达摩院十大科技趋势-2021正式版.pdf

【卷首语】

【序】


趋势一：以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应用大爆发

趋势二：后“量子霸权”时代，量子纠错和实用优势成核心命题

趋势三：碳基技术突破加速柔性电子发展


趋势四：AI提升药物及疫苗研发效率

趋势五：脑机接口帮助人类超越生物学极限

趋势六：数据处理实现“自治与自我进化”

趋势七：云原生重塑IT技术体系


趋势八：农业迈入数据智能时代

趋势九：工业互联网从单点智能走向全局智能

趋势十：智慧运营中心成为未来城市标配
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概要
以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体，具备耐高温、耐
高压、高频率、大功率、抗辐射等优异特性，但受工艺、成本等因素限制，多
年来仅限于小范围应用。近年来，随着材料生长、器件制备等技术的不断突
破，第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场：SiC元件已用
于汽车逆变器，GaN快速充电器也大量上市。未来5年，基于第三代半导体材
料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场
景。
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趋势⼀：以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应⽤⼤爆发
半导体产业发展到今天，主要建立在三代材料的基础上：兴起于20世纪50年代
的基于硅（Si）、锗（Ge）的第一代半导体；兴起于20世纪80年代的以***化
镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体；以及兴起于20世纪末的
以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体。目前，第一代半
导体材料Si应用最为广泛，它构成了一切逻辑器件的基础，CPU、GPU所提供
的算力都离不开Si的功劳。第二代半导体主要用于高频高速场景，例如手机中
的射频电路。第三代半导体相比于前两代半导体具有更宽的禁带宽度，因此也
称作宽禁带半导体。更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压、更
快的开关频率下运行，因此第三代半导体具备耐高温、耐高压、高频率、大功
率、抗辐射等优异特性，可以用作功率器件和射频器件，广泛应用于5G基站、
新能源汽车、特高压、消费电子、航空航天、数据中心等领域。此外，较宽的
禁带宽度使第三代半导体可用作制备短波长光电器件，例如可用于医疗消毒的
紫外光源。
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趋势⼀：以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应⽤⼤爆发
由于制造设备、制备工艺特别是材料成本上的劣势，多年来第三代半导体材料
只是在小范围内应用。直至近几年这一局面才得以打破：一方面，在5G、新
能源汽车等新兴市场中，Si基半导体的性能已无法完全满足需求，第三代半导
体的性能优势被放大；另一方面，制备技术特别是大尺寸材料生长技术不断突
破，SiC和GaN两种材料均从4英寸换代到6英寸并已研发出8英寸样品，加之
器件制备技术逐步提升，使得第三代半导体器件性能日益稳定且成本不断下
降，性价比优势逐渐显现。
目前，第三代半导体已经出现在应用市场：一些新能源汽车在逆变器中应用
SiC功率器件提升电能转换效率，进而提升续航里程；不在少数的电子消费厂
商推出了GaN快速充电器，价格不贵，体积很小，一个快充头可以支撑手机、
电脑等多设备快速充电。未来5年，除现有的电动汽车和消费电子外，预计工
业充电、5G高频器件以及可再生能源和储能领域的电源应用都将从第三代半
导体的发展中受益，尤其是在高频高压应用中将竞争性取代原有的Si器件。
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