谁将成为新的里程碑，IEEE预测2020科技大事件
科技洞察 丨 深入科技行业最前沿
正值新年伊始，《IEEE Spectrum》杂志推出“Top Tech 2020”特刊，对今年可能出现的最引人注目的科技里程碑进行了预测。
| 超大芯片让深度学习速度飞升
人工智能本可以做得更好。神经网络需要大量运算，非常耗时，限制了人工智能的发展。自动驾驶汽车如果要识别道路上的所有重要物体，汽车的神经网络必须显示所有这些物体的图像，并进行运算。这样数据量的任务，要耗费数周时间。这显然是不现实的。
现在进行大型神经网络训练，需要长达六个星期的时间。以这样的速度，一台电脑一年只能训练六个神经网络。而如果能在2到3小时里完成训练，那么一年就可以进行数千次训练。
人工智能初创公司Cerebras Systems就想打破人工智能神经网络训练的时间限制。他们设计了一款超大型的芯片：Wafer Scale Engine（WSE）。这是目前世界上最大的芯片，尺寸比现在最大的GPU还要大50倍以上。
它拥有1.2万亿个晶体管，40万个处理器核心，18千兆字节的SRAM，每秒能够移动10亿亿（100 million billion）位的数据。
精神网络模型越来越复杂，运算需要快速移动大量数据。把大量内核放在同一块硅基板上，可以大大提高数据移动的速度，同时能耗还更低。Cerebras给出的数据相当惊人。
一个10机架的TPU2集群，消耗的电力是WSE的5倍，占用的空间是WSE的30倍，仅能实现一块WSE芯片三分之一的性能。
人工智能是否真的需要单一超大型芯片，今年就会变得清晰起来。让我们拭目以待。
| 无人机送货将开始大规模商用
六年前，当亚马逊公布用无人机递送包裹的计划时，许多人持怀疑态度。让一架嗡嗡作响的机器人飞机带着亚马逊的订单包裹在空中穿梭，似乎既不安全，也不实用。
如今，人们对无人机送货的看法已经发生了转变。在欧洲、澳大利亚和非洲，无人机已经开始实际运送包裹，甚至已经开始参与挽救生命。
无人机送货的一个重要挑战是，担心自动运送包裹的无人机可能会与运送人的飞机相撞。
从2020年1月1日起，监管要求飞机和直升机使用自动依赖监视广播(ADS-B out)设备通过无线电广播来广播他们的位置。
世界领先的无人机制造商大疆公司已经承诺，从现在起，大疆出售的所有重量超过250克的无人机，都将配备ADS-B信号接收能力，大疆称这个功能为AirSense。
去年3月以来，商用无人机送货已经在北卡罗来纳州维克县开展运营，无人机在庞大的医院园区里运送医疗样本。去年9月，联合包裹运送服务公司(UPS)获得了美国联邦航空管理局的正式航空承运人认证。接着，Alphabet旗下的子公司Wing推出了美国首个商用无人机送货服务。这些动作表明，使用无人机递送包裹的想法正在慢慢成熟。
| 锂金属电池重获生机
锂离子电池无处不在：你可以在小工具、车辆、机器人和电网存储中，都能看到它们的身影。这项革命性的技术为其三位主要开发者赢得了2019年诺贝尔化学奖。
然而，锂离子电池还远远不够完美。对于需要长期存储能量的应用来说，它仍然太昂贵。而且安全性还有待提高。
许多电池专家的共识是，总有一天会出现更好的情况。而这个希望，很可能是由锂离子电池的前身：锂金属电池带来的。
锂金属电池它是由埃克森美孚的化学家M. Stanley Whittingham在1970年代开发的。金属锂是很好的电池材料，但是反应活性太高。Whittingham和其他研究人员在锂中添加了石墨，降低锂的反应活性。由此，锂离子电池诞生了。
但总部位于华盛顿州博塞尔的XNRGI公司，目标是将锂金属电池带入主流市场。该公司的研发团队把金属锂沉积到硅基板上，并在基板上涂上薄膜，蚀刻上数以百万计的微小的空腔，成功地抑制了金属锂的反应性。与传统的锂离子二维阳极相比，三维基板大大增加了阳极的表面积。XNRGI阳极容量是传统插层石墨锂阳极的10倍。
XNRGI借鉴了芯片制造商用于制造集成电路的方法。比如在硅基板上蚀刻20×20微米的空腔，以及薄膜的应用。因此，XNRGI把这种电池命名为：PowerChip。
这些微小的空腔，每一个都可以被看作是一个微电池。一个微电池的故障不会传播到周围的其他微电池，也可以阻止树枝状的形成。在锂离子电池中，树枝状的生长可能导致电池失效，甚至出现刺穿而发生灾难性故障。
XNRGI预计今年将开始小批量商业生产其锂金属电池PowerChip，交付给电动汽车和消费电子客户。
| 无人驾驶飞机提升军事能力
如果你带着一副双筒望远镜，沿着南澳大利亚北部的主干道行驶，你也许很快就能看到一架奇怪的无窗喷气式飞机，它即将开始它的处女航。这是空战领域下一件大事的原型：设计用于与人类驾驶飞机协同工作的自动驾驶飞机。
这款战斗机式自动驾驶飞机由澳大利亚皇家空军和波音澳大利亚公司共同建造，计划在本世纪20年代中期投入使用。无人驾驶飞机可以作为长机的延伸，可以给有人驾驶飞机的飞行员提供更大的视野。它可以收集情报，干扰敌方电子系统，还可能投下炸弹或击落其他飞机。
这种无人驾驶飞机可以自主做出飞行决定。确定飞机自主决策系统的精确参数是主要的挑战。如果在完善软件上投入过多的资金，飞机造价就会变得过于昂贵；而太少可能又使它无法完成任务。
这款软件本身就是用“数字孪生”软件开发的，这个模拟程序已经被数字“飞行”了数千次。波音公司还使用15架试验台飞机改进自主控制算法、数据融合、目标探测系统和避免碰撞程序。
| 机器学习让作物更美味更健康
乍一看，上图中的农作物跟其他农作物没有什么不同，只是一排排的生菜，以及一台大型的农用机械。这台机械是一台农用人工智能机器人，属于旧金山初创公司FarmWise，该公司希望利用机器人技术和人工智能使农业更可持续，更美味。
这台橙色机器正在执行搜索和摧毁任务。它的目标?杂草。它装备有拖拉机轮子、一组摄像头和环境传感器，在一排排农产品中自动上下移动，寻找任何多叶的绿色入侵者。它不是喷洒除草剂，而是使用一种可伸缩的锄头，能迅速而精确地杀死杂草。
要完成除草操作，总共分三步。首先，传感器阵列捕获作物的图像和其他相关数据，并将这些信息存储在机载计算机和云服务器上。
第二步是决策过程，利用专门的深度学习算法分析数据。一种算法可以检测出图像中的植物，机器人将这些数据与GPS和其他位置数据结合起来，精确地识别出每一种植物。另一种算法来决定一株植物是莴苣头还是杂草。
最后一步是机器对作物执行的物理操作，例如部署除草锄头，清除掉杂草。
机器人能够在不到一秒钟的时间内完成这三个步骤。它可以以人类几乎无法匹敌的速度在田野中穿行，清理杂草。
农业机器人是一个非常新兴的市场，将在未来10年内显著扩大。到2030年，全球用于农业的移动机器人年出货量将超过10万台，是目前的100倍。
| 无人驾驶“五月花号”即将启航
今年9月，现代版的“五月花号”将从英吉利海峡的海滨小镇普利茅斯启航，以纪念400年前著名的五月花号航行。
如果天气允许，2020年的航行将遵循同样的路线，但这是两艘船唯一的共同点。这艘现代版五月花号将完全实现自动航行，没有船员和乘客。船只的动力部分来自太阳能电池板和船尾的风力涡轮机。
这艘船将穿越大西洋到达马萨诸塞州的普利茅斯。1620年的五月花号花了60天完成航程，现代版五月花号仅需要12天。
这艘船由铝和复合材料制成。长15米，重5吨，是原来的木船长度的一半，重量的1/36。
新“五月花号”上还将配备用于测量海洋、气候和气象数据的科学试验装备。
对这艘新“五月花号”来说，最大的挑战是，如何在环境变幻莫测的海上可靠地完成自动航行。雷达系统必须质量可靠、保证原始数据输出。
连续12天的航行，需要可持续的能源系统。这艘船上将安装15块太阳能电池板，每块只有3毫米厚，可以在弯曲的船体表面铺设。
船只自动驾驶所需的AI包和云计算能力由IBM提供。“五月花号”行驶时必须做出决策，决定该向右、向左，还是改变速度。在每一个看似简单的决策背后，都隐藏着整个宇宙的天气、传感器和监管数据，以及与岸上的IBM系统的通信。这艘船有时会失去与卫星的连接，这时它就真的只能靠自己，在本地运行人工智能推理算法。
目前从海洋表面收集到的天气数据非常少。“五月花”号如果成功航行，将会收集更多数据，为以后建造更多这样的自主船只提供有力的支持。还可以帮助完善天气模型，使天气预测更加准确。
| Facebook AI启动Deepfake检测挑战
去年9月，Facebook发布了一则奇怪的选角招募：我们需要各种各样的人，对着网络摄像头或手机摄像头，说一些非常平常的事情。
“演员”们站在卧室、走廊和后院，谈论着垃圾食品的危害和艺术教育的重要性等等话题。这是一场又快又容易的演出，但是有一个奇怪的警告：Facebook的研究人员将对视频进行修改，提取每个人的脸，并将其融合到另一个人的头上。换句话说，参与者必须同意成为Deepfake视频的角色。
Facebook此次招募视频，是为一项全球竞赛“Deepfake检测挑战”收集数据。这场竞赛由Facebook与亚马逊、微软、非营利组织人工智能合作伙伴以及来自八所大学的学者们共同发起。世界各地的研究人员都在竞相开发能够发现欺诈性媒体的自动化工具。
这项比赛于去年12月启动，并在人工智能大会NeurIPS上发布了一份声明，并将在2020年3月前接受参赛作品。Facebook已经投入了超过1000万美元用于奖励和资助。
Deepfake这个术语最初指的是使用某种换脸技术修改视频，但现在经常被用来进行恶意欺诈。Deepfake不仅让Facebook面临日益严重的危险，也给民主社会带来日益严重的威胁。虚假视频的疯传，尤其是涉及政客的出格言行的操纵视频，会带来严重的社会影响。
虽然这种全面的合成丑闻尚未发生，但意大利公众最近已经看到了这种可能性。去年9月，一个讽刺性的新闻节目播出了一段deepfake视频，视频中意大利前总理明显在辱骂其他政客。大多数观众意识到这是一场恶作剧，但也有少数人没有意识到。
2020年的美国总统选举是解决这一问题的又一动力。媒体操纵将变得更加普遍，而deepfake视频将变得更加复杂且真假难辨。开发检测工具是一种猫捉老鼠的方法。让这只猫领先一步，这样它就可以随时出击。
| 在火星上寻找生命迹象
2020年，地球和火星将对齐。每隔26个月，才会出现一次低能量“霍曼”转移轨道的发射窗口。今年7月，至少有4个任务会开始为期9个月的旅程，在火星大气和土壤中搜寻生命迹象。
ExoMars 2020
欧洲航天局(ESA)和俄罗斯宇航局(Roscosmos)开展联合任务ExoMars 2020。俄罗斯制造的着陆器计划将欧洲的火星车带到火星表面。
如果探测器成功着陆在火星土壤上，着陆器将监测气候，并在着陆点探测地下水。与此同时，火星车将前往更远的地方。火星车上装备了一台钻子，可以钻到地下2米深处，在那里有机分子比在粗糙的地面上更容易被保存下来。取到的样本会在机载实验室中进行分析。
Mars 2020
美国国家航空航天局(NASA)的任务，将使用与“好奇号”相同的探测器设计来探索火星表面。最大的不同在于有效载荷。
Mars 2020任务将寻找火星曾经宜居环境的证据，以及在这些环境中生活的微生物的化学特征。
Mars 2020也是一个试验台，有两个主要的原型系统。第一个是火星氧原地资源利用实验，通过电解将火星的二氧化碳大气转化为氧气。这项技术尽管规模很小，却是人类探索火星的关键一步。
另一个系统是火星直升机，一个1.8公斤重的太阳能自主双旋翼无人机。为了应对稀薄的火星大气层，旋翼的旋转速度将是地球上直升机的10倍。如果它能成功起飞，它将是第一架在另一个星球飞行的飞机。
HX-1
2011年，中国国家航天局(CNSA)首次尝试向火星发射探测器，但由于俄罗斯运载火箭无法脱离地球轨道而失败。这一次，CNSA将用我们自己的长征火箭进行尝试。
HX-1任务将使用轨道飞行器和小型探测器寻找生命迹象。漫游者已安装了一个探地雷达，其深度可以达到100米，比ExoMars和Mars2020的类似雷达要深得多。
Hope
阿联酋航天局是2014年才正式成立的，该国的太空经验仅限于几颗地球轨道观测和通信卫星。现在，阿联酋计划向火星发射一颗名为“希望”的人造卫星，用来研究火星的大气层，希望了解火星大气成分是如何演变的。
| 转基因鲑鱼走向餐桌
在印第安纳州东北部奥尔巴尼小镇的一排不起眼的建筑物里，大西洋鲑鱼在玻璃纤维水箱中游来游去。这里距离最近的海岸约有1,000公里。
在离海岸线较远的地方养殖鲑鱼，并且尽量少地污染淡水，是最近几年才实现的。一种称为循环水产养殖系统（RAS）的技术，允许室内水产养殖场将99％的水回收循环利用。
AquaBountyTechnologies公司，一直致力于把AquAdvantage品牌的转基因鲑鱼引入美国市场。转基因鲑鱼的生长速度比普通鲑鱼快两倍，所需的食物减少了25％。
这套循环水产养殖系统给公司帮了大忙。在2020年的最后几个月，该公司将收获在美国饲养的第一批鲑鱼。
弗吉尼亚理工大学的渔业科学家Eric Hallerman曾在美国食品和药物管理局（FDA）的小组会议上对AquAdvantage鲑鱼进行过审查，认为这种鲑鱼值得推广。
| 超小型地球同步卫星填补频谱覆盖空白
以往的地球同步卫星通常体积和重量庞大，设计、建造和发射这样的卫星成本高昂，很多公司和国家无力承担。
然而，这类庞大的卫星提供的通信服务至关重要，卫星信号可以覆盖没有铺设光纤的农村地区，以为飞机提供Wi-Fi服务，为远洋船只提供无线通信。
一些公司正在建造小型地球同步卫星，降低通信卫星的成本。Astranis和GapSat两家公司分别计划在2020年和2021年发射小型地球同步卫星。
这类小型卫星的成本更低，这得益于技术进步，最重要的是软件无线电和火箭发射和推进。
以前的地球同步卫星体积庞大、价格昂贵的一个主要原因是模拟无线电组件体积大价格贵。
而软件无线电的成熟，让卫星的体积可以变得更小。同时，私人火箭公司正在削减将其投入轨道的成本。SpaceX和Blue Origin都开发了可重复使用的火箭，可降低每次发射的成本。
地球同步卫星的小型化既归功于技术，也有赖于市场力量。早在20世纪70年代，对广谱接入的需求青睐于大型卫星，它们可以覆盖多个频率。如今商业机会集中在剩下的零星频谱上。这不适合大型卫星的商业模式。
相反，Astranis和GapSat等公司正在围绕更窄的频谱接入建立业务模型，在更小的频率范围内传输，或者覆盖更局部的地理区域。为用户提供覆盖更全面的卫星通信服务。
| 大脑控制外骨骼帮助截瘫患者行走
加州理工学院的机器人专家发起了一项名为机器人辅助移动科学(RoAMS)的项目，利用机器人行走领域的最新研究成果，创造出一种新型医用外骨骼。
通过使用神经控制界面，这些外骨骼可以动态移动，让使用者在没有拐杖的情况下保持平衡和行走。
让一个两足的外骨骼与人类紧密合作，让人类成功地与这些设备交互，是一个很大的挑战。
他们还在开发一种脊髓刺激器，可以绕过脊髓损伤，在腿部肌肉和大脑之间建立人工连接。RoAMS项目将尝试使用这种技术帮助用户移动和控制外骨骼，甚至是完全截瘫的患者也可以做到。
这些技术可以帮助患者训练神经回路，触发相应的肌肉运动，有助于脊髓损伤或中风患者的身体康复。
加州理工学院正在与法国Wandercraft公司合作，将这项研究推进到临床应用。目前Wandercraft开发的外骨骼已经在欧洲获得了临床批准，已经让20多名截瘫患者能够行走。
2020年，RoAMS项目将专注于将脑或脊柱接口与Wandercraft的外骨骼直接耦合，以实现综合神经控制的稳定动态行走。相信RoAMS项目可以在不远的将来为患者的生活带来更大改变。
| 2020年能否实现百亿亿次超级计算?
在超级计算机的世界里，“peta”和“exa”的区别不仅仅是三个数量级。
以每秒浮点运算(即FLOPS)为标准，1015次浮点运算(即10的15次方FLOPS)可被称为商用高性能计算(HPC)。在这个领域，最重要的是尽可能提高处理速度。
现在，美国、中国、日本和欧盟都在努力达到exaflop(10的18次方，百亿亿次，也称艾级)的规模。这是超级计算的下一个重大里程碑。
HPC咨询公司Hyperionresearch负责研究和技术的副总裁鲍勃·索伦森(BobSorensen)表示:“现在更多的是定制和专用系统。”“我们开始看到HPC硬件专业化的趋势，而不是一刀切的商业模式”。
田纳西大学电子工程和计算机科学教授Jack Dongarra说，美国建设了三台计算机用于实现百亿亿次计算，仅硬件就价值18亿美元，算法和应用程序的开发可能还需要18亿美元。
其中两台艾级计算机将用于公共研究和开发，包括地震分析、天气和气候建模以及人工智能研究。另外一台将用于国家安全研究，比如模拟核武器。
中国的三个艾级系统都是围绕中国制造的CPU建造的。日本未来的艾级计算机Fugaku由富士通和理研联合开发。欧盟也有艾级计算项目在进行中。
中国、美国、日本和欧盟这四个主要国家和地区都全力以赴发展自己的CPU和加速器技术，将会诞生大量创新。
| 松下云分析将成为汽车的守护天使
1968年，美国强制在汽车中配备汽车安全带，大大降低了死亡和重伤的可能性。大约20年后，安全气囊成为汽车的标准设备，提供了更多的保护。
然而，在过去几年里，美国车祸死亡人数一直在攀升，这有可能是因为人们越来越多地被移动设备分心。让人们远离手机非常困难，那么我们该做些什么呢?
松下的工程师们希望帮助扭转这一趋势。他们从数字安全带入手。
数字安全带早已有之，这项技术让汽车可以与交通基础设施对话，共享速度和方向等信息，提醒司机前方有麻烦，可能是建筑区域，也可能是交通堵塞。
但是现有的数字安全带所传递的信息有限，通常是速度、方向、刹车状态。
松下认为，数字安全带可以为更多的司机做更多的事。因此，在今年下半年，该公司将推出松下Cirrus，这是一个基于云的系统，旨在使汽车行驶更加安全。
Cirrus系统采集的数据包括防抱死制动状态、稳定控制状态、雨刷状态、雾灯和前照灯状态、环境空气温度和其他细节，并将数据传输给道路沿线的接收器。接收器将数据发送到一个基于云的平台进行分析，在那里可以用来为司机生成个性化的安全警告。
松下是第一家在商用安全系统中使用这么多数据的公司，正在为车联网建立一个中枢神经系统。
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