个水下传播路径、多输入多输出通信中的延迟效应,通过频率复用提高通信容量。

三 军用计算机技术

(一)超级计算机技术稳步发展

1.美国能源部启动18亿美元超算计划

4月,美国能源部发布关于超算研制的征求建议书,计划投入18亿美元于2021~2023年研制两台新型E级(百亿亿次级)超算系统,以便部署到橡树岭国家实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室。征求建议书称,可能在2022~2023年间对已有超算系统进行升级并开发“极光”后续系统。其中,“极光”为能源部首台在研E级超算系统,其研制始于2017年6月,计划2021年在阿贡国家实验室上线运行。美国能源部部长佩里表示,这些新研超算系统有助于美国在高性能计算领域保持领先地位,推动美国在寻找和研发下一代新材料、解读和破解高能物理数据、预防癌症、加速工业产品设计、核安全等方面取得突破。征求建议书中提及的项目资金将由美国能源部科学办公室和美国国家核安全局联合提供。

2.美国“顶峰”超算登顶超算排行榜

6月,美国能源部橡树岭国家实验室发布新一代“顶峰”超算系统,夺得世界超算TOP500排行榜首。“顶峰”由美国IBM公司研制,内含4608台计算服务器,每个服务器包含两个22核Power9处理器和六个Tesla V100图形处理单元加速器,具有高达每秒20亿亿次(200P级)的浮点运算速度峰值,比此前超算榜首的中国“神威·太湖之光”峰值性能(每秒12.5亿亿次)高约60%。美国能源部部长里克·佩里表示,“顶峰”的发布使美国向“2021年交付E级超算”的目标又迈进了一步,它将在能源研究、科学发现、经济竞争力和国家安全等方面产生深远影响。

3.美国将建造世界上最大的采用ARM处理器的超级计算机

6月,美国惠普公司与桑迪亚国家实验室和能源部合作建造世界上最大的基于ARM处理器的“Astra”超级计算机。该超级计算机基于惠普公司“阿波罗70”系统,采用了Cavium Arm V8-A 64-bit Thunder X2处理器。“Astra”由2592个双处理器服务器构成,核心数超过14.5万个,理论峰值计算能力达每秒2.322×1015次。整个系统的功耗为1.2MW,由惠普公司MCS-300冷却装置冷却。“Astra”超级计算机将安装在桑迪亚国家实验室的扩建部分,为美国国家核军工管理局提供先进建模仿真能力。

4.日本发布可用于下一代E级超算的核心处理器

8月,日本富士通公司正式发布A64FX处理器,该处理器兼具超低功耗、高可靠性,是该公司计划于2021年推出的下一代超算系统“Post-K”的核心部件。“Post-K”是超算TOP500排行榜第16位“京”的后续型号,运算速度将是“京”的100倍、当前第一超算“顶峰”的10倍,约200亿亿次(达到E级标准)。目前,富士通公司正联合日本理化学研究所为A64FX处理器和系统开发软件,预计到2021年,富士通将开发出一整套高性能计算软件组件,包括Linux、C/C ++和Fortran编译器、调试器、MPI、OpenMP、数学库、资源管理器和Lustre等。

(二)军事专用计算机技术

1.莱昂纳多DRS公司签署“车载计算系统Ⅱ”生产合同

6月,莱昂纳多DRS公司与美国陆军签订了为期5年、价值8.413亿美元的不定期、不定量交付合同,为其生产名为“车载计算系统II”的下一代任务指挥计算系统。根据合同,莱昂纳多DRS公司将为美国陆军提供可拆卸平板电脑、处理器、扩展坞、键盘、中继电缆以及多尺寸加强型日光可读多点触控显示器。“车载计算系统II”可提供一系列通用的互易性强的网络计算机和触控显示器,利用高性价比商用现货技术,实现以平台为中心的战术任务指挥所需关键任务的可靠性。同时,该系统也能结合自身强大的安全增强功能,满足当前和未来极为苛刻环境中关键任务可靠性的需求。

2.美国空军要求雷声公司为机载GPS接收机提供可信计算升级

8月,美国空军与雷声公司签署合同,为空军的高精度机载全球定位系统升级可信计算部件。美国空军要求雷声公司在小型机载全球定位系统接收机2000(MAGR-2000)中使用可靠的专用集成电路(ASIC),提高可信计算能力。MAGR-2000是模块化GPS接收机,可访问GPS卫星所特有的加密军事定位信号,当前主要搭载于F/A-18“大黄蜂”战斗攻击机、VH-3D总统直升机以及V-22“鱼鹰”倾转旋翼机等军用飞机中。雷声公司将利用经美国国防部审查的ASIC芯片提高MAGR-2000的可信计算水平,保护系统免遭电子干扰、网络攻击、极端环境影响和其他安全威胁。预计雷声公司将从2020年5月开始交付相关订单。

(三)新一代计算技术不断取得突破

1.美国发现可改善低功耗计算与存储能力的新器件

1月,美国明尼苏达大学与宾夕法尼亚州立大学合作,首次在拓扑绝缘体—铁磁体双层中确认了单向磁致电阻现象的存在,并证实相比重金属,拓扑绝缘体能在-123.15℃下将磁致电阻的性能翻倍,同时降低磁阻随机存储电子单元在读数据时的能量消耗。该研究将改善未来机器人芯片、三维磁存储器等半导体器件的低功耗计算和存储能力。

2.日本研制出1.3微米量子点激光器

5月,日本东京大学首次成功研制发射波长1.3微米的电泵浦硅基砷化镓/砷化铟量子点激光器。该激光器的砷化镓由分子束外延技术直接在同轴硅衬底上生长而来。研究团队认为,该激光器有助于推动硅光子学“解决下一代计算的低带宽密度和高功耗等金属布线问题”。目前,与纯粹的砷化镓基激光器相比,这种硅衬底量子点激光器的砷化镓缓冲层质量较低、台面宽度大,未来需要进一步优化砷化镓的生长过程。

3.俄罗斯研制出光子超级计算机

7月,俄罗斯联邦核中心全俄实验物理科学研究所研制出光子超级计算机,并取得相关专利。这种光子计算机由电和光两部分组成,计算过程建立在激光辐射脉冲的相互作用上,而不是建立在电子元件的工作上。运算时,机器代码(即一组指令)转换为激光脉冲。光子通过波导进入光子处理器,激光脉冲在这里发生相互作用,然后完成与电子计算机相同的逻辑运算。接下来,激光束离开处理器,返回计算机的电子部分,光信息转换成电子信息,供用户使用。该计算机每秒可执行5万兆次浮点运算,峰值功率100瓦,能耗是同等速度电子计算机的万分之一。

4.美国提出基于过渡金属二硫化物的计算机新方案

10月,美国佐治亚州立大学提出基于过渡金属二硫化物构建计算机的方案,有望使计算机的运行时标达到飞秒量级。与当前计算机处于纳秒级的运行时标相比,该方案有望将计算和存储速度提升数百万倍。研究人员发现,在过渡金属二硫化物的六角形晶格结构中,电子因位置不同而呈现两种不同自旋状态,并引起拓扑共振效应,该效应可用于信息处理。过渡金属二硫化物的种类很多,研究人员下一阶段将筛选出可用于计算的最理想过渡金属二硫化物材料。

四 网络空间技术

近年来,以美国为代表的一些军事大国,在网络安全领域开展了长期、大量的技术创新活动,已形成多项革命性技术成果,引领了网络安全技术的发展。2018年,网络空间攻击、防御、测评等技术领域都出现了大量新进展。

(一)攻击领域

2018年,一些重大网络安全漏洞给网络空间安全带来持续威胁,美军积极发展标准化网络作战平台和相关武器系统,对各类黑客的网络攻击也加大了威慑力度。

1.网络安全漏洞给网络空间安全带来持续威胁

(1)“永恒之蓝”漏洞持续造成影响

3月,美国研究人员发现了名为RedisWannaMine的加密攻击方案。该方案可以利用“永恒之蓝”漏洞,感染Windows服务器,并且黑客可以利用此方式获得虚拟货币。

“永恒之蓝”(EternalBlue)原本是美国国家安全局(NSA)的漏洞,2017年被黑客组织“Shadow Brokers”(影子经纪人)公开披露。数据安全公司Imperva表示,这个最新的攻击方案与大多数已知的加密攻击主要有以下三点不同:首先,最新的攻击方案比大多数已知加密攻击方案要复杂得多;其次,新方式展现出了类似于蠕虫病毒的行为;最后,新方式还结合了高级攻击技术以增加对目标服务器感染的成功率。虽然Imperva公司并没有明确透露攻击的规模,以及哪些系统可能遭到利用,但是如果服务器管理人员没有对已知的漏洞做补丁安装,那么服务器随时可能会遭到攻击。

此外,“永恒之蓝”漏洞还会被用于进行WannaCry勒索软件活动,后者曾在2017年导致全球范围内的网络瘫痪。2018年8月,台积电公司位于台湾新竹科学园区的12英寸晶圆制造厂和运营总部也遭到了WannaCry的攻击,其部分生产设备受到病毒感染。具体现象是电脑蓝屏,各类文档、数据库被锁定,感染程度因工厂而异。经过台积电公司的应急处理,受影响生产设备随后逐步恢复了生产。台积电以往因遭遇病毒袭击而生产线停摆的情况也有过,但都是小规模的,像这样三条12英寸的生产线,包括生产设备和检测设备都中招的情况却从未发生过。台积电的芯片代工业务全球市场占有率高达56%。专业人士表示这次的攻击行为可能会造成芯片受损,从而会对部分智能手机的产能造成影响。

(2)研究人员发现计算机芯片漏洞“熔断”和“幽灵”

2018年,来自谷歌、宾夕法尼亚大学、马里兰大学、奥地利格拉茨技术大学和澳大利亚阿德莱德大学的研究团队,以及来自网络安全公司Cyborgs Technology和兰巴斯(Rambus)的研究人员发现,近年来生产的绝大多数计算机芯片存在两个安全漏洞——“熔断”和“幽灵”。其中“幽灵”可能影响到所有个人计算机、移动设备和云服务器。

“熔断”和“幽灵”可利用现代计算机处理器中的关键漏洞,使一些软件程序获取当前计算机处理的数据。通常情况下,正常的程序无法读取其他程序存储的数据,但恶意程序可以利用这两个漏洞来获取存储在其他运行程序内存中的私密信息,例如存储在密码管理器或浏览器中的密码、个人照片、电子邮件、即时消息甚至商业秘密文件。

2.美军重视网络武器系统研发

(1)美国网络司令部打造“统一平台”网络武器系统

8月,美国国防部公布了一项名为“统一平台”(Unified Platform)的网络武器系统采购计划。该计划是美军网络司令部成立后,最大、最关键的采购项目,国防部公布了该计划前三年的预算,分别为2019年2980万美元、2020年1000万美元、2021年600万美元,但项目的总预算暂时保密。项目的集成和运营由美国空军装备寿命管理中心负责,洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼、雷声等军工巨头竞相参与投标。美军意图通过这个标准化的作战平台,整合所有分散的网络作战系统,打造网络司令部独有的通用体系化军事网络作战平合,满足网络任务部队的作战需要。

“统一平台”系统是一种可以携带网络攻击和防御武器、在网络空间自由穿梭的标准化平台,作战人员可以对其实施指挥控制,执行攻防作战、情报获取、侦察监视等任务,该系统类似于海上的航母、空中的飞机和陆地的坦克,因此又被称为“网络航母”(Cyber Carrier),是美军为网络任务部队在网络空间执行作战任务打造的主战装备。美军之所以大力发展“网络航母”计划,主要基于以下考虑。

首先,满足美军的作战需要。美军网络空间作战的基础设施和装备建设远远滞后于部队建设,由于没有独立的作战系统,网络司令部还需要使用国家安全局(NSA)的基础设施和平台执行任务,这种受制于人的作战条件严重制约了网络司令部的有效作战能力。美军虽然建立了网络司令部以统一指挥网络作战力量,但各军兵种网络任务部队的武器系统互不兼容,难以相互配合进而形成合力,这给后勤保障带来了较大负担。

其次,满足隐形需要。美军希望以网络战装备系统的研发为抓手,引领网络任务部队作战人员思维转变,强化部队训练的标准化和常态化,加速人员从原来的通信和信息技术保障岗位向作战战位转型,真正把网络空间转变为与陆、海、空、天同级别的独立作战域。

最后,满足美军的长远需求。在美军国防预算分配和后勤保障中,制式标准化的武器装备,可以为网络空间作战领域争取到更多的作战岗位编制和计划性资金,有利于网络任务部队的长期发展。

“网络航母”是美军发展新一代网络武器的典型代表,除了作为统一的作战平台,也是美军先进技术应用的载体,结合美军其他领域的类似项目,“网络航母”应具备以下三种能力。

一是可以适应不同类型的操作系统环境及网络架构,利用踩点、Ping扫描、端口扫描、操作系统辨识、漏洞扫描、查点等技术手段,跨越和突破不同网络之间的防火墙、入侵检测、路由网关、身份认证等一系列网络安全措施,实现在网络空间的自由飞行。

二是能够搭载病毒、木马及其他具有攻击性的网络软件,执行任务时,指挥人员可通过远程遥控,指挥“网络航母”利用携带的软件武器打击目标。

三是随着人工智能的发展,网络作战武器的智能化水平必将不断增强,为了应对结构复杂、规模庞大的网络系统,“网络航母”将拥有自复制、自组网、自感知、自保护、自消亡等自我决策能力,为作战提供灵活的部署和攻击方式。

“网络航母”作为美军作战概念与先进技术相结合的产物,将成为夺取制网权、抢占网络空间战略制高点的又一利器。

(2)美国陆军积极投资“网络子弹”研发

美国莱多斯公司在3月底召开的AUSA全球军力研讨会上,展示了部队可以通过安装在大型MQ-1C“灰鹰”无人机上的干扰吊舱来挖掘IP地址、拦截通信,甚至操纵敌人的信息。这类武器被定义为“网络子弹”,即让各旅级部队都拥有先进的战场网络能力,且无须经过冗长的审批流程和网络运营商的远程协助。这种网络武器还可以与电子战在战术层面融合,从而为战术指挥官提供更大的灵活性。

这种干扰吊舱技术通过对所有的本地接入点进行扫描,允许操作员识别该区域的情况,并尝试进入可能感兴趣的网络。美军方可通过这种暴力攻击的方式获得网络的密码,进入网络内部,查看网络中的所有设备和数据,还可以拦截甚至篡改敌人的内部信息。这种能力与伊拉克战争中使用的网络攻击能力相似。

在伊拉克战争期间,美国国家安全局的黑客通过进入叛乱分子的手机和电子设备,为飞行员提供更精确的目标位置信息,或者伪装成可信来源的设备向叛乱分子发送虚假消息。现在与当时技术的不同主要有:一是信号情报方面,现在用基于数据驱动的无线网络取代了当时基于信息驱动的语音信号连接;二是操作人员方面,当时进行操作的往往是秘密机构,现在这种能力可以提供给旅级指挥官。

3.美国持续关注其选举系统遭到俄罗斯网络攻击

8月,在白宫举行的新闻发布会上,美国国安局局长兼网络司令部司令表示,美国正努力提供情报、信息支持和技术专长,以防止外国干预美国选举。特朗普政府正致力于将俄罗斯干涉美国竞选活动的影响降至最小。

在此之前的5月,美国田纳西州选举网站遭到了网络攻击,此次网络攻击并未对选举结果产生实质性的影响,但是该网站瘫痪了大约一个小时,并造成选民之间的混乱,且官方不清楚这些拒绝服务攻击的来源。该网站收到了来自约100个国家的访问请求,且请求最多的是加拿大、英国和智利。另外,来自乌克兰和英国的源地址还试图利用过网站中的系统漏洞。剑盾企业安全公司已经解决了发现的漏洞,并采取了其他网络防护措施。

7月,美国发布的起诉书指控俄罗斯官员在总统竞选活动中参与入侵了美国计算机网络。其行动在2016年3月全面展开,俄罗斯军官通过冒用从美国中部剽窃来的名字参与攻击克林顿竞选团队电子邮件账户。首先试图通过发出貌似谷歌安全通知的信息,从而进入目标数据库。这种谷歌通知看起来是合法的,但事实上是一个俄罗斯情报网站的链接。然后,俄罗斯黑客偷走了5万多封电子邮件,并向高级竞选官员发了数量更多的假邮件。

目前,尚未确定美国国安局是否被授权对俄罗斯的干预采取攻击性网络行动,其对美国选举系统受到的若干干扰持保守态度。

4.三名Fin7黑客组织成员面临美国司法部指控

2018年,最具影响力的黑客组织之一——Fin7组织的三名成员被逮捕,美国司法部指控其利用网络钓鱼技术和社会工程漏洞进行复杂的黑客活动。

Fin7是近年来最复杂、最具攻击性的黑客组织之一,由数十名拥有不同技能的成员组成,其主要目标是餐饮业、酒店业和博彩业的高交易量业务,通过盗取客户数据和信用卡号码的销售点系统,并在网上出售被盗的信用卡号码,从而获得巨额利润。该组织影响范围很广,包括美国47个州和哥伦比亚特区的计算机网络系统。FireEye的高级经理表示其影响力堪比拥有海量资源的国家级黑客组织。

被逮捕的三名成员都是乌克兰人,分别在德国、西班牙和波兰被拘留。该组织运用以下策略造成毁灭性后果:首先,以确定高频率的销售点交易业务为目标。其次,利用互联网上公开的信息,向员工发送一系列包含恶意信息的电子邮件,借助邮件中的恶意程序窃取信用卡号码。再次,一旦目标被感染,Fin7定制的恶意程序就可以控制网络,随后将更多恶意软件植入目标电脑。最后,特意利用并改编了一种名为Carbanak的恶意软件,从而可以通过截屏或视频监控受害者的电脑。

Fin7集团的三名成员目前已经被捕,该组织的未来走向尚不明确。但从这次逮捕可以看出美国司法部正越来越关注网络攻击犯罪。

(二)防御领域

近年来,在网络防御技术领域,以美国为代表的技术强国开展了长期、大量的技术创新活动,引领了防御技术的发展。2018年,美国国防先期研究计划局(DARPA)、国防部、各军种、工业界等在防御技术领域创新点频出,具体动向如下。

1.DARPA在网络空间领域的最新技术进展

(1)大规模网络狩猎“CHASE”

DARPA和BAE系统公司正在开发一种以人工智能为支撑的新型网络安全技术“大规模网络捕猎”(CHASE),以对抗那些意图避开现有防御系统的复杂网络攻击。

目前的网络防御主要面临着企业网络的规模和分布式结构特点这两个挑战。最前沿的商业工具也无法直接解决网络防御所面临的规模和速度问题,主要受限于监控的内存容量和速度,因此大型企业网络中近80%的传输数据无法被检测。DARPA同样面临这些挑战,其网络搜索团队的负担过重,只能查看过滤收集的一小部分数据。此外,网络攻击方对网络防御链十分了解,会构建新的工具进行攻击,通过将其攻击编入不太可能被网络防御者标记为高优先级的数据流从而隐藏攻击痕迹。

DARPA将此技术称为“自适应数据收集”,它通过过滤网络技术人员无法追踪的大量信息开展实时的调查研究。“CHASE”项目寻求开发自动化工具来检测和描述攻击痕迹,发现正确的关联数据,并采取网络保护措施。“CHASE”使用计算机自动化、高级算法和更高的处理速度实时跟踪大量数据,使网络“猎手”能够发现隐藏在大量输入数据中的高级网络攻击。“CHASE”研究将专注于一些能够加速网络搜索的方法,在正确的时间从正确的设备提取正确的数据。“CHASE”项目将使用机器学习技术,目的是建立自动化过程,通过模式识别、背景关联、新旧数据比较来组织和分析信息。CHASE还将应用新的计算机自动化方法来实施保护措施。

“CHASE”项目的研发周期为3年,项目的早期工作将利用机器学习的优势,使用计算机自动化处理大量信息,以挫败通常使用的恶意软件、网络钓鱼和拒绝服务攻击,以及那些更缜密、更复杂的攻击。

(2)人机结合探索软件安全“CHESS”

4月3日,DARPA正式启动“人机探索网络安全”(CHESS)项目,旨在融合人工和计算机网络防御系统,发挥两者各自的优势、规避局限性,达到两者结合超过各自作用之和的效果。

“CHESS”计划是将自主和半自主的网络安全系统与人类网络专家结合,旨在解决计算机不擅长解决的一些抽象问题。虽然计算机在发现漏洞和排除基于逻辑及数学问题的攻击方面远超人类,但人类在遵循更复杂的规则集(如语言的语法)问题上更准确。“CHESS”项目计划耗时42个月,重点从5个技术领域寻求创新方案:人机协作,漏洞发现,进攻性的态度,控制团队,集成、测试和评估。“CHESS”项目将使美国面对未来可能发生的网络攻击的防御能力更加强大。

(3)“安全文档”(SafeDocs)项目

8月9日,DARPA宣布启动“安全文档”(SafeDocs)项目,旨在研发一种能够自动检查并安全打开电子文档或消息的技术。当前,随着实时电子数据交互量的不断增加,电子数据的格式(如文本、图片、视频、地图)越来越多,验证这些电子数据的来源和可靠性变得非常困难,用于处理电子数据的软件也很容易出错或受到恶意网络攻击。在这一背景下,DARPA启动该项目。该项目将重点开展两项研究:一是开发用于捕获和定义人类可理解的、机器可读的电子数据格式描述符的方法和工具;二是创建用于构建安全、验证分析器的软件构建工具包。该技术一旦被应用,可在不影响现有电子数据格式关键功能的情况下,从根本上提升软件识别和拒绝无效或恶意电子数据的能力。

(4)美国公司将在DARPA支持下开发新型硬件安全解决方案

4月4日,DARPA授予Tortuga Logic公司合同,后者负责开发新型的仿真平台安全解决方案。

该公司将专利硬件安全模型与商业仿真平台相结合。商业仿真平台是硬件设计师在验证的最后阶段使用的电子系统,可全面测试运行完整软件堆栈的整个芯片设计。通过整合,硬件设计师可提高其识别安全漏洞的能力,尤其是在制造芯片或部署现场可编程门阵列(FPGA)之前,更有效率地找到设计中的潜在安全因素。

通过Tortuga Logic公司的帮助,DARPA通过“硬件和固件集成的系统安全性”(SSITH)计划的参与者将更早获得针对仿真平台的安全解决方案。SSITH计划旨在开发硬件设计架构和技术,以加强商业和国防电子应用系统的安全性。

2.美国国防部网络防御技术最新进展

(1)国防信息系统局接手网络防御软件“Sharkseer”

7月,美国国防部将恶意防范软件“Sharkseer”转交给美国国防信息系统局。“Sharkseer”能够监视可能感染国防部网络的电子邮件、文件和传入的通信流,自动分析测试可疑文件,能够立即、自动确定发送或接收恶意软件的计算机主机的身份和位置。其主要运用了人工智能技术扫描传入的通信流以寻找漏洞,最终能够保护美国国防部网络免受“零日攻击”。“零日攻击”主要指的是针对“零日漏洞”的攻击,即漏洞被发现后立即被黑客利用并遭到攻击,这类漏洞从被发现到被黑客利用的时间间隔已经缩减到了数天。“Sharkseer”的使用将会有效增强美国国防部的网络防御能力。

(2)国土安全部正投资机器学习项目以防范针对金融领域的攻击

7月2日,美国国土安全部(DHS)宣布其正在投资机器学习和自动化技术,以防范金融领域的恶意软件攻击。该部门向Cyber 20/20公司投资了20万美元,扩展了一种可以检测和消除网络攻击的开源沙箱——Cuckoo(布谷鸟)的功能。Cyber 20/20公司利用人工智能来应对恶意软件,通过“沙箱”将一部分操作系统放入一个封闭的环境中,以防止恶意软件的扩散,进而消灭病毒。同时,其还具有“反沙箱”功能,可以消除有意绕过沙箱的恶意软件。

这项技术能够提高网络防御能力,还有助于DHS硅谷创新计划的推进,该创新计划旨在向员工不足200人的美国和国际公司投资最多80万美元,作为其种子资金,以提高机场的乘客服务能力,同时确保无人机系统及物联网设备的安全。

3.美国各军种网络防御技术最新进展

(1)海军研究处致力于研究更快的密码算法

2018年,美国海军研究处(ONR)将一份小企业创新研究合同授予Galois公司,旨在开发一个平台,用于加速新密码算法的开发和测试,从而让国防和企业领域的密码专家更快、更方便地达到其所需要求。该平台建立于国防和智能应用程序的工具和技术之上,可以验证加密软件的正确性,有助于消除漏洞,并确保加密软件符合性能要求。一旦工具完成研发并通过测试,Galois将致力于将工作台集成到政府安全框架中。此外,该公司还计划为自行开发加密软件的行业合作伙伴提供该平台。Galois公司表示,这些密码工具还可以用于加速发现各种新功能,如同态加密、基于属性的加密和世界各地研究机构及大学的后量子公钥算法。

(2)陆军无人机装备人工智能系统增强网络防御能力

1月,美国陆军宣布与Stryke工业公司及其分包商蝎子电脑服务公司签订合同,对其无人机作战体系进行人工智能升级。通过将人工智能系统添加到通用地面控制站,将帮助无人机在正常运作的同时提高网络安全。

通过在陆军现有的无人机系统中增加蝎子人工智能系统场景生成器(也称ScenGen)来帮助亚拉巴马州亨茨维尔红石兵工厂的运营商控制MQ-1C灰鹰等无人机快速形成网络防护能力。ScenGen主要有以下优势:第一,速度快。可用于战争规划、内部系统测试和自动回归测试。它能够以惊人的速度工作,每90分钟就相当于人类250年的工作量。第二,应用范围广。基本上能考虑到可能发生的一切活动。第三,应变能力强。其对网络攻击反应迅速,能够迅速检测和保护系统的每一个接入点。

在安全性方面,ScenGen的最佳数字保护措施是ScenGen本身,而且其他安全措施已经到位,以防止人工智能系统整个落入敌人之手。其源代码从未连接到互联网,并且处于“锁定与加密”状态。而且,服务于用户的代码只在被授权的特定领域工作,所以用于无人机的代码不能用于直升机。在没有蝎子公司两名高级成员授权的情况下,没有人可以移动该人工智能系统,因此它具有很高的物理安全性。此外,即使有人掌握了这个系统,他们也不知道如何使用。该系统不使用C++或Java等传统的编码语言,而是选择使用自己开发的语言,运营商需要多年才能完全学习。

(3)陆军寻求“IT盒子”工具来加快网络防御方案流程

5月16日,美国陆军网络卓越中心指挥官约翰·莫里森在马里兰州巴尔的摩举行的AFCEA防御性网络作战研讨会上表示,如果需要574天才能批准一项网络空间请求,那么行动尚未开始军队就已经没有竞争力了。在网络这样一个动态的“战场”上,这种工作方式不可行。正是在这样的背景下,美国陆军正在寻求一种新型结构来获得网络防御能力,旨在应对网络上的高级威胁。通过利用一种名为“IT盒子”(IT Box)的合同工具,陆军希望能将时间从500多天缩短至30天。

“IT盒子”是这样一种流程:当网络保护团队有需求时,填写一份需求表格,要求提供可满足这一需求的广泛能力(而非解决方案)。收到请求后,将在10天内通过其他交易协议发送给工业界寻求合同。随后,在提出请求后的20天内,通过一场类似“创智赢家”(美ABC电视台著名现场融资节目)的活动,聚集工业部门提出想法,陆军选择其中最能满足需求的解决方案。随后,将进行原型制作,并在30天内进行业务评估。

“IT盒子”通过将需求下放至更低级别,简化需求流程;提供更大的灵活性,以融合不断发展的技术并实现更快的响应,简化潜在的采办流程,具体情况由决策机构自行定夺。“IT盒子”还可以用于采办或修改商业或政府的现成技术,更多地应用于软件而不是硬件解决方案。

4.工业界网络防御技术最新进展

(1)英特尔推出修复了安全漏洞的全新芯片

3月,英特尔公司宣布,为应对2018年早些时候披露的硬件安全漏洞而全新设计的电脑芯片将于2018年下半年发货。这款全新设计的芯片可有效防止“崩溃”和“幽灵”等硬件漏洞引发的安全威胁。而这两种硬件漏洞可能使全球数百万台计算设备陷入被黑客攻击的窘境。

2018年早些时候被披露的“崩溃”和“幽灵”漏洞在科技界引起了极大震动,由此产生了一系列针对英特尔公司的诉讼。美国国会还专门为此事对英特尔公司进行了调查。尽管英特尔公司已向大多数计算机设备发布了安全补丁,但安全专家表示,这些漏洞比以往出现的漏洞更难以处理,因为它们涉及的是硬件,而不是软件。英特尔公司已经发布了面向该公司过去五年所推出产品的软件更新,这些更新可针对两种硬件缺陷对产品实施相应保护。英特尔公司建议每个用户都能确保系统始终保持最新状态。

尽管英特尔推出修复了安全漏洞的全新芯片,但针对在市场上大量存在以及投入使用的有漏洞芯片,英特尔没有做出硬件上的修复措施。因此,对使用现有英特尔芯片的用户来说,其被攻击的风险仍然存在。

(2)美国Cybereason公司发布免费网络防御工具

6月,美国网络安全公司Cybereason发布了一款免费网络安全防御工具RansomFree,可以保护人们免受各种各样的勒索病毒攻击,如WannaCry、Bad Rabbit和NotPetya等。专家表示,这种免费工具可帮助每个计算机网络实现基本的网络安全要求,帮助美国网络战士专注于自身工作,而不再担心以民众为中心的攻击。因此,重视这类免费工具越来越重要,RansomFree工具正是应FBI要求而研发的,旨在让互联网拥有一个更安全的环境。

(三)测评领域

2018年,美军非常重视对武器装备和系统的网络安全漏洞测评,同时积极推动安全测试环境和资源建设,主要动向如下。

1.美国国防部寻求通过漏洞奖励计划测试敏感私有系统

5月初,美国国防部发布“众包漏洞发现和披露服务功能区域II”信息征询书,寻求与一家商业漏洞赏金公司合作,目的是对国防部的众多网络、系统和信息进行全面的测试、漏洞发现和披露(包括私有系统),测试对象包括整个国防部的封闭网络、网络应用、软件、专有源代码、软件嵌入式设备或其他通常不能通过公共互联网访问的私人或内部系统。

美国国防部做出这一行动的主要动机有三点。第一,为了应对当今不断变化的网络安全形势。由于维护国防部网络和系统的安全性和完整性是国家安全问题,不断识别和修复可能被恶意网络行为者利用的漏洞,是国防部必须重视的工作内容。第二,有助于国防部推动在技术领域的创新。国防部可以通过确定一个新兴的需求以利用各种创新型信息安全研究人员的力量,通过众包项目发现漏洞、协调和披露活动。众包是一种现代商业惯例,通过奖励来刺激创新以解决实际问题。第三,这是国防部近些年来漏洞悬赏项目的延续。近年来,国防数字服务处(DDS)与Synack和漏洞悬赏平台HackerOne供应商共同举办了五次bug奖励活动。2016年4月至2018年4月,国防部及各军种多次与HackerOne合作,以“入侵”方式,发现有效漏洞。

项目中需要重点注意的有以下三个部分。

第一,平台方面。研究人员通过承包商平台上的安全入口,对各种敏感互联资产以及非互联网连接的资产进行可审计的众包漏洞发现和披露活动。资产包括封闭网络、软件嵌入式设备、专有源代码或通常不能通过公共互联网访问的其他私有或内部系统。通过受控环境或存储库中的安全平台,对托管在承包商基础架构上的内容进行测试。承包商网络出入口必须记录或提供IP地址,并记录用户的键盘输入等数据。该平台必须有一个机密的网络出入口,能够完整获取数据包,以实现审计和研究人员活动的持续监控。

第二,项目所面临的挑战。小范围和时间可控的众包活动预计涉及50~100名研究人员,较大范围的众包活动涉及近200名参与者。众包活动预计将持续2~4周,或视任务而定。估计有50~150名研究人员进行广泛的持续众包工作。时间可控的众包活动将持续12个月或依据任务订单而定。

第三,参与项目的研究人员。与当前和未来的研究人员进行有效沟通和协调,以确保参与者在相应任务执行期间内获得流畅的体验。在漏洞生命周期的每个阶段与研究人员进行沟通,包括初始接收、矫正和确认/奖励。对研究人员证书的存储和分发进行安全管理,对需要信任连接的资产启用远程漏洞发现和披露活动。确保漏洞发现和披露过程能够遵守处理漏洞数据的通用国际标准。确定适当的奖金数额以支付研究人员,并提供适当的税务文件。

2.美国情报先期研究计划局加大网络攻击预测研究投入

8月14日,斯泰西迪克森被任命为美国情报先期研究计划局(IARPA)的负责人,在她就任情报研究主任当天,便强调要应用机器学习算法来预测网络攻击的重要性。“第五域网站”的一项分析显示,在美国情报先期研究计划局2018年宣布的新挑战项目中,超过一半涉及机器学习算法和预测分析技术。该机构在预测分析程序研发上投入了大量资金,并已经产生了一些预测模型来预测网络攻击。其中一个自动化系统是基于网络恶意行为者的对话和社交媒体上网络安全专家的帖子进行分析。在预测网络攻击方面,这项研究的准确率达到了84%。另一个预测模型是基于网络历史攻击数据,它比其他系统的效率高出14%。但斯泰西迪克森认为,预测工具需要反复测试,以免误报。

3.美国海军陆战队首次对军用车辆进行网络攻击测试

2月9日,美国海军陆战队在彭德尔顿基地营完成了首次针对轻型装甲车(LAV)的大规模敌对网络测试。当今的车辆平台将车辆控制从纯粹的机械化改变为数字化,因此所面临的攻击面显著增加,为了识别LAV系统内的网络漏洞,美国海军研究人员在模拟过程中发起了针对车辆的破坏性网络攻击,并通过海军陆战队战术系统支援行动(MCTSSA)的网络安全评估方案深入了解网络漏洞以及此类漏洞对潜在任务的影响。但海军陆战队称测试结果是保密的,拒绝就具体情况发表言论。

4.美国海军研究生院发布网络安全训练游戏

4月,美国海军研究生院(NPS)的学生创建了一款名为“CyberWar:2025”的电脑游戏,以便参与者了解网络安全战略,获取经验。这款游戏运用《联合出版物JP 3-12:网络空间作战条令》中规定的基本概念来规划、准备执行和评估联合军事行动范围内的网络空间行动。玩家应用计算机网络中的攻击性和防御性操作来捕获服务器节点。玩家捕获节点即获得积分,使用积分可以产生更高级的效果。这款游戏可以加强玩家对网络基础设施、威胁人员、攻防操作以及网络空间运营等方面的理解。目前,NPS已将该游戏列入了网络安全课程。

5.美国国防部授权四家公司开发网络训练平台组件

6月,美国国防部向ManTech、Simspace、Metova、Circadence四家公司授予合同,开发国防部网络训练平台组件。美国陆军管理的网络司令部持久训练环境(PCTE)能够为网络战士提供个人训练和集体训练的平台。目前,没有任何系统可以为网络战士提供持久的训练,而通常是在大型年度演习上测试学习情况。PCTE是2018财年的主要网络采办项目之一。美国陆军在五项不同的挑战赛上颁布模型奖,以激励建成更大规模的平台。目前美国政府所扮演的角色是不同能力的集成者,PCTE的发展是一个持续的建设与反馈过程,该系统将于8月进行首次培训,9月发布反馈结果。每个月合作伙伴都会与利益相关方合作探讨反馈结果来加以改进。

五 光电子技术

2018年,光电子技术在激光器、光电探测器、光电显示和光电集成等领域继续呈快速发展势头,其重点和热点主要体现为:硅基激光器性能越来越好,制备方法多样化;高功率、高性能、小型激光器不断涌现;砷化镓基铟砷锑薄膜成功制备,将推动第三代红外探测器发展;石墨烯光电探测器取得重要突破;发光二极管效率不断提升;65纳米平面体硅、14纳米FinFET与CMOS实现光电子集成。光电子技术将继续在侦察与遥感、夜视与观瞄、火力控制、精确制导、通信、惯性导航、光电对抗和激光武器等军事领域发挥重要作用。

(一)激光器

1.韩美联合研制出能发射超快光脉冲的纳米石墨烯基光源

2月,韩国庆熙大学、美国哥伦比亚大学将石墨烯封装在六方氮化硼中开发出电驱动超快光源。石墨烯中的电子与六方氮化硼中的光学声子发生强耦合,在石墨烯—六方氮化硼界面处形成声子极化激元,实现高效近场热传输;弱声学声子耦合与电子自身的运动,使得器件能快速冷却,实现高速调制。与通过热传导的散热方式相比,该器件的散热速度提高了几个数量级。此次研制的电驱动石墨烯基光源能产生明亮、稳定的可见光和近红外光,带宽高达10吉赫兹,脉冲持续时间为90皮秒,寿命至少为4年,有望用于光通信系统。

2.德国启动“高能中红外激光器”项目

4月,德国联邦教育与研究部投入150万欧元,启动为期三年的“高能中红外激光器”(HECMIR)项目。该项目旨在开发并演示辐射波长为1.9微米、可在焦耳范围内提供高激光能量的二极管泵浦固态激光器。该激光器将为材料加工、基础研究等应用提供理想光源。

3.日本成功实现硅基砷化镓量子点激光器

5月,日本东京大学采用分子束外延技术,在硅衬底上制备出电注入砷化铟/砷化镓单片量子点激光器。该激光器辐射波长为1250纳米,半峰全宽为31毫电子伏,最低阈值电流密度为320安/厘米2,可在室温下工作。这项技术为制备单片硅基光源提供了新思路,有望解决COMS工艺集成中金属布线引起的低带宽密度、高功耗等问题。

4.美国利用光波—声波耦合开发出新的硅基激光器

6月,美国耶鲁大学利用光波和声波耦合放大光波,在单晶绝缘体上硅晶圆上制作出新的激光器。这种硅基激光器采用了悬空环形波导谐振腔实现激射。悬空环形波导谐振腔长4.6厘米,能严格限制光波和声波,最大限度地发挥光波与声波间的相互作用。悬空环形波导谐振腔存在两种不同的光传输通道,使研究人员能以可靠、灵活的方式影响光—声耦合。这项研究为研发硅基光电子器件开辟了新的技术途径,有望开发新的高性能光电计算系统(见图4)。

图片关键词 

图4 硅基光—声耦合激光器激射

5.美国提出稳定高功率激光器的新方法

8月,在美国海军研究局和空军科学研究办公室支持下,伦敦帝国理工学院、耶鲁大学、南洋理工大学和卡迪夫大学提出稳定高功率激光器的新方法。研究人员设计出D型微腔,在光反弹区域产生波混沌,并使用波混沌或者无序微腔干扰光学细丝的形成,使激光保持稳定。新方法能承受高功率激光,同时激发多个空间模式,提高半导体激光器的功率光束质量。此外,新方法还能满足材料加工、大型显示器、激光手术以及光探测和测距遥感系统等对高功率激光器的需求。

6.新加坡采用纳米半导体圆柱研制出超紧凑激光器

9月,新加坡科学技术研究所利用驻波实现光增强,开发出纳米半导体圆柱阵列微型激光器(见图5)。该激光器的优点如下:一是可以很容易地控制狭窄光束的方向;二是纳米半导体圆柱分布稀疏,激光器是高度透明的。这种激光器首次在非金属结构中实现激光发射,未来,研究团队将开发电激励式激光器,以实现商用。

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图5 纳米半导体圆柱阵列微型激光器激射

(二)光电探测器

1.美国成功实现砷化镓基铟砷锑薄膜制备

2月,美国石溪大学利用异质层状结构设计,克服了晶格失配难题,在砷化镓衬底上外延生长出响应波长8~12微米、少数载流子寿命185纳秒的铟砷锑薄膜,为研制高性能、低成本长波红外探测器开辟了新的技术途径。以砷化镓为衬底有望实现铟砷锑薄膜的大规模、高质量、低成本制备,促进其在高灵敏度、大面阵、低成本长波红外探测器中的应用,推动导弹预警、空间遥感、情报侦察、精确制导、夜视观瞄等装备的发展(见图6)。

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图6 砷化镓基铟砷锑薄膜异质层状结构

2.石墨烯光电探测器取得重要进展

2月,在2018年世界移动通信大会上,意大利、比利时和德国演示了世界上首个全石墨烯光通信链路。该链路单通道数据传输速率达25吉比特/秒。同时,瑞典演示了首个超快石墨烯光开关原型,可用于数据传输速率达100吉比特/秒的通信链路,将推动5G通信技术的发展。

6月,在美能源部支持下,加州大学洛杉矶分校采用金片—石墨烯纳米条结构制备出高性能光电探测器。该器件工作波段为可见光至红外光,响应时间比量子点石墨烯光电探测器至少提高了7个数量级,工作速度提高了1个数量级,为宽波段、高灵敏度、超快光电探测器制备提供了新的技术途径(见图7)。

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图7 宽波段、高灵敏度、超快石墨烯光电探测器

9月,西班牙光子科学研究所和美国耶鲁大学利用石墨烯等离子体与光子共振耦合,开发出工作频率达吉赫兹的室温、高效中红外探测器。研究团队在由化学气相沉积法制成的石墨烯晶圆上,制备出与石墨烯纳米带相连的石墨烯盘等离子体谐振腔。当波长为12.2微米的中红外光照射在该探测器上时,可在石墨烯盘等离子体谐振腔和石墨烯纳米带表面观察到高光吸收响应率。

3.俄、印制备出世界首个氧化镓日盲紫外光电探测器

8月,俄罗斯、印度采用离子注入技术在氧化铝掩埋层中制备出氧化镓纳米晶体,并结合叉指电极制成日盲紫外光电探测器。氧化镓日盲紫外光电探测器工作波段为250~280纳米,响应率高达50毫安/微瓦,叉指电极长300微米、宽40微米、间隙宽40微米。该技术为研制下一代超高灵敏度日盲紫外光电探测器提供了途径。

(三)光电显示

1.德国开发出LED量产新方法

7月,德国欧司朗光电半导体有限公司公布了“大型晶圆和面板LED增值链整合大批量生产”项目研究成果。研究团队提出平面互连技术:采用薄的扁平金属连接取代了键合线,使得表面发射器移至表面封装。与传统LED不同的是,采用平面互连技术制备的新LED可以更直接地发光,亮度高、成本低。该项目由欧司朗光电半导体有限公司联合弗劳恩霍夫集成系统和器件技术研究所、弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所,于2014年12月至2018年2月开展。此项目还是“光子工艺链”计划的一部分。

2.韩国首尔伟傲世发布紫外发光二极管组件

8月,韩国首尔伟傲世有限公司发布了紫外印刷电路板上的晶圆级集成芯片(UV WICOP)组件,并获得专利。印刷电路板上的晶圆级集成芯片(WICOP)属于首尔半导体公司的专利,它仅使用单个芯片和荧光粉,不含引线框架和金线等附加元件,是第一个不需要封装工艺的产品。首尔伟傲世有限公司将首尔半导体公司印刷电路板上的晶圆级集成芯片技术,用于紫外发光二极管组件。测试表明,与传统高功率封装发光二极管相比,新的紫外发光二极管组件性能提高了600%以上,持续照明时间达45000小时,提高了1个数量级,价格降低了80%。

3.美国采用锌锡氮化物提高长波铟镓氮发光二极管发光效率

8月,美国俄亥俄州立大学提出使用锌锡氮化物提高琥珀色铟镓氮量子阱发光二极管(辐射波长为600纳米)效率的方法。锌锡氮化物在铟镓氮材料中的应用,增加了电子与空穴波函数的重叠,使电子和空穴更有效地辐射光子。与铟镓氮量子阱相比,新材料的自发辐射强度提高了210~250倍,自发辐射复合率增加了210~235倍。此外,铟组分从29%降至10%,提高了生长温度和异质结质量。新材料有望拓展至其他长波长,为高性能单片可见光III族—氮化物发光二极管的发展奠定基础。

(四)硅基光电集成

1.美国利用65纳米平面体硅CMOS工艺实现光电单片集成

4月,在DARPA“光学优化嵌入式微处理器”项目支持下,美国麻省理工学院首次利用65纳米平面体硅互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,实现光子器件和电子器件单片集成。光电集成芯片(见图8)封装后长5毫米、宽4.8毫米,由数百万个、栅长60纳米的晶体管和4组光学收发机构成。光学收发机包含光学调制器、光电探测器等有源光子器件和波导、光栅耦合器等无源光子器件,工作速率达10吉比特/秒;光学调制器功耗是商用器件的1/100~1/10;光电探测器在16伏偏压下响应度为1.3安/瓦,噪声等效功率为图片关键词。该光电集成芯片可在不降低晶体管性能情况下,实现光子器件单独优化,验证了利用成本较低的平面体硅COMS工艺实现光电单片集成的可行性,为光电单片集成提供了新的技术途径。

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图8 CMOS光电集成芯片

2.比利时利用14纳米FinFET CMOS工艺与硅光子技术集成

7月,比利时微电子研究中心IMEC宣布实现了14纳米FinFET CMOS技术和300毫米硅光子技术混合集成,并展示了超低功耗、高带宽光学收发机。光学收发机尺寸0.025平方毫米,动态功耗230飞焦/比特,包含了FinFET跨阻放大器、锗波导光电二极管等器件。锗波导光电二极管可实现40吉比特/秒不归零光电探测,灵敏度为-10分贝,功耗为75飞焦/比特。通过波长1330纳米的标准单模光纤环回实验,IMEC证明了光学收发机具有高质量数据传输和数据接收能力。

六 微电子技术

2018年,全球微电子技术持续进步,在晶体管、集成电路、微处理器、存储器和宽禁带半导体器件等技术领域取得了重要进展,主要表现为:新概念、新材料、新原理等方面的技术突破推动晶体管前沿技术的不断进步,不同类型的新式晶体管相继涌现,性能、耐久性、实用性大幅提升,有望实现对传统硅基晶体管性能的全面超越;集成电路装备技术推陈出新,封装工艺安全性升级,新型材料技术与电路集成方案成为应对摩尔定律终结挑战的关键;微处理器硬件安全问题成为关注焦点,嵌入式微处理器产品有望应用于新一代航空电子平台和嵌入式成像应用系统;下一代存储技术取得新进展,推广和应用进程加速,微型数字射频存储器装备应用潜力巨大,可提高武器复杂环境下的作战效能;宽禁带半导体器件技术更加先进,新产品进一步提升装备射频和微波组件性能。

(一)晶体管

依托新概念、新材料、新原理等方面的技术突破,晶体管前沿技术不断进步,不同类型的新式晶体管相继涌现,性能、耐久性、实用性大幅提升,有望实现对传统硅基晶体管性能的全面超越。

1.世界首个六端子忆阻晶体管问世

2月,美国西北大学开发出世界首个六端子忆阻晶体管(见图9)。该器件可通过栅极调谐模拟人脑异突触可塑性,有助于人工神经网络实现接近人脑的复杂性学习和记忆功能。连续性循环测试实验表明,晶体管高/低阻态电流比和漏极电流大小稳定且未发生明显改变,器件耐久性良好。电脉冲模拟实验结果显示,晶体管具有明显的长时程增强和抑制特征,对正、负电脉冲信号的反应时间分别为2毫秒和6毫秒,达到人类大脑突触水平,可实现异突触可塑性的模拟。

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图9 六端子忆阻晶体管结构

2.美国研制出高性能低接触电阻二硫化钼场效应晶体管

5月,在美国国家科学基金“材料科学与工程研究中心”项目支持下,美国哥伦比亚大学采用全新制备工艺,克服了过渡金属二硫化物与金属电极之间接触电阻大的难题,研制出新型二硫化钼场效应晶体管(见图10)。该晶体管接触电阻率为2.3千欧·微米,沟道载流子浓度达4.6×1013/厘米2,室温下亚阈值摆幅为64毫伏,开态电导大于100微西门子/微米,开关电流比为2.7×108,性能已十分接近国际半导体技术路线图中低功耗电子器件的性能目标,为过渡金属二硫化物在未来先进电子器件中的应用奠定基础。

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图10 低接触电阻二硫化钼场效应晶体管结构

3.德国开发出世界首个准固态单原子晶体管

8月,德国卡尔斯鲁厄理工学院采用全新电化学制造技术,开发出世界首个在室温下工作的准固态单原子晶体管(见图11)。该晶体管开关单元尺寸仅为1纳米,与硅基晶体管相比,工作电压降低2个数量级,为后摩尔时代晶体管发展开辟了新的技术途径。该晶体管的工作原理如下:通过调整栅极电压脉冲控制电化学反应进程,改变银量子点接触开关单元中间连接处的银原子个数,使开关单元电导数值发生变化,当电导为1/12.9千欧的整数倍时,开关单元导通,晶体管开启,其他情况下晶体管关闭。该晶体管验证了基于电化学原理单原子晶体管技术方案的可行性,将催生性能更高、功耗更低的晶体管,实现对传统硅基晶体管性能的全面超越。

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图11 准固态单原子晶体管结构

(二)集成电路

集成电路外延反应装备技术推陈出新,全新系统级封装工艺安全性升级可面向军事应用,美国“电子复兴”计划关注新型材料技术领域与电路集成方案研究,以应对摩尔定律终结挑战。

1.美国应用材料公司推出新型常压厚硅外延反应室

3月,美国应用材料公司宣布推出采用全新设计的新型CENTURA 200毫米常压厚硅外延反应室。该反应室专为生产工业级高质量厚硅(厚度为20~150微米)外延膜而设计,能使当前的外延膜生产效率最大化。高质量厚硅外延膜的生长工艺是制造功率器件、微机电系统器件及其他与当今快速发展的移动互联和物联网技术相关电子器件的关键工艺。新型常压外延反应室为单晶圆反应室(一次只对一个晶圆实施外延工艺),适用于应用材料公司的200毫米和150毫米CENTURA系统,在不影响晶圆工艺质量的情况下,具有较高的晶圆吞吐量和较低的购置成本。

2.美国推出面向军事应用的全新系统级微电子封装工艺

4月,美国水星系统公司推出“构建安全”系统级微电子封装工艺。该工艺可用于军用嵌入式高性能计算系统,在节约制造成本、加快生产进度的同时,提高嵌入式芯片安全性,有望进一步提升武器装备信息化作战能力。

近年来,系统级芯片、硅通孔等新技术发展迅速,已成为提升电子系统嵌入式计算能力的关键,但由于存在可靠性和硬件安全风险,难以直接用于军事装备和系统。“构建安全”工艺是一种面向军事应用的系统级封装解决方案,具有以下特点:一是具有“一站式”、定制化集成能力。在保证尺寸、重量、功耗以及可靠性要求的前提下,不仅可通过一次性封装实现对多个中央处理器、图形处理器、现场可编程门阵列和各种存储单元的整合,还具备集成专用集成电路、微机电系统器件及传感器、密码模块、电源管理电路等功能性器件的能力。二是可靠性强。采用先进热管理技术和系统级封装架构,有效解决了器件外壳、印刷电路板和各组件间的热膨胀系数不匹配问题,可保障系统在100瓦以上高功耗条件下可靠运行。三是安全性高。通过系统级封装架构,将各分立器件集成在相对封闭的空间内,使各器件间连接线更加隐蔽,避免被敌方利用;实现设计生产供应链的完全自主可控,防止第三方IP、海外晶圆厂或无晶圆厂设计公司、进口商用现货等不可信因素的介入。

“构建安全”系统级微电子封装工艺将实现嵌入式高性能计算系统在武器装备中的安全集成,有望推动信息装备发展,催生全新作战理念。

3.美国“电子复兴”计划召开首次年度峰会

7月,为正式开启“电子复兴”计划并促进以美国为中心的国际电子业前瞻性合作,美国国防先期研究计划局在旧金山召开了首届“电子复兴”计划年度峰会。首届峰会会聚了数百名来自学术界、商业界和国防工业界的美国电子行业代表,讨论了下一代人工智能硬件、如何应对摩尔定律即将终结的挑战、新型材料与电路集成方法等议题,邀请了包括2017年图灵奖得主约翰·轩尼诗在内的多位高科技公司负责人和学术界领袖为大会做演讲,公布了参与“电子复兴”计划“第3页”投资规划项目关于材料与集成、电路设计、系统架构三大领域研究的团队名单、资助细节及项目实施方案。

(三)微处理器

微处理器芯片安全漏洞频遭曝光,硬件安全问题成为全球关注焦点,嵌入式微处理器产品不断更新,可应用于第二代航空电子平台和下一代嵌入式成像应用系统。

1.英特尔处理器芯片安全漏洞曝光

1月3日,谷歌零计划安全团队和奥地利格拉茨科技大学等学术研究机构率先披露,英特尔处理器芯片存在重大安全漏洞“崩溃”和“幽灵”。二者潜在威胁大、修补难度高,带来的安全风险遍布全球,影响极其严重。12日,芬兰芬安全公司宣布,在英特尔主动管理技术固件中发现新的安全漏洞,促使事态进一步发酵。

被曝光的“崩溃”和“幽灵”均为处理器芯片底层安全漏洞,潜在威胁巨大,修补难度很高。黑客可利用“崩溃”和“幽灵”以侧信道攻击的形式轻而易举地实现对用户设备的攻击,造成系统崩溃,用户数据丢失、泄露等十分严重的后果。由于漏洞位于硬件底层,无法依靠处理器代码更新来解决,只能从操作系统层面入手进行修复,且需要处理器生产商的固件修复、操作系统提供商的软件更新以及终端应用厂商的配合才能实现。想要彻底规避所有风险,需对芯片进行重新设计。

芬安全公司曝光的安全漏洞在英特尔为商业企业级客户专门推出的主动管理技术固件中,潜在破坏性惊人。黑客可通过漏洞以物理访问的方式创建“后门”,启用远程访问,利用与用户相同的无线或有线网络同用户系统建立连接,在短短几秒钟内实现对用户电脑的完全控制。利用此漏洞,黑客可以访问用户设备上所有的数据及应用程序,随意安装恶意软件。目前,仍没有有效的安全措施消除该漏洞所带来的风险。

2.Lynx公司和X-ES公司联合开发基于微处理器的第二代航空电子平台

7月,美国极端工程解决方案公司(X-ES)和Lynx公司宣布将联合开发基于微处理器的第二代集成模块化航空电子平台。新产品将X-ES公司的Xpedite7674计算板与Lynx公司的LynxSecure安全束集成在一起,为航空电子平台设计提供了新的选择。

Xpedite7674是一款基于英特尔至强D系列处理器的单板计算机,能够在单个片上系统封装中提供多达16个“至强”级内核,并支持1000Base-X千兆以太网接口,以及两个10千兆位10GBase-KR现场可编程门阵列接口,具备托管自定义功能及高安全性应用标准。Lynx公司开发的LynxSecure安全束,能将LynxOS-178、Linux等实时操作系统或基于操作系统的模块及应用安全可靠地安装在一个多核心时空分区内,并实现同步运行。

3.美国“关键链接”公司开发出可应用于下一代嵌入式成像应用系统的MitySOM-A10S-DSC处理器

8月,美国“关键链接”公司开发出专用于下一代嵌入式成像系统的MitySOM-A10S-DSC处理器。该处理器是一个高度可配置的系统级模块,具有兼容堆叠配置的双面连接器,支持Intel/Altera Arria 10片上系统、双核ARM和高达480KLE的现场可编程门阵列。MitySOM-A10S-DSC处理器支持开放运算语言,可压缩设计周期,并将C/C++代码定位到现场可编程门阵列中。处理器自带嵌入式Linux系统,可为复杂的成像平台提供操作系统支持,具有多功能性和易于定制等优点,可用于机器视觉系统、测试量测仪器、嵌入式设备、工业自动化控制系统及医疗器械中。

(四)存储器

相变存储技术、超薄磁性存储技术等下一代存储技术不断取得新进展,存储性能和耐久性显著提高,推广和应用进程加速,微型数字射频存储器赋予精确制导武器电子攻击能力,可提高武器复杂环境下的作战效能。

1.新型封闭式相变存储器单元创耐久性纪录

2月,美国耶鲁大学与IBM华生研究中心合作开发出新型相变存储器单元(见图12)。该器件首次采用封闭式相变介质结构,耐久性提升4个数量级,有望进一步促进相变存储器的推广和应用,加速数据存储技术变革。新型相变存储器单元由顶部电极、底部电极、锗—锑—碲相变介质三部分构成,使其具有超强耐久性。试验结果表明,该存储器单元读写循环次数达到2×1012,刷新了耐久性纪录。新型封闭式相变存储器单元的耐久性显著提升,有望加速相变存储器取代静态随机存储器、动态随机存储器、闪存等当前主流存储器的进程,推动相变存储器在大数据、云计算、模拟仿真等领域的大规模应用。

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图12 新型封闭式相变存储器单元结构

2.美国开发出可用于精导武器的微型数字射频存储器

3月,美国水星系统公司利用三维垂直堆叠架构开发出微型数字射频存储器。该器件尺寸仅为传统数字射频存储器的1/4,可集成到精确制导武器中,赋予武器有源电子干扰能力,提高精确制导武器在复杂战场环境中的作战效能。水星系统公司研制的微型数字射频存储器采用三维垂直堆叠架构,由数字电路模块、电源管理模块、模拟电路模块、功能拓展模块四部分组成(见图13)。数字电路模块采用芯片减薄工艺、多存储器垂直堆叠及互连技术,厚度小于2.5毫米,集成了处理器或现场可编程门阵列等数字处理单元以及18个非易失性存储单元,具备吉比特字节以上存储能力。模拟电路模块由微型射频多芯片组构成,通过芯片组底部的球栅阵列与电路板表面贴装,获取电能和信号。电路板由具有良好散热性能和高机械强度的材料制成,通过优化高度和隔离壁厚度,实现射频多芯片组集成封装密度最大化。电源管理模块利用导线与其他模块的电路板相连,可实现大电流、低电压、低噪声的系统电力供应。功能拓展模块位于垂直堆叠架构的最上方,是预留电路板,可根据实际需求添加新的功能电路。

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图13 微型数字射频存储器结构

3.美国研制出原子级超薄磁性存储器件

5月,美国华盛顿大学领导开发出利用层状磁性材料进行信息编码的原子级超薄磁性存储器件,可大幅提升数据存储密度和能量利用效率。该器件可看作一个由六方氮化硼、石墨烯和三碘化铬三种层状二维材料堆叠而成的磁性隧道结,依据电子自旋方向对电子进行过滤。其中最为核心的部分是由石墨烯传导层和中间的两层三碘化铬构成的“三明治”结构。随着施加电压大小的变化,“三明治”结构中的磁场也会发生改变。这项研究展示了将磁性存储技术推向原子级厚度极限的可能性,不仅能大幅提升数据的存储密度,而且存储功耗也比当前存储器小一个数量级以上。虽然目前超薄磁性存储器件需要在适度的磁场强度和理想的低温环境下才能工作,但这种器件的概念和运行原理是新颖的和具有开创性的。

4.IBM开发出基于玻璃态金属锑的单元素相变存储单元器件

6月,IBM苏黎世研究院与德国亚琛工业大学合作开发出基于玻璃态金属锑的单元素相变存储单元器件,克服了传统多元素相变存储器局部组分改变问题,为进一步实现相变存储器尺寸缩小和性能提升开辟了全新的技术路径。

新型单元素相变存储单元器件具有垂直层状结构,利用电压脉冲诱导下金属锑相变介质的相态转换实现信息存储功能,但金属锑在室温下会迅速结晶。研究人员经第一性原理分子动力学模拟计算发现,纳米尺度相变环境下玻璃态金属锑的稳定性与其淬火速率具有明显相关性,据此开发出速率为1010开尔文/秒的纳米尺度熔体快速淬火技术,成功解决了玻璃态金属锑的稳定性问题。实验结果显示,新存储器中玻璃态金属锑可在20℃下稳定存在51小时以上。

新型单元素相变存储单元器件未来有望应用于“内存内计算”“记忆型存储级存储器”“脑启发计算”等数字信息前沿技术领域。

(五)宽禁带半导体器件

1.美国英特格拉技术公司推出可用于C波段雷达的新型射频与微波碳化硅上氮化镓晶体管

3月,美国英特格拉技术公司推出全新碳化硅上氮化镓晶体管产品IGT5259L50。该产品可满足脉冲C波段雷达大功率、高增益应用需求。IGT5259L50大功率碳化硅上氮化镓高电子迁移率晶体管工作在5~6吉赫兹下,可输出50瓦功率。该产品的瞬时响应覆盖频率范围为5.2~5.9吉赫兹,特征增益为14分贝,在15%工作比、脉宽1毫秒的脉冲状态下的效率为43%。该器件被封装在符合欧盟RoHS标准的具有散热功能的金属/陶瓷合金金属化外壳内。整个产品宽0.8英寸、长0.4英寸。

2.美高森美推出全新碳化硅金属氧化物半导体场效应管功率模块

6月,美国美高森美公司推出了一款全新的碳化硅金属氧化物半导体场效应管功率模块产品SP6LI。该产品可应用于航空航天和国防工业领域,实现电源开关模式切换和电动机控制。该功率模块采用电感极低的封装技术,以实现大电流低特异性导通电阻,可用于飞机驱动控制系统、发电系统、电动和混动汽车传动及动能回收系统,还具有切换和管理感应加热、医疗电源和电气化列车中电源开关模式的功能。SP6LI系列产品有5个标准模块,管壳在温度80℃时,相桥臂拓扑结构范围从210~586安培下1200伏特到207安培下1700伏特。

3.瑞士开发出面向5G应用的新型氮化镓/铝镓氮晶体管异质结

7月,瑞士保罗谢勒国家研究所开发出首个基于二维电子气的新型氮化镓/铝镓氮晶体管异质结,为开发面向5G应用的高性能晶体管奠定了基础。新型氮化镓/铝镓氮晶体管异质结的氮化镓和氮化铝界面晶体结构具有六重对称性,沿原子链有六个相同的对称方向。软X射线显微镜成像结果表明,如果使氮化镓高电子迁移率晶体管中原子的排列方向与电子的流向进行匹配,就能使晶体管性能更强大。据估计,新技术有望使无线电发射器性能提高10%。这意味着只需较少的传输站就能提供足够的网络覆盖能力和电力,从而使移动通信网络的维护和能源成本减少数百万美元。

4.美空军研究实验室与BAE系统公司签署氮化镓半导体技术合作研究与开发计划协议

9月,美国空军研究实验室与BAE系统公司签署合作研究与开发计划协议,将空军开发的氮化镓半导体技术转移到该公司位于新罕布什尔州的先进微波产品中心,旨在进一步增强该技术先进性,并将该技术扩展至6英寸晶圆,以降低单芯片制造成本,同时提升其在国防关键技术领域的实用性。双方将合作建立一条140纳米氮化镓单片微波集成电路工艺线,2020年开始生产,并通过开放式代工服务向美国防部供应商提供产品。

七 量子信息技术

(一)量子计算

2018年,量子计算在量子芯片、量子算法等方面取得重要进展:72超导量子比特芯片原型问世;专用量子计算机在新材料研发方面展现出巨大潜力;量子算法与人工智能融合发展。

1.新加坡开发出适用于人工智能的量子算法

2月,新加坡国立大学提出量子线性系统算法。该算法使用大的数据矩阵进行计算,可提高大容量数据集的分析速度,有望加速人工智能技术的发展。

2.美国发布72超导量子比特芯片原型

3月,美国谷歌公司研制出由72个超导量子比特组成的量子芯片原型Bristlecone(见图14)。该芯片计算能力优于千万亿次经典计算机,错误率低至1%。

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图14 Bristlecone芯片原型

3.日本研制出数字退火计算专用处理器DAU

5月,日本富士通公司采用传统计算机芯片技术开发出8192量子位、精度64位的数字退火计算专用处理器DAU,并推出数字退火云计算服务。预计,富士通将在2019财年推出DAU专用计算机系统。该系统旨在提供100万量子比特的大规模平行处理能力,能快速计算出包含100多万个变量的多项式方程的最佳解。未来,DAU专用计算机系统将在人工智能和机器学习方面展现巨大的优势。

4.美国发布Cirq量子算法框架

7月,美国谷歌公司发布开源量子算法框架Cirq。Cirq旨在使用户更容易地编写、操控和优化量子算法,实现对量子电路的精确控制,有助于推动50~100量子比特量子计算机的实现。

5.加拿大利用2048量子退火机成功完成材料仿真

8月,加拿大D-Wave公司通过编写D-Wave 2000QTM系统构造二维人工自旋点阵,研制出可完全编程的2048位量子退火机,并使用该计算机模拟出了用于研发超导体的拓扑相变,这表明可完全编程的2048位量子退火机可以作为大规模量子系统的精确模拟器,且有助于降低复杂材料研发时间和成本(见图15)。

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图15 D-Wave 2000QTM量子退火机

(二)量子通信

2018年,量子密钥分发网络向高速、安全、小型化方向发展;继中国、日本发射量子卫星后,新加坡和英国积极探索通过低成本、小型化卫星实现星—地量子通信。

1.英国设计出独立探测器原型

6月,英国约克大学设计出一种独立探测器原型,并给出了原型起作用的严格数学证明。该探测器原型可以接收来自发送者和接收者两个信号的组合,并读出组合信号的结果,但无法读出组合信号的组成部分。采用这种方式黑客无法成功干扰探测器或改变探测器工作方式,有望消除当前通信漏洞,保护传输的加密信息不受黑客攻击,确保信息安全。此外,探测器与现有光纤通信网络兼容,无须对现有基础设施进行重大改造。

2.英国开发出安全量子通信新方法

8月,英国伦敦大学学院开发出新的安全量子通信方法。新方法使用户能够在基于物理量子定律操作的设备之间安全可靠地进行通信。伦敦大学学院的工作是在目前构建的硬件上创建软件,以实现量子通信潜力。研究人员结合机器学习和因果推理提出了“不可动摇”的通信系统,通过量子力学快速测试和保证安全性,从而以难以有效拦截的方式在用户之间分配密钥。该方法适用于一般网络,无须信任设备或网络制造商以确保保密,通过使用网络结构限制窃听者学习的内容。未来,英国伦敦大学学院将与英国国家量子技术计划的合作伙伴开展合作,进一步开发大规模量子网络。

3.德国致力于利用光子集成技术实现量子通信

8月,作为欧洲量子旗舰计划的一部分,在“每个人都负担得起的量子通信:从制造到应用变革量子生态系统”(UNIQORN)项目支持下,德国弗劳恩霍夫通讯技术研究所正在开发一种新的、低成本的光学集成解决方案。光学集成的核心是由德国弗劳恩霍夫通讯技术研究所开发的PolyBoard的微光学平台技术。微光学平台技术可以在PolyBoard芯片上将产生纠缠光子的大型毫米尺寸光学元件(如晶体)与亚毫米尺寸光学元件相结合。研究表明,在生成的光子集成芯片内部自由空间光学区域并借助特定镜头的基础上,用于量子技术的已知材料系统可以直接与光子集成电路组合,而不必牺牲微光学元件的性能。混合光子集成平台PolyBoard促进了用于电信和数据通信应用的微型光学元件,以及用于分析和传感器技术的微光学芯片的开发。

4.日本高速量子加密通信密钥分发速率达10兆比特/秒

9月,日本东芝集团和东北大学在铺设的光纤链路上成功应用了高速量子加密通信技术,首次实现量子密钥分发速率达10兆比特/秒,通信时间超过1个月,通信距离达7千米的量子加密通信。高速量子加密通信技术由东芝集团欧洲剑桥研究实验室研发。东芝集团构建了通过光纤链路进行数据传输的应用程序。将这个应用程序与高速量子加密技术相结合,即使在真实环境下也能验证实际密钥分发速率。此外,东芝集团还构建、运行了一个无线传感器网络。该网络可持续监测铺设的光纤光学链路。未来,东芝集团将继续开展现场试验,旨在将量子加密技术用于医疗、金融和通信基础设施等领域。东北大学将继续推广使用安全可靠的信息通信技术。

5.新加坡和英国计划于2021年发射小型量子通信卫星

10月,新加坡和英国开展小型量子卫星计划,旨在2021年发射小型量子通信卫星CubeSat,验证高度安全的量子密钥分发全球通信网络。CubeSat卫星大约重12千克,尺寸约为鞋盒大小。将量子密钥分发系统置于小型卫星上意味着几乎没有空间放置备份系统。当前新加坡测试了量子密钥分发系统在恶劣条件下的生存能力,包括火箭上的模拟发射振动和类似于太空中的极端温度环境。此外,通过小型量子卫星实现量子通信的一项重大挑战是成功将光子中包含的密钥从太空传输至地面,这要求小型卫星上的望远镜和地面站的望远镜之间进行精确对准,因而需要建立跟踪系统使小型卫星在跟踪地面站时不断调整其在轨道上的方向。未来,英国将重点解决这一挑战。

(三)量子计量

1.英国研发出商业可用的量子加速度计

11月,在英国国防科学技术实验室“未来传感和态势感知”项目资助下,帝国理工学院与M Squared激光系统公司联合研制出用于精确导航的量子加速度计,并在现场进行了演示。该量子加速度计是一套独立完整的系统,且便于机动,是英国首个可用于导航的商业化量子加速度计。M Squared激光系统公司开发出高功率、低噪声和频率可调的通用激光系统,以对原子进行冷却,并为测量加速度提供“光学尺”。其有望用于船舶、列车等大型机动平台,或者用于探索暗能量和引力波等基础研究领域。

2.俄罗斯测试了首个采用量子无线电技术的试验雷达

11月,俄罗斯对首个采用量子无线电技术的试验雷达进行了测试。该试验雷达完成了探测、跟踪空中目标的任务,有望大幅提升雷达的灵敏度、抗干扰能力、识别目标能力、反隐身能力等,且理论上能实现对目标的百分之百识别。它能极大地突破现有雷达性能的极限,可能是一种完整意义上的量子雷达。

(四)量子器件及材料

1.美国利用金刚石硅空位色心延长量子存储器寿命

5月,在美海军支持下,哈佛大学、剑桥大学将包含金刚石硅空位色心的晶体刻成弦宽1微米的弦,弦两端与电极相连。施加电压,拉伸金刚石弦提高原子振动频率,使硅空位色心中的电子只受到高频振动影响,延长硅空位色心中的电子存储时间。以此制成的量子存储器的信息存储时间达数百纳秒,较此前提高了1个数量级。

7月,美国普林斯顿大学、第六元素公司在天然金刚石中掺入硅原子制备出金刚石中性硅空位色心,将量子比特的相干时间延长至1秒,实现了量子信息的存储和传输。

2.奥地利、美国合作提出量子信息传输新方法

5月,奥地利维也纳技术大学和美国哈佛大学在含有硅原子缺陷的金刚石微粒中构建了量子存储器阵列,并利用声子实现量子存储器连接。量子存储器在长度上仅相距几微米,在微波作用下会在高能量状态和低能量状态之间切换,实现类似微型开关的作用。通过金刚石微粒发生振动产生的声子可将量子存储器连接在一起,为发展可扩展的量子技术提供了新途径。

3.美国研制出锂锇氧化物新材料

5月,美国俄勒冈州立大学开发出一种新的无机化合物——锂锇氧化物。锇原子在氧化物中形成蜂窝状晶格结构,并产生“磁阻挫”现象。在锂锇氧化物中,电子自旋不能有序排列,而是处于不断波动中。当温度接近绝对零度时,也无法在氧化锇锂中发现磁有序的证据,表明氧化锇锂中可能存在量子自旋液体。

4.美、法、德联合探索碳纳米管单光子源

6月,美、法、德正在探索功能化碳纳米管作为单光子源的潜能,以用在信息传输、信息处理等领域。法国重点研究将碳纳米管集成到光学微腔的技术;德国重点研究碳纳米管电致发光器件与光子波导结构集成;美国洛斯阿拉莫斯国家实验室重点分析碳纳米管缺陷,以实现室温、通信波段的量子辐射。

八 MEMS技术

MEMS技术持续发展,在新型传感器、MEMS技术嵌入、新材料、新工艺等技术领域取得了重要进展,主要表现为:新型MEMS传感器件向高精度、微型化、快响应、智能、稳定等方面进一步发展;MEMS技术成功嵌入各个领域,助力各领域设备小型化;新材料、新工艺使MEMS器件性能进一步提升,降低材料成本,促进了MEMS器件在各领域普及。

(一)新型MEMS传感器

新型MEMS传感器件不断向高精度、微型化、快响应、智能、稳定等方面发展;各领域专用MEMS器件不断推出,器件性能大幅提升。

1.日立推出灵敏度提升、功耗减半的MEMS加速度计

1月,日立推出新型MEMS加速度计,灵敏度大幅提升,功耗仅20毫瓦,是传统商用MEMS加速度计的一半。这款MEMS加速度计的噪声密度与应用在航天航空、地震和资源勘探等领域的“大型”加速度传感器基本相同。为提高器件灵敏度,日立优化了传感器的结构,在质量块上制作贯通孔以降低空气阻力(见图16),贯通孔上层和下层的直径是变化的,上层孔径小为电极部分,下层孔径大为重量较大的运动部分。通过此方法可将空气阻力降低约50%,由此也使传感器的功耗降低。

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图16 质量块上制作贯通孔以降低空气阻力

2.新型无干扰MEMS电场强度传感器问世

1月,维也纳技术大学研制出一款硅基MEMS电场强度测量传感器,在测量时不会干扰待测电场。这款MEMS传感器由硅材料制成,通过微型弹簧带动固定在该弹簧上的微型网状硅,实现微米量级的测量。弹簧在电场作用下发生轻微的延展或压缩,带动网状硅运动,网状硅上方有一层固定的不透明网状结构,上、下两层的孔洞在弹簧无形变时精确对准。当可动网状硅在弹簧的带动下产生位移时,上、下两层网状结构之间便会出现缝隙,传感器LED发出的光透过缝隙由光电探测器探测,测量进光量可计算电场强度(见图17)。

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图17 MEMS电场传感器的测量原理及剖视图

3.更小、更快、更智能的MEMS功率继电器

3月,Menlo Micro推出200伏/10安数字微开关(DMS)智能功率继电器。这款MEMS功率继电器组合了200个以上的MEMS高压开关,具有完整的保护和控制系统,能承载10安直流电流,且无须散热。该功率继电器与传统功率继电器相比体积和重量减少80%,开关切换速度比传统机电式继电器提升1000倍,采用晶圆级制造加工工艺,具备大规模低成本生产潜力,适用于家庭和楼宇自动化、工业自动化控制、机器人、电动汽车、电池管理和电子设备等。

4.“硅设计”公司推出专用MEMS直流响应加速度计

4月,“硅设计”公司推出结构紧凑、轻巧的单轴Model 2220 MEMS直流响应加速度计(见图18)。Model 2220系列加速度计具有高驱动力、低阻抗缓冲、重量轻、外形尺寸小等特点,测量量程共7段,覆盖±2~±200克,每段量程都有低至零赫兹的宽频响应。传感器模组封装在坚固的阳极氧化铝外壳内,通过两颗M3螺丝固定,重量仅10克,尺寸为1×1×0.3英寸,可在-55~125℃的范围内承受高达2千克的输入。该系列加速度计可用于飞行测试、飞机颤振测试、振动监测和分析、碰撞测试、机器人、生物力学研究等领域。

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图18 “硅设计”公司的Model 2220 MEMS直流响应加速度计

5.硅微结构公司推出稳定性高的超低压力MEMS传感器

5月,硅微结构公司(SMI)推出了SM933X系列超低压力MEMS传感器。SM933X系列传感器具有完全的温度补偿和压力校准,可实现精确的压力传感,最小可测压力低至125帕。该系列传感器的压力换能器和最先进的信号处理器采用双垂直端口的小型SO16封装在一起,提升了传感器的输出精度和稳定性。SM933X系列传感器具有ASIC架构和高阶滤噪功能,器件噪声低,不易受电磁干扰。系统供电电压范围为3.0~5.5伏,具有低电流消耗和睡眠模式,非常适合低功耗应用。此外,该系列传感器没有安装或振动敏感度,爆裂压力高,坚固耐用。

6.意法半导体公司推出新型高精度MEMS传感器

5月,意法半导体公司推出全新的高分辨率、高稳定性3轴MEMS加速度计传感器IIS3DHHC,采用16引脚5×5×1.7毫米陶瓷封装,在温度变化很大的环境内可长时间运行,并保证测量精度。该款产品主要适用于通信系统、天线定位系统、建筑物和桥梁安全的结构健康监测设备、各种工业平台的稳定器或调平器。

7.CMOS片上压电MEMS超声换能器新平台

7月,马来西亚CMOS和MEMS代工服务供应商SilTerra发布了用于指纹识别和医疗成像的CMOS片上压电MEMS超声换能器平台PMUT(见图19)。PMUT采用了CMOS工艺兼容的压电材料,以及表面微机械加工技术,可满足各种市场应用,如用于指纹传感、医疗成像等。PMUT平台的部分主要组成包括基于CMOS的氮化铝基器件、高达25兆赫的谐振器、9个额外的掩模层。制造工艺采用标准的CMOS工艺流程,凭借单片整体解决方案,可显著降低器件的寄生效应。

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图19 SilTerra新工艺平台打造的PMUT器件

(二)MEMS技术成功嵌入各领域器件

2018年,MEMS技术成功在各领域器件中嵌入,助力器件向小型化、智能化方向不断发展。MEMS技术使器件实现立体微结构,促进器件小型化。MEMS器件与透镜相结合,实现对光的高效控制和操作。MEMS应用于声子晶体波导,控制超声波振动速度和波长。人工智能首次在MEMS器件中应用,降低传感功耗。

1.“MEMS+电镀”实现“三明治”立体微结构

2月,日本小野田制作所和长野县工业技术中心的精密电子航空技术部合作,研发出一种结合金属材料和树脂材料的复合立体微结构,利用该技术可以制造尺寸极其微小的传感器和电子器件。这项技术能够实现0.01毫米甚至更小的加工精度,制作出曲线或细小凹凸的复杂微结构。同时,优化了导电金属材料层的制作工艺,实现了良好的机械强度和电气性能,采用光刻和电镀相结合的工艺技术,有效地降低了制造成本。此外,联合团队利用金属—绝缘材料—金属的“三明治”结构(见图20),成功地使两层金属材料通过绝缘材料紧密结合在一起,使器件的尺寸缩减至原结构的1/10。

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图20 金属—树脂—金属“三明治”立体微结构

2.哈佛大学联合阿尔贡国家实验室在MEMS芯片上集成超级透镜

2月,哈佛大学联合阿尔贡国家实验室在MEMS芯片上集成中红外光谱超级透镜(见图21)。联合团队在一块SOI绝缘体硅(2微米顶部器件层、200纳米掩埋氧化层以及600微米衬底层)上,采用标准光刻技术制造了超表面透镜。然后,将透镜与一个MEMS扫描器(本质上是一个用于高速光路长度调制的偏转光线微镜)的中心对齐,通过沉积微小铂片将其连接固定。在静电驱动情况下,MEMS平台可控制透镜两个正交轴运动,使平面透镜在每个方向约9°范围内进行焦点扫描,聚焦效率约为85%。器件的光谱范围还可扩展至可见光及其他光谱范围,拓展应用范围,如基于MEMS的显微系统、全息和投影成像、激光雷达扫描器和激光打印等。

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图21 集成在MEMS扫描器上的超级透镜

3.日本将MEMS应用于声学晶体波导操纵超声波振动的传播

6月,日本NTT公司联合东北大学,采用MEMS制造技术开发出“人造声学晶体”,并用于控制超声波振动的传播。该器件由传输微小振动的波导组成,当向安装在波导末端的电极施加电压,压电效应局部诱发超声波振动,而器件的群速度色散效应可使不同频率的波以不同的速度在器件中传播。此外,在波导末端施加频率调制信号,可成功实现波形的扩展和压缩,精确地控制振动波形的压缩比例以及压缩的位置和时间。该器件具有集成度高、频率范围宽、运行速度高、能耗低等优点,对于现代通信和传感技术意义重大。

4.舍布鲁克大学首次在MEMS器件中应用人工智能

10月,加拿大舍布鲁克大学首次成功地在MEMS器件中应用人工智能技术进行数据处理,标志着人工智能技术已向微型化应用迈进。该器件收集到的数据无须后端计算机处理,可直接在芯片上完成。器件功耗仅微瓦级,依赖能量采集器就能运行,无须电池供电,在传感器和机器人控制方面将得到广泛的应用。

(三)新材料、新工艺助力MEMS器件性能提升

微表面黏附力测量方法有望用于新一代MEMS加速度计和陀螺仪。MEMS器件新工艺显著提高MEMS器件的精度和可靠性,并降低其制造成本。石墨烯基MEMS器件提高器件的灵敏度、坚固性、信噪比等。聚合物基MEMS器件降低材料成本,对超声波成像普及有巨大的推动作用。

1.美国布朗大学提出微表面黏附力测量方法

3月,美国布朗大学提出了一种测量微表面黏附力的新方法,有效地提升了MEMS检测器件的测量准确度,有望用于新一代MEMS加速度计和陀螺仪。MEMS器件尺寸非常小,重力对于测量的影响较小,但材料间的黏附力影响较大。为此,研究人员采用微型悬臂梁的热振动计算黏附力,并利用改进的原子力显微镜(AFM)探测微表面黏附力的相关性质。当平滑的微悬臂靠近目标材料并与目标材料接触轻微抬起时,悬臂和目标材料会逐渐分离,但仍有部分保持黏附。在此过程中,悬臂非黏附的部分会发生非常轻微的振动。利用AFM探测振动的幅度,计算非黏着部分的长度,进而计算出目标材料的黏附力。

2.新加坡科技局提出MEMS新工艺

3月,新加坡科技局提出了一种新的MEMS器件制造方法,能够大幅改善当前微米及亚微米级MEMS器件制造的成本和精度问题。目前MEMS器件加工中形成5微米及以下通孔和锥形侧壁的方法并不可靠。如光刻胶层转移到蚀刻层中,因光刻胶掩模的过度损失而限制了通孔的最大深度,使侧壁过于粗糙。研究人员提出的两步等离子刻蚀工艺首先进行光刻胶锥形化,将光刻胶由垂直改变为锥形轮廓,然后进行侧壁聚合氧化物刻蚀。利用这种方法制造的通孔最小尺寸可降至1.5微米,且能得到约70°角的平滑侧壁。这项工艺可以制造出保护更好、具有更可靠金属触点的器件,大幅提升器件性能。

3.石墨烯基MEMS器件性能大幅提升

9月,Graphenea公司与英飞凌公司、WITec公司、亚琛工业大学等机构合作,成功完成NanoGraM项目。该项目目标是研发石墨烯基NEMS/MEMS器件,重点关注三类:石墨烯麦克风、石墨烯膜压力传感器和石墨烯膜霍尔传感器。石墨烯的力学特性使微型扬声器可以减少驱动电压,同时降低故障风险并实现高耐久性。石墨烯麦克风具有超高灵敏度,工作频谱覆盖从音频到超声波频段。石墨烯基压力传感器和霍尔传感器则具有更高灵敏度(高达100倍)、坚固性(高达5倍)及增强的信噪比等优点。

4.聚合物基MEMS有助于超声波成像普及

9月,英属哥伦比亚大学利用聚合物材料代替传统的硅材料,制造出电容式微机械超声波换能器CMUT。器件由64列CMUT阵元组成,每列阵元均包含4×75个CMUT单元(即为塑料MEMS),各列阵元的间距为550微米。线性阵列能够利用波束成形技术进行精确的超声成像实验。制造这些CMUT的关键在于将金属电极封装在薄膜内部而非顶部,实现与多晶硅或氮化硅制造相近的低工作电压。CMUT可以被预偏置,从而在接收中作为无源器件运行,并在超声波传输期间保持低激励电压。其最大工艺温度不超过150°C,意味着这些CMUT可直接在如波束成形器和Tx/Rx开关等硅基电子器件上制造。这种超声波收发器可以集成到可穿戴健康监测系统的柔性衬底中。

九 电子材料技术

2018年,宽禁带半导体材料、二维电子材料、磁性材料、有机电子材料及相关制备技术领域均有显著进展。碳化硅、氮化镓的应用研究继续加强;石墨烯、二硫化钼等材料的性能优化及制备水平获得提高,多种器件的出现展现了其巨大的应用潜力;自旋电子材料及器件制备取得巨大突破;有机电子材料加快柔性电子技术发展。

(一)新型宽禁带半导体材料

2018年,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是电子材料领域性能最佳、技术最先进的半导体材料,相关产品制备和技术研究均受重视;金刚石等新型宽禁带半导体材料应用研究取得突破;多种新型半导体结构材料有望带来新概念器件。

1.日本利用H-金刚石研制出可在高温下工作的功率转换系统关键电路

4月,日本国家材料科学研究所制备出基于H-金刚石的功率转换系统关键电路,并在300℃高温环境下可正常工作。金刚石是下一代半导体电子材料之一,可用于制备小型低损耗电力转换系统,但目前工作温度较低。研究人员利用H-金刚石及氧化镧铝(LaAlO3)、氧化铝(Al2O3)制备出具有超低漏电流密度(10-9安培/厘米2)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(LaAlO3/Al2O3/H-金刚石),并成功制备关键电路,该电路可用于电子器件和微处理器等数字集成电路,且能承受300℃的高温。

2.美国开发出半导体—超导体异质结

4月,美国康奈尔大学与海军研究实验室联合通过在氮化铌(NbN)晶体上直接生长氮化镓(GaN),研发出一种半导体—超导体异质结。具体制备方法是采用分子束外延(MBE)系统,在真空环境下通过电子束蒸发源将铌原子、氮原子沉积在碳化硅晶圆上制备出氮化铌外延层,再将镓和氮原子喷涂到氮化铌上,从而生长出氮化镓半导体层,最终形成半导体—超导体异质结。此项研究将超导体宏观量子效应和氮化物半导体族材料光电特性结合,使得到的半导体—超导体异质结具有高迁移率的二维电子气,并表现出量子震荡,提供了一种研发量子计算和高度安全通信系统的方法。

3.美空军研制出超高电子迁移率氧化镓

5月,在空军研究实验室资助下,美国俄亥俄州立大学研制出氧化镓宽禁带半导体异质结。研究人员利用调制掺杂技术合成带隙宽度远大于氧化镓(4.7电子伏特)铝氧化镓(AlxGa1-xO3)合金(6.0电子伏特),氧化镓及该合金构成半导体异质结。该异质结中间具有仅几个纳米的原子级无缺陷界面,电子在迁移过程中,可减少散射并保持高迁移性,从而使氧化镓具有超高的电子迁移率。该研究极大地推进了氧化镓在高频通信系统和高能效电力电子等应用领域的发展。

4.美国开发出高效散热半导体材料

7月,美国加州大学洛杉矶分校开发出一种新型无缺陷砷化硼半导体材料。与目前的半导体或金属材料相比,砷化硼可有效吸/散热,导热速度比碳化硅和铜等快三倍以上,有望解决计算机芯片中因热量集中和温度升高而性能降低的问题,并提高各种电子产品的性能,减少能源需求。未来,砷化硼有望与现有半导体制造工艺集成,取代目前最先进的计算机半导体材料(见图22)。

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图22 带有“热点”的计算机芯片图像(下)、无缺陷砷化硼的电子显微镜图像(中)、砷化硼中的电子衍射图案(上)

5.美陆军资助超高压碳化硅应用研究

8月,美国纽约州立大学获得美国陆军研究实验室为期3年、价值207.8万美元的资助,以支持“超高压碳化硅器件制造”(MUSiC)项目。该项目将开发比传统硅基器件电压等级更高、更安全的碳化硅开关器件,以制造用于太阳能、电动汽车到电网等一系列军事和商业用途的功率电子芯片。

(二)二维电子材料

2018年,二维电子材料研究主要集中于材料性能改进、制备技术、拓展应用和新材料开发等方面。

1.新技术改善二维材料性能

2017年12月,美国哥伦比亚大学联合另三所大学采用纳米制备技术共同开发出一种新型人造石墨烯——固态砷化镓(GaAs)量子阱(见图23),它具有类似石墨烯的蜂窝结构,可将电子和空穴限制在垂直方向。该材料标志着人造石墨烯不仅可用于光子器件,还可用于半导体器件领域,通过选择P型砷化镓量子阱中的自旋轨道耦合强度,可产生拓扑绝缘体,有望实现拓扑量子计算,为更加可靠的量子计算机提供理论基础。

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图23 人造石墨烯微观结构

1月,美国海军研究实验室设计了同位素纯度超过99%的六方氮化硼样品(见图24),意味着新材料几乎完全由硼-10或硼-11组成。硼-10和硼-11的原子量差别达到10%,会导致声子散射,并造成大量光学损耗,限制了该材料的潜在应用。这种方法使六方氮化硼的光学损耗显著降低,可产生新的光学模式,使光线行进距离增长三倍,并且持续时间增加三倍,有利于六方氮化硼实现近场光学和化学传感等功能,可使激光器和纳米级光学器件变得非常小。

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图24 六方氮化硼电子扫描

6月,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室与法国替代能源和原子能委员会发现斯格明子的产生机制。斯格明子是材料界面处电子的一种自旋模式,可用于磁性介质上数据的存储和擦除。通常斯格明子的产生依赖于重金属中的电子与二维磁性材料中的原子之间的强相互作用,即DMI效应。研究人员发现,石墨烯可与钴或镍等磁性材料产生较强的DMI效应,从而促进生成斯格明子的产生(见图25)。

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图25 斯格明子中的DMI效应

2.新型二维电子材料多,促进多领域电子技术发展

1月,德国法兰克福大学与荷兰原子和分子物理学研究所(AMOLF)合作,利用极薄的银线和二硫化钨制备出纳米结构。研究人员用圆偏振光照射二硫化钨,产生具有特定自旋方向的激子,激子跃迁时会发射含自旋信息的光子;当光子自旋方向与银导线周围的电磁场旋转方向一致时,只能沿导线传输;通过改变偏振光方向可调整自旋方向,从而实现室温下将电子自旋信息转换成可预测的光信号(见图26)。该研究将自旋电子学与纳米光子学结合,可提供一种高效处理数据方式。

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图26 二维电子材料纳米结构上的特定方向自旋激子

4月,日本东京大学基于“几何阻挫”概念,制备出透明的结构稳定的超薄双层半导体膜。研究人员采用成本最小的标准液体溶液工艺制备出厚度仅为4.4纳米的大面积半导体薄膜。这种超薄半导体薄膜具有由分子通过分子间作用力首尾连接构成有序的、重复排列的人字形结构,表面积大且结构十分稳定,并可使电子器件具有柔性、高灵敏度和超薄等真实细胞的特性,在薄膜晶体管、柔性电子器件或化学探测器中具有应用潜力。

5月,美国哥伦比亚大学开发出一种石墨烯/氮化硼异质结构,兼具宽带隙和良好的导电性。石墨烯具有超高的导电性,但因不具备带隙结构而无法实现电流开/关控制。研究人员先采用两片氮化硼包裹石墨烯构成范德华尔兹异质结构,并将其置于油浴中通过等静压缩短层间距。这种石墨烯/氮化硼范德华异质结构的带隙宽度为0.05电子伏特,高于石墨烯的0.035电子伏特。该研究为设计具有特殊电子性质(如磁性、超导性等)的二维范德华异质结构开辟了一条新途径。

3.多种新型器件推动二维电子材料实用化进行

2017年12月,美国得克萨斯大学首次以纸张为基材,采用石墨烯和二硫化钼(MoS2)制备出高性能二维材料晶体管。该晶体管具有优异的导电性,可以使纸基电子器件达到应用物联网和智能传感器所需频率。研究人员采用纳米压印光刻、在线计量、卷对卷生长和塑料转印等技术,在纸上涂覆聚合物薄膜涂层,不仅克服了纸张表面粗糙影响电流、易吸收水分或化学物质的问题,还改善了其耐温性,可满足器件制造需求,未来该技术有望达到商业化水平。

3月,美国麻省理工学院利用二维材料和可悬浮在液体中的微粒制备了一种微型机器人(见图27)。该机器人由二维二硫化钼和二硒化钨制造的三个分立电子器件组成:将光转换为电流的电源、检测分子的传感器以及可检索传感器收集数据的存储器。电源由二硫化钼和二硒化钨构成的p-n异质结光电二极管构成;传感器采用单层二硫化钼生成的化学物质构成,该物质的电阻会随着分子的状态而改变;存储器由银和金两个电极及中间单层二硫化钼组成的忆阻器构成,最后利用范德华力将三个分立的电子器件与漂浮微粒结合形成微型机器人。这种微型机器人可用于人体消化系统监测、地质勘探等领域。

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图27 悬浮机器人结构

4月,韩国制备出由两层氧化铝与二维二硫化钼晶体管构成的高电子迁移率晶体管(见图28)。通常,二硫化钼与电极之间的接触电阻非常高,因此,研究人员在二硫化钼与电极之间增加了氧化铝层,氧化铝和二硫化钼界面间具有电子富集半导体效果,能够克服界面间接触电阻问题,从而提高载流子迁移率。同时,该界面表面光滑,避免了因电荷捕获而形成的斑点问题,进一步提高了载流子迁移率。研究人员在7微米厚的塑料片上搭载一个6×6像素阵列机发光二极管显示器(见图29),测试结果显示:该晶体管的电子迁移率为20厘米2/伏·秒,可反复弯曲并贴在皮肤上,最小弯曲半径小于1毫米。

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图28 高迁移率二硫化钼场效应晶体管结构

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图29 6×6像素阵列机发光二极管显示器

5月,美国华盛顿大学采用三碘化铬(CrI3)制备出几个原子层厚度的新型磁性存储器。该存储器由石墨烯和三碘化铬构成,两层三碘化铬材料夹在导电层石墨烯之间,通过调节两层三碘化铬的电子自旋排列情况可使电子在两层石墨烯之间畅通无阻地流动或被阻止流动,实现电流的导通和关闭状态切换,并用二进制代码0和1来编码信息(见图30)。该存储器件对电子的阻断效果比当前常用方法高10倍以上,且可进行多位信息存储。

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图30 三碘化铬中电子自旋排列情况(a)和超薄磁性存储器结构(b)

9月,荷兰格罗宁根大学与德国雷根斯堡大学合作优化了双层石墨烯器件。研究人员将石墨烯置于过渡金属二硫化物附近,构成具有较高内在自旋—轨道耦合强度的层状结构。高自旋—轨道耦合强度通过界面处的短程相互作用转移到石墨烯,从而控制自旋电流,并利用自旋寿命各向异性提高自旋电流寿命。该器件为高质量石墨烯中高效的电控自旋开辟了新的途径,未来可用于自旋逻辑器件领域。

(三)磁性材料

磁性材料是传感器、数据存储器等技术领域的基础材料,随着电子设备小型化发展,需要更紧凑、更高效的新型磁性材料,同时能够用精确可靠的方法对其进行控制。2018年,磁性拓扑绝缘材料和二维磁性材料研究备受关注,磁性存储器件、自旋电子器件性能持续取得进步。

1.自旋波晶体管进一步走向实用

3月,荷兰格罗宁根大学利用电绝缘磁性材料制备出基于磁振子的自旋晶体管。该器件由三条铂金和钇铁石榴石(YIG)磁体构成,通过直流电实现自旋注入和自旋电流控制,可与普通电子器件兼容(见图31)。该自旋晶体管有望集成数字存储单元和处理单元,可实现零能耗的非易失性存储,从而使计算机变得更快、更节能。

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图31 钆镓石榴石(GGG)衬底上的钇铁石榴石自旋波晶体管结构

2.日本取得拓扑自旋电子学的巨大突破

7月,日本东京理工大学利用高精度分子束外延(MBE)法生长出锑化铋(012)薄膜。测试结果显示:锑化铋薄膜在室温下可实现约52°的自旋霍尔角,电导率和自旋霍尔电导率分别达2.5×105和1.3×107,比之前报道提高了2个数量级,可满足先进存储器件的需求。基于锑化铋(012)薄膜的旋转轨道扭矩磁性随机存取存储器(SOT-MRAM)的性能与先进动态随机存取存储器(DRAM)相当,可满足物联网等领域对高密度、超低功耗和超快速非易失性存储器的需求。此外,该材料还有望促进高性能纯自旋电源的开发,推动自旋电子学发展。

(四)有机电子材料

2018年,有机电子材料研究取得较大进展,多种新型有机电子材料问世,加速应用进程。

1.新型纳米结构实现最稳定有机薄膜晶体管

1月,在美国海军研究署、空军科学研究办公室、国家核安全局的共同资助下,美国佐治亚理工学院采用原子层沉积法制备出新型有机薄膜晶体管。有机薄膜晶体管由氟聚合物层和纳米层压薄片构成,其中纳米层压薄片由氧化铝层和氧化铪层的交替排列,厚度约为50纳米。测试结果表明,新型有机晶体管具有良好的开关性能,且在75℃高温下工作数百小时后,性能几乎保持不变,是目前最稳定的有机晶体管,未来可用作栅极电介质,保护有机半导体免受周围环境破坏。

2.银基透明导电薄膜有望用于开发柔性屏幕

6月,南丹麦大学利用胶体光刻法制备出可规模化生产的银基透明电极(见图32)。大多数透明电极由氧化铟锡(ITO)制成,存在明显的脆性问题,不能用于柔性电子设备或显示器。研究人员先采用大小均匀、紧密堆积的单层塑料纳米颗粒涂布10厘米的晶片并经烘干制作出掩模板,然后在掩模板上沉积银薄膜,随后溶解颗粒实现图案化,最终得到透明导电薄膜。该薄膜通过改变厚度可实现更高的透明度和更低的导电率。实验结果表明,该薄膜电极的性能明显优于目前的柔性显示器和触摸屏,可满足多种柔性器件需求。

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图32 银基透明导电薄膜结构

3.新型部分有机材料可用于可弯曲的移动电话

10月,澳大利亚国立大学(ANU)采用化学气相沉积法研制出一种由有机材料和无机材料共同组成的半导体材料。该半导体材料的有机组分由碳元素和氢元素制成,厚度仅为一个原子,无机组分的厚度约为两个原子。该半导体材料为透明材料,且厚度薄、柔性好,通过调节不同组分的比例,还能改变材料的厚度,从而调整其透明性和导电性。该材料可用于可弯曲屏幕和移动电话等柔性电子设备。

该材料的有机组分仅由碳元素和氢元素制成,厚度仅为一个原子,无机组分的厚度约为两个原子,其性能比使用硅等无机材料制造的传统半导体效率更高。新型半导体结构发出的光线非常清晰,因此可以用于高分辨率显示器,并且由于材料超薄,有望很快用于可弯曲的屏幕和移动电话。

(五)材料制备技术

随着电子器件向小型化、高集成度、可穿戴化发展,二维材料、柔性电子材料的制备技术研究也日益重要。2018年,材料制备技术的研究主要集中于二维材料、柔性电子材料的研究与制备。

1.新型3D打印合金技术加快柔性电子技术发展

3月,美国俄勒冈州立大学工程学院通过将镍纳米颗粒加入镓铟锡合金中得到一种新型3D打印材料。金属镓铟锡合金具有低毒性和良好的导电性,且价格低廉,能够进行自我修复,已被用作柔性电子产品中的导电材料,但仅限于印刷二维结构电路。研究人员采用基于金属镓铟锡合金的新型3D打印材料为墨水,通过3D打印制备出高10毫米、宽20毫米的弹性双层电路,两层电路之间相互交织却彼此不接触。该研究不仅将金属镓铟锡合金的应用领域进一步扩大到高复杂结构的3D打印,同时推动快速制造柔性电脑屏幕和其他可伸缩电子设备(包括软机器人)的发展(见图33)。

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图33 共聚酯上的金属印刷电路制备过程(a~d),加入LED和电池的完整双层电路(e),弹性双层电路实物展示(f~h)

2.机器人系统可极大提高纳米结构大规模制备效率

5月,日本研究人员采用更好的编码器电动平台,制造了一套由自动光学显微镜、芯片转移机器人臂和冲压设备组成的系统。该系统克服了制备过程中不精确的问题,节省了大量时间,能够以比人类更快的速度堆叠具有范德华异质结构的二维(2D)材料。相较于研究人员需耗时数天组装13层范德华异质结构,日本开发的系统可在32小时内组装29层。这种机器人系统不仅推动了纳米技术研究的发展,同时还可用于大规模纳米技术制造业。

十 新能源技术

2018年,太阳能电池、新型蓄电池、燃料电池、超级电容器等多种电能源技术作为电子设备的重要组成部分继续快速发展。太阳能电池效率不断突破,锂离子电池安全性继续提高,新概念燃料电池进一步降低用电成本,多种新型电池技术继续推动电池向小型化、高性能方向发展。

(一)多种太阳能电池效率进一步提升

2018年,在新工艺的推动下,无机薄膜太阳能电池效率屡创新高,钙钛矿太阳能电池稳定性及实用性进一步提升,有机薄膜太阳能电池的转换效率首次达到15%,满足商业化应用要求。

1.新氮化硼分离工艺可以促进更高效的太阳能电池

2018年10月,美国佐治亚理工学院、法国国家科学研究中心(CNRS)、法国梅斯拉斐特研究所利用氮化硼分离层生长氮化铟镓(InGaN)太阳能电池,然后将其从原始蓝宝石衬底上提起并放置在玻璃基板上。InGaN通过弱的范德华力附着到氮化硼上,氮化硼层不会影响在其上生长的氮化铟镓的质量,且能够将InGaN太阳能电池剥离而不会造成破坏(见图34)。

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图34 研究人员利用新氮化硼分离工艺制备高效太阳能电池

新的剥离技术可以实现将InGaN电池与由硅或砷化镓太阳能电池串联,扩大光吸收范围,促进更高效率的混合光伏器件,理论上可以将太阳能电池效率提高30%。该技术可以为太阳能电池的生产提供更高的效率和更低的成本,适用于广泛的地面和空间应用,是轻型、低成本和高效光伏应用的重大进步。

2.多种无机薄膜太阳能电池效率再创新纪录

2018年1月,美国空军研究实验室(AFRL)和SolAero技术公司研发出新型先进倒置变形多结(IMM)太阳能电池。该电池阵列通过在砷化镓(GaAs)上倒置生长太阳能电池单元,能够有效地调控单个吸收层的材料特性,可更有效地吸收太阳光,实现更优异的性能。通过移除刚性生长衬底,还可获得更轻的柔性太阳能电池。单个电池单元的光电转换效率达32%,输出功率比同等尺寸标准多结太阳能电池阵列提高了15%,比现有多结电池更高效、质量更轻,能够满足空间应用中对能效和质量的要求。

2018年4月,美国伊利诺伊州奈尔斯的微寰公司在6英寸砷化镓(GaAs)衬底生产平台上制备出三结外延层剥离(ELO)薄膜太阳能电池。光电转换效率创下了37.75%的新纪录,并通过了美国国家可再生能源实验室(NREL)的正式认证。与目前任何可用太阳能电池相比,这种太阳能电池兼具了最高效率和最低质量密度的优势,在高要求的无人机和卫星领域具有较大应用潜力。

2018年7月,美国国家可再生能源实验室(NREL)证实,位于美国加利福尼亚州桑尼维尔的阿尔塔设备公司(2014年起成为中国北京汉能薄膜电力集团有限公司的子公司)将单结砷化镓(GaAs)太阳能电池的能量转换效率从28.8%提高到28.9%。这是阿尔塔设备公司自2010年以来第五次创造了GaAs单结太阳能电池效率的纪录。

3.钙钛矿太阳能电池稳定性及效率继续提高

钙钛矿是开发廉价、环保和高效太阳能电池最有前景的材料之一,钙钛矿太阳能电池自从2009年被发现以来发展迅猛,光电转换效率已达到22.1%。由于长期环境稳定性差,钙钛矿型太阳能电池一直未实现商业化。发展性能更好的、与钙钛矿结构间能级匹配的空穴传输材料至关重要。2018年7月,韩国化学技术研究所开发了一种芴封端空穴传输材料,并且制备出了效率达23.2%的高效稳定钙钛矿太阳能电池,具有良好的环境稳定性。这为推动钙钛矿太阳能电池的进一步发展做出了重要贡献。

钙钛矿—硅串联太阳能电池可利用较低成本实现较高的光电转换效率,超越商业硅太阳能电池的转换效率限制。但这种串联太阳能电池需要有效利用太阳光谱。2018年7月,欧洲太阳能机构Solliance的合作伙伴之一——IMEC纳米研究中心展示了具有高效照明管理的四结钙钛矿—硅串联太阳能模块。通过对完整串联堆栈的严格光学模拟,研究人员设计了光线管理概念,可最大限度地减少整体反射并增强子单元的互补吸收。有效面积0.13cm2的四结串联太阳能电池功率转换效率达到25.3%,有效面积4cm2的四结串联太阳能电池转换效率达23.9%,都超过纯硅基太阳能电池的效率(23.0%)。

4.有机太阳能电池转换效率首次达到商业化要求

有机太阳能电池的优势非常明显,包括价格便宜、质轻、可以制成柔性器件等等。影响其商业化的主要壁垒还是能量转换效率太低,低于市场化所要求的15%。

2018年5月,美国密歇根大学将溶液加工法制备的基于非富勒烯受体的红外吸收电池与真空蒸镀法制备的基于富勒烯受体的可见光吸收电池叠在一起,实现了15%的能量转换效率,是当前有机太阳能电池的最高纪录。此外,这种叠层器件的制备产率可高达95%,面积可达1cm2。实验结果同时表明,通过将三层或更多子电池叠在一起,量子产率可以从75%提高到90%以上,多结有机太阳能电池的效率可以达到18%左右,有望实现商业化应用。

(二)锂离子电池储电量及安全性显著提升

提高储电量及安全性是近年来锂离子电池发展的重要方向,也是2018年锂离子电池的发展重点。

1.锂—氧化铁电池有望将锂离子电池储电量提升8倍

2018年1月,在美国能源部(DOE)能源前沿研究中心项目支持下,美国西北大学和阿贡国家实验室通过引入铁和氧气,研制出可充电锂—氧化铁电池,大幅提高锂离子电池容量,电池续航能力有望提升8倍,满足多种应用需求。

锂离子电池阴极通常由过渡金属(通常是钴)氧化物、锂离子构成,通过阳极的氧化还原反应,锂离子失去/获得电荷,实现充电、放电功能。一个钴原子通常只能对应一个锂离子,因此限制了电池的存电量。研究团队使用铁代替了钴,通过使用数值计算,确定了锂、铁和氧的正确配比,使锂离子、铁离子、氧离子之间实现恰当的平衡反应,氧离子能够参与阴极氧化还原反应,不仅增加了参与反应的锂离子数量,而且氧离子不会变成氧气释放,确保反应过程可逆。该可充电锂离子电池具备完全充放电能力,并且通过使用铁和氧气来同时循环四个锂离子,这意味着电池续航能力将提升8倍。

2.新型锂电池提高了军事武器系统的性能和安全性

目前在美军坦克汽车应用的电池为20世纪70年代开发的铅酸电池。这种电池需要用户定期打开电池补充酸性电解液,以维持电池性能。2010年,美国国防后勤局(DLA)启动“电池网络”(BATTNET)计划,旨在改进陶2(TOW2)反坦克导弹系统电池,解决电力系统维护问题,提高制造能力(见图35)。2018年6月,美国国防后勤局、陆军工业基地、电池制造商在该项目的资助下,合作研制出用于TOW2反坦克导弹系统的新型锂离子动力系统,以及用于诸如布拉德利战车等装甲车辆的新铅酸蓄电池。新型锂离子电池的液体电解质改为凝胶或玻璃状固体材料,延长了电池的使用寿命,并消除了酸处理的危险,储能时间更长。这种锂离子电池系统具有多项优点,可将充电管理所需的电子设备集成到电池系统内,无须旧充电装置、电源调节器等,重量减轻了约54.4千克,每年预计节省采购费用800万美元。其中,型号为“BB-2590”的锂离子电池是一种标准电池,已经用于陆军和海军陆战队的多种系统。新型锂离子电池系统体积可容纳两台BB-2590锂离子电池,能够满足导弹制导系统和夜视瞄准器的电能要求。

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图35 美士兵与陶2(TOW2)反坦克导弹

3.日本设计出更高比能的全固态可充电电池

由于缺乏合适的固体—固体异质界面,全固态锂离子电池的充放电倍率和比能较低。2018年2月,日本信州大学开发了一种提高锂离子电池效率的新方法:通过立方晶体层的生长,在电池的电极之间形成了一层薄而致密的连接层。

研究人员使用熔融氢氧化锂(LiOH)为溶剂(助焊剂),在铌(Nb)衬底上生长出石榴石结构固体氧化物电解质锂镧铌氧(Li5La3Ni2O12)晶体层。该晶体层可直接生长在衬底上,与电极紧密连接,且能够控制层的厚度和面积。研究表明,将电极层制备成100微米,采用该电解质的全固态锂离子电池便可实现更高能量密度。

(三)新概念燃料电池促进成本降低

在传统的燃料电池中,来自氢的电子和质子从一个电极传输到另一个电极,与氧气结合,将化学能转化为电能。为了提高电池效率,通常采用十分昂贵的贵金属催化剂,导致燃料电池成本居高不下。2018年10月,美国威斯康星大学麦迪逊分校采用价格较为便宜的金属钴作为催化剂,设计了一种新型燃料电池。金属钴作为催化剂需使用较大剂量才能实现理想的催化效果。为了避免将过多的催化剂附着在电极上,导致电池效率降低,研究人员又研制出一种超稳定的有机物——醌衍生物。醌衍生物可以同时携带两个电子和质子,在燃料电池电极处拾取电子和质子,将其输送到钴催化剂的反应器,然后返回燃料电池以接收更多的电子和质子。采用这种有机物可以低成本催化燃料电池电极,也避免了催化剂在电极附着。

这种醌衍生物可持续工作长达5000小时,是当前醌化合物寿命的100多倍。虽然这种新型燃料电池的输出功率只有商业燃料电池功率的20%,但为降低电池成本提供了新的思路。

(四)多种新型电池技术推动小型化、高性能电池发展

随着电子器件向小型化、多功能化发展,大容量、小型化是电能源技术的重要发展方向,质子电池、三维结构电池、新型水性锌电池在减小电池体积、提高电池比能方面展现了较大潜力。

1.质子电池研究取得突破

2018年3月,澳大利亚墨尔本理工大学开发出一种可充电的“质子电池”(见图36)。该电池使用碳电极作为氢储存器,结合了燃料电池的优势,制成可充电单元。质子电池内部活性表面积仅为5.5cm2,其单位质量的储能量与市售锂离子电池相同。经过进一步优化后,该质子电池可用于中等规模的电网存储,满足未来的能源需求。

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图36 墨尔本理工大学可持续发展氢能源实验室中正在测试的质子电池(中)

2.三维电池结构有望减小电源尺寸

随着电子设备不断向小型化发展,传统电池需要重新设计,以达到更小的体积,同时不影响性能。2018年5月,美国洛杉矶加州大学研制出三维锂离子电池(见图37),电池采用“同心管”设计,负极为硅纳米柱阵列,均匀间隔排列,表面覆盖一薄层聚合物电解质,负极柱之间的区域填充锂离子电解液作为正极材料。该电池实现了5.2毫瓦时/厘米2的比能,这种电池面积仅为0.09厘米2,可经受100次充放电循环。

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图37 超小尺寸三维锂离子电池

3.新型水性锌电池兼具高比能、可充电和安全的优点

2018年4月,美国陆军研究实验室、美国马里兰大学(UMD)及国家标准和技术研究院(NIST)合作,研发出水性锌电池,兼具高比能、可充电、安全等特性。

2017年9月研究人员研发出一种新型聚合物凝胶涂层,制出首个工作电压达到4伏的水性电解液锂离子电池。新型聚合物凝胶涂层涂在电极上后,水分子无法靠近电极表面;首次充电后,凝胶分解形成稳定界面,将电极和电解液隔离,阻止水分子在工作电压下分解,提高了电池的储能和充放电性能。

在此基础上,研究人员将锌电池技术与水性电解液锂离子电池相结合,开发出了比能更高、安全性更高、成本更低的可充电电池。电池使用水性电解质替代易燃有机电解质,极大地提高了电池的安全性;通过添加金属锌和在电解液中添加盐,有效地提高了电池的比能。这种水性锌电池有望用于消费电子、汽车、太空、深海等领域。


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