2020年3月8日,清華大學電子工程系系主任汪玉教授作客itsinghua雲課堂,為高中學子帶來電子信息專業介紹與清華大學電子信息大類介紹。汪老師以「電子信息讓我們的生活更美好」為題,從生命、城市、太空三個維度介紹了電子信息技術在生活中的廣闊應用,闡述了電子信息學科是一門以數學、物理為基礎,以感知、計算、傳輸為核心,以晶片、算法、系統為載體,研究信息與信息處理系統的基本規律及相互關係,進而實現從設計製造電子器件到構建複雜信息系統乃至覆蓋大數據、人工智慧的全方位創新學科,是目前及未來世界各國重點發展的熱門學科之一。清華大學電子信息大類具備國際先進的電子信息課程體系與雄厚的師資力量,國際交流廣泛,致力於培養專業基礎紮實、綜合素質卓越,在科學研究、工程設計與應用開發領域做出重大貢獻的拔尖創新型人才。
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電子信息是一個廣闊的領域,在我們的生活中無處不在,與各個學科的結合都是當今社會的熱點。從食品安全到智慧醫療,從無人平臺到通信技術,從衛星導航到太空探索,都離不開電子信息。電子信息技術的核心是以數學和物理為基礎,用電磁學的方式,實現感知、計算和傳輸。下面,我們將從生命、城市、太空三個維度介紹電子信息的應用以及清華在電子信息領域取得的重要研究成果與進展。
21世紀是生物的世紀,電子信息學科能與傳統生物技術有機融合,廣泛應用於生命醫療領域,實現高精度檢測、智能輔助診斷等先進技術,提升醫療水平,改善人們生活。
光譜是以複色光經色散系統分光後,被色散系統分開的單色光按波長大小排列的圖案。而光譜儀,就是用色散元件實現分光,同時測定光譜的儀器。由於不同物質對應不同的光譜,光譜儀可廣泛應用於安檢、農藥檢測、藥品分析等一系列檢測中,是檢測技術中的重要儀器。日常使用的光譜儀體積大、成本高,不利於檢測技術的廣泛應用。電子系老師通過兩種納米技術手段解決該問題,研發體積小、成本低的微型光譜儀。鮑捷副教授團隊提出量子點方式,將對不同波長吸光率不同的量子點材料列印到相機上,再通過算法重建光譜。黃翊東教授團隊則將對不同波長投射效應不同的微納「透鏡」刻蝕到矽片上,再對光譜進行重建。
電子信息技術也可應用於生物檢測。電子系劉仿副教授、黃翊東教授團隊發明超高速流式成像分析儀,提出利用雷射主動成像技術對樣本進行高速檢測,能在早期癌細胞檢測、水中寄生蟲檢測等領域比現有的CCD成像快1000倍以上。相關成果獲得光學工程學會一等獎、全國發明展覽金獎。在分子級別,也可以實現對生物抗體抗原的檢測,電子系劉仿副教授、黃翊東教授團隊採用光場高度壓縮的SPP技術、表面等離技術和波導耦合,實現對抗體、抗原的敏感檢測。電子信息大類生醫系程京院士團隊在生物檢測領域也取得重大成果,最近提出恆溫擴增晶片法,研製六項呼吸道病毒核酸檢測試劑盒,實現更快、更多、更安全的核酸檢測。
在更快更小更精確的傳感器的幫助下,信息可以方便地採集。對已採集的信息進行有效處理,也是電子信息學科關注的焦點。電子系吳及教授團隊通過語音圖像手勢等自然交互的方式,實現了具備導醫導診,預約掛號等功能的醫療機器人,通過國家執業醫師臨床筆試測試。目前該機器人已在多家醫療單位得到應用。面對當前的新冠肺炎疫情,我們也開發了新冠感染在線諮詢系統、感染自測系統幫助患者有序就診,緩解醫院壓力,降低交叉感染風險。截止3月4號,該系統在清華長庚醫院已經累計完成3000多例分診。
從1946年第一臺計算機誕生開始,人類一直在構造數字虛擬世界。那麼能否利用電子信息技術幫助人們將現實世界與虛擬世界連接起來呢?答案是可以的,這就是腦機接口技術。腦機接口的研究主要包含三部分,首先是傳感接口,利用電子系統模擬人類的環境感知功能;之後,研究腦內神經信號的採集以及通過輸入對腦內神經信號進行調控;最後,利用高速高精度數位訊號後端處理,對神經信號進行信息挖掘,幫助理解神經迴路,形成完整閉環。腦機接口能夠輔助腦內部疾病診斷,幫助人類理解腦的運行機理,具有跨時代的意義。電子系洪波研究員團隊、張沕琳副教授團隊在腦機接口領域開展了一系列工作,自主研製神經接口晶片及可植入系統晶片,實現腦內信號的採集輸出與人工調控,成果應用於神經科學前沿研究中。
電子信息學科作為一門信息技術的基礎性學科,從各個領域滲透到人們的日常生活中,推動城市的信息化進程,在國家未來發展戰略中佔有重要地位。智能晶片、無人駕駛、5G網絡、物聯網等產業,數位化、自動化、智能化的願景,都有賴於電子信息系統的形式才能得以實現。
城市夜晚的璀璨燈光就與電子信息技術有關。清華電子系羅毅教授團隊在國內第一次自主實現半導體照明技術,克服藍光LED的重要科學問題,打破日歐的照明技術壟斷,應用在深圳公路,人民大會堂,獲得2011年科技進步二等獎,2014年技術發明二等獎,為中國的半導體照明技術貢獻力量。
隨著電子信息技術發展,無人系統已成為電子信息領域的新一代革命。疫情期間,物資運送受到嚴重影響,無人系統就能夠以無人機、無人車、智能巡檢、無人配送等方式在嚴格隔離防控的情況下參與到戰「疫」當中。無人系統通常包含三個核心部分:第一個是傳感器,能高精度地實現三維特徵和距離信息的獲取;信息獲取後,晶片和計算平臺實現受限資源下低延時和高可靠的計算,對信息進行高效處理;最後,無人系統需要多設備協同,比如車路協同或車與車之間的協同,這就要依賴高帶寬和低延時的通信技術。
無人系統能夠自主運行,離不開人工智慧技術。由於無人系統計算資源受限,傳統通用處理器很難應用。因此,要實現基於人工智慧的無人系統,必須要有高速高效的處理晶片。與傳統通用處理器計算加減乘除不同,人工智慧技術廣泛採用統一的深度神經網絡範式計算,這就使得針對深度神經網絡算法的定製化加速成為可能。清華大學汪玉教授團隊從2012起深耕深度學習加速器領域,2016年實現性能高達每秒鐘2.7T次運算的深度學習加速器。基於這項技術,創立深鑑科技公司,開發面向自動駕駛的深度學習高速定製化晶片。除了深度學習算法,無人系統還需要其他算法支撐。清華電子系也與車輛學院跨系合作打造自主智能駕駛計算平臺,為自動駕駛複雜任務決策提供智慧「大腦」。
基於單車的自動駕駛,仍存在多項不足,包括感知不精確、反應不靈敏、效率低下等。因此,車輛與車輛、車輛與道路之間通過車聯網互聯,傳遞數據,協調車輛與道路的運行至關重要。電子系牛志升教授、周盛副教授團隊利用車聯網研發多車輛無人編隊駕駛技術,經測試可將編隊駕駛車間距離從主流的20米降低到5米,有效降低成本,提高效率。
電子信息技術也能應用於安全領域。電子系王生進教授團隊研發的人臉檢測技術在多個國際權威測試庫上取得業界頂級性能,並應用到全運會安檢等實際場景中。同時,在行人再識別方向上,獲得業界廣泛認可,識別準確率屢次刷新世界最高水平,構建了全世界三大公用的測試資料庫之一,推動了整個領域的發展。該技術已在公安部一所中盾公司投入試用,為社會公共安全監管做出貢獻。
無論人工智慧還是人臉檢測都需要大數據的支撐。基於更大規模的動態數據、時空系列數據,電子信息技術能夠在理解數據的基礎上智能調控交通管理、城市規劃、經濟建設等方面,構建智慧城市。比如,基於大量城市數據可以對人群的時空行為軌跡做出準確預測,從而有助於整合城市資源。在時空軌跡準確預測的基礎上,電子系金德鵬教授、李勇副教授團隊提出一種智能調度算法。該算法服務於杭州百萬出行車輛,使得高架通行時間減少了15%,居民出行時間平均節省5分鐘。特殊情況下,救護車到達現場的時間能減少一半。這就使得智慧交通系統成為可能。
一切數據都需要傳輸到數據中心,數據的高速傳輸需要依靠5G網絡。5G是新一代移動通信協議,特徵是大容量,低延遲,全覆蓋,目標是提高用戶速率10倍以上。實現傳輸速率提升的核心技術就是大規模天線技術,但引入大規模天線會使得基站功耗劇增。電子系戴凌龍副教授,王昭誠教授團隊提出一種基於子連接的模數混合預編碼技術,通過數字處理模擬前移的方式降低基站功耗30%,獲得業界廣泛認可,相關工作獲得2019年全國挑戰杯特等獎。
更進一步,未來的通信網絡希望達到萬物互聯,廣播網是其中重要的通信方式。清華電子系楊知行、宋健教授團隊提出時頻兼容傳輸體制,牽頭制定數位電視國家標準和國際標準,獲得國家科技進步一等獎,產品推廣到的一帶一路國家,為國家一帶一路建設做出貢獻。
天線是把電磁波輻射出去,實現高速通信的關鍵器件。為解決傳統天線盲目全向輻射的問題,電子系楊帆教授團隊研製相位控制電磁表面天線,利用物體表面輻射電磁波,實現寬帶、節能和安全的定向輻射。該天線在民用和國防領域上都獲得顛覆性的應用。
基於下一代通信技術,各種信息傳感設備都能夠接入網絡,人、機、物實現互聯互通。如果把所有的設備都連接起來,接入網絡的終端數可達到全球人口總數的十倍百倍,是一個革命性的數目。這就是正在引發第四次的工業革命的智能-物聯網(AI-IoT)。
實現AI-IoT的關鍵技術是高能效智能晶片,其核心是低功耗、算力強、能高效運行人工智慧算法。電子系楊華中、劉勇攀教授團隊研發「芯算一體」高能效智能晶片,廣泛應用於AI-IoT中,相關成果發表在集成電路領域頂級會議ISSCC上。微電子系魏少軍、尹首一教授團隊研製動態調整計算和內存參數的可重構智能晶片,可高效運行人工智慧算法。該成果在2018年被美國著名的科技雜誌MIT Tech Review評論為「中國取得的重要成就」。
清華電子也將研究重點放在處於世界前沿的未來晶片上,希望在新型的、量子的、光電的晶片領域取得突破性成果,在具有挑戰性的前端晶片研究中不再受制於人。未來晶片的主要研究方向包括存算一體、光電混合和量子計算。微納電子系吳華強、錢鶴教授團隊實現世界上首款多陣列憶阻器存算一體的計算系統和晶片,能夠大幅提高人工智慧算法的計算效率,促進新型超高能效計算系統的實現,相關成果今年發表在nature雜誌上。
除了學術研究,清華電子也培養了眾多晶片領域優秀人才。眾多校友留學後歸國創業,活躍在中國半導體產業的前沿,在AI晶片、存儲器、手機晶片、傳感器等領域奮勇自強、攻堅克難,為中國半導體產業長足發展,早日擺脫受制於人的現狀發揮著極其重要的作用。
電子信息技術的發展,關乎綜合國力,其中衛星導航、衛星通信、雷達傳輸與信號處理等關鍵技術,為國家航空航天事業和國防事業提供核心技術保障。
北鬥導航系統是中國人自己的時空坐標,是全球有四大衛星導航系統之一,對我國國防建,經濟發展和社會進步,都有著非常重要的意義。清華電子系陸明泉教授團隊在北鬥導航系統建設中起到重要作用,攻克多項卡脖子技術,提出突破外國專利封鎖的高性能導航信號和星上發射方案,在全世界獲得專利授權,設計了屬於中國人自己的無線電標尺。
當前,仍有約80%的陸地以及95%的海域沒有得到地面移動通信系統的有效覆蓋。為實現地球表面的全方位信號覆蓋、推動一帶一路建設,構建由大量衛星和地面基站組成的一體化空天網際網路至關重要。清華電子系陸建華院士團隊在2014年9月發射首顆低軌移動通信小衛星,實現衛星電話、數據通信等網際網路業務,為後續發展空天網際網路奠定關鍵技術基礎。
探索太空是人類永恆的追求,而深空通信是深空探測最重要的生命線。但深空通信面臨巨大挑戰,即極長的傳輸距離會導致傳輸的信號極弱,通信錯誤率極高。為攻克這一難題,清華電子系陸建華院士團隊設計星載LDPC編碼器,提高深空通信質量,大幅降低航空航天系統對傳輸天線和衛星發射功率的需求。該成果不僅應用於嫦娥2號衛星,還應用在火星環繞器、巡視器等國家重點航天工程中,為國家航空航天事業的發展提供重要技術支撐。
從電子信息技術在生命、城市和太空三個維度的應用可以看到,電子信息技術具備廣闊的應用領域。但儘管應用領域不同,電子信息系統的核心都是實現感知、計算與傳輸。因此,電子信息學科最大的特點就是軟硬結合。研究電子信息不僅要深入理解人工智慧、信號處理等算法,還要了解傳感器、晶片的原理,最終能夠軟硬結合、實現具備完整功能的信息系統。同時,由於感知、計算、傳輸的無處不在,電子信息學科具備融匯型特質,能與不同學科和行業有機結合。在金融領域,推動基於大數據的金融信息管理;電子與汽車結合催生自動駕駛技術;與環境保護結合,通過傳感器檢測水質,並將採集到的數據傳輸到中心基站進行數據分析;甚至與美術結合,探尋數位化、信息化的藝術表達形式……這些都是電子信息系統在發揮作用。
總之,電子信息技術的發展正讓我們的生活更加美好。
清華電子信息大類包括電子工程系、生物醫學工程系、微電子與納電子學系三個院系,「信息與通信工程」和「電子科學與技術」兩個一級學科,學科全、綜合性強,研究領域涵蓋從設計製造電子器件到構建複雜信息系統乃至覆蓋大數據、人工智慧等創新方向,是目前及未來世界各國重點發展的熱門學科之一。近年來,清華電子信息大類國際QS排名保持在10名左右,在國內高校中學科排名第一。
本科生教育是電子信息大類人才培養的重點。電子信息大類堅持塑造價值、能力培養、知識傳授的三位一體培養模式,充分調動資源,讓老師、校友、以及政府、企業都參與到教育活動中來。通過第一課堂和第二課堂,以上課、研究、社工、交換、實踐等一系列活動為載體培養推動電子信息產業發展,在科學研究、工程設計與應用開發領域做出貢獻的拔尖創新型人才。
電子信息大類學科課程體系完善。首先,將工科領域要求最高的數理課程納入課程體系,夯實數理基礎;其次,在梳理電子信息學科基礎知識與應用規律的基礎上,按照信息載體和物質的相互關係的層次化劃分,每層設立一個必修課學習核心知識;在此基礎上,每一學科方向設立多門可自主選擇的專業課程提供深層次專業知識。該課程體系數理基礎紮實,涵蓋電子信息領域核心知識的同時給於學生自主選擇發展方向的空間。在2018年電子系開展的國際評估中,該課程體系受到了來了MIT、Stanford、Berkeley、Johns Hopkins等大學專家的一致認可。
電子信息大類配置高水平的實驗教學中心與實驗平臺,包括人工智慧計算平臺、光電子晶片製造平臺、晶片製作超淨間、電磁天線測試綜合暗室等,為本科生教學提供良好的實驗設備基礎。
電子信息大類同樣注重第二課堂對學生的能力培養與價值塑造,引導學生多元化發展。首先,為學生提供多元的獎學金和全面覆蓋的助學金,保證所有困難生都得到補助。同時,重視國際交流,本科期間每一名同學,都有至少一次參加各類國際交流活動的機會。
電子系文藝氣息濃厚。學生節原創晚會已舉辦20屆,在舞臺上同學們自導自演舞臺劇、DV劇、歌舞節目等,形成良好的院系文化。電子系也走出了像李健、繆傑這樣的知名歌手。電子系具有優良的體育傳統,成立十多支各類體育代表隊,在馬約翰杯比賽中成績優異,特別是電子男足在18年時隔12年再次捧得馬約翰杯。
電子信息大類鼓勵學生走出校園,了解社會,平均每一位同學本科期間至少參與一次社會實踐活動,包括高科技公司,基層單位,海外地區等等。同時,重視科創活動,設立科創因材施教計劃,為學生提供良好的科創條件。通常大二年級的同學就有機會進入實驗室,參與到實際的科研工作當中。2019年,電子系助力清華挑戰杯登頂,六個獲獎項目中電子系貢獻兩個特等獎。
電子信息大類還不斷致力於為學生提供個性化、全方位的培養。在現有的班主任和輔導員的基礎上,為每一位新生配備一名新生導師,共同解決學生、生活中遇到的問題。同時,邀請系友擔任名譽班主任,力爭讓每一位本科生受到充分的指導。
得益於全面專業的課程體系與全方位的第二課堂培養,電子系畢業生前途廣闊。本科生以繼續攻讀學位為主,94%-95%的同學會選擇繼續深造,包括在國內深造,比如本校碩博或外校碩博,和國外深造,如國外頂級名校包括MIT、Stanford、Berkeley等等。研究生以就業為主。無論是大型民企、國企,還是國家機關、知名外企,都對電子系畢業生紮實的專業技能和優秀的綜合素質一致好評。
建系60多年來,電子系始終把人才培養作為建系之本。歷年來共培養本科、研究生兩萬餘人。他們在科學研究、行政管理、經濟建設、國防建設等方面作出了卓越貢獻,湧現出一批學術大師、治國棟梁、興業之士和軍旅將才。希望未來,電子系走出的同學也能繼承優良傳統,為推動電子信息產業發展、社會進步與國家發展貢獻力量。
電子信息技術是智能社會的基礎,在各個方面都起到支撐的作用,無所不在、無處不用、無所不包。這個「無」字正是電子系的標誌,從電子系前身清華大學無線電系中的「無」字得名,象徵電子系先輩不畏艱難險阻、以一無所有的條件建設電子信息產業的奮鬥精神。
當今社會會正處在數位化向智能化發展的關鍵時期,新一代電子信息技術方興未艾,國家電子信息產業發展如火如荼,正需要有志青年投身於電子信息產業的建設中。
希望有更多不懼挑戰的學生,加入電子信息類,成為當下智能社會發展進程中具有強大競爭力的人才。最後,歡迎報考清華大學電子信息類!