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清华电子系主任汪玉:生命、城市、太空,无处不在的电子信息,让我们的生活更美好

作者: 无限之声

时间: 2020-03-21 13:56

2020年3月8日,清华大学电子工程系系主任汪玉教授作客itsinghua云课堂,为高中学子带来电子信息专业介绍与清华大学电子信息大类介绍。

(本文经授权转载自“无限之声”微信公众号)

汪老师以“电子信息让我们的生活更美好”为题,从生命、城市、太空三个维度介绍了电子信息技术在生活中的广阔应用,阐述了电子信息学科是一门以数学、物理为基础,以感知、计算、传输为核心,以芯片、算法、系统为载体,研究信息与信息处理系统的基本规律及相互关系,进而实现从设计制造电子器件到构建复杂信息系统乃至覆盖大数据、人工智能的全方位创新学科,是目前及未来世界各国重点发展的热门学科之一。清华大学电子信息大类具备国际先进的电子信息课程体系与雄厚的师资力量,国际交流广泛,致力于培养专业基础扎实、综合素质卓越,在科学研究、工程设计与应用开发领域做出重大贡献的拔尖创新型人才。

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错过了直播怎么办?没关系,下面就让我们看看汪老师讲了哪些精彩内容吧。


讲座精华版视频:(点击以下图片可跳转到视频页面)

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01 电子信息技术与应用

电子信息是一个广阔的领域,在我们的生活中无处不在,与各个学科的结合都是当今社会的热点。从食品安全到智慧医疗,从无人平台到通信技术,从卫星导航到太空探索,都离不开电子信息。电子信息技术的核心是以数学和物理为基础,用电磁学的方式,实现感知、计算和传输。下面,我们将从生命、城市、太空三个维度介绍电子信息的应用以及清华在电子信息领域取得的重要研究成果与进展。

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电子信息技术应用

一、生命

21世纪是生物的世纪,电子信息学科能与传统生物技术有机融合,广泛应用于生命医疗领域,实现高精度检测、智能辅助诊断等先进技术,提升医疗水平,改善人们生活。

光谱是以复色光经色散系统分光后,被色散系统分开的单色光按波长大小排列的图案。而光谱仪,就是用色散元件实现分光,同时测定光谱的仪器。由于不同物质对应不同的光谱,光谱仪可广泛应用于安检、农药检测、药品分析等一系列检测中,是检测技术中的重要仪器。日常使用的光谱仪体积大、成本高,不利于检测技术的广泛应用。电子系老师通过两种纳米技术手段解决该问题,研发体积小、成本低的微型光谱仪。鲍捷副教授团队提出量子点方式,将对不同波长吸光率不同的量子点材料打印到相机上,再通过算法重建光谱。黄翊东教授团队则将对不同波长投射效应不同的微纳“透镜”刻蚀到硅片上,再对光谱进行重建。

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微型光谱仪

电子信息技术也可应用于生物检测。电子系刘仿副教授、黄翊东教授团队发明超高速流式成像分析仪,提出利用激光主动成像技术对样本进行高速检测,能在早期癌细胞检测、水中寄生虫检测等领域比现有的CCD成像快1000倍以上。相关成果获得光学工程学会一等奖、全国发明展览金奖。在分子级别,也可以实现对生物抗体抗原的检测,电子系刘仿副教授、黄翊东教授团队采用光场高度压缩的SPP技术、表面等离技术和波导耦合,实现对抗体、抗原的敏感检测。电子信息大类生医系程京院士团队在生物检测领域也取得重大成果,最近提出恒温扩增芯片法,研制六项呼吸道病毒核酸检测试剂盒,实现更快、更多、更安全的核酸检测。

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战“疫”利器

在更快更小更精确的传感器的帮助下,信息可以方便地采集。对已采集的信息进行有效处理,也是电子信息学科关注的焦点。电子系吴及教授团队通过语音图像手势等自然交互的方式,实现了具备导医导诊,预约挂号等功能的医疗机器人,通过国家执业医师临床笔试测试。目前该机器人已在多家医疗单位得到应用。面对当前的新冠肺炎疫情,我们也开发了新冠感染在线咨询系统、感染自测系统帮助患者有序就诊,缓解医院压力,降低交叉感染风险。截止3月4号,该系统在清华长庚医院已经累计完成3000多例分诊。

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智慧医疗

从1946年第一台计算机诞生开始,人类一直在构造数字虚拟世界。那么能否利用电子信息技术帮助人们将现实世界与虚拟世界连接起来呢?答案是可以的,这就是脑机接口技术。脑机接口的研究主要包含三部分,首先是传感接口,利用电子系统模拟人类的环境感知功能;之后,研究脑内神经信号的采集以及通过输入对脑内神经信号进行调控;最后,利用高速高精度数字信号后端处理,对神经信号进行信息挖掘,帮助理解神经回路,形成完整闭环。脑机接口能够辅助脑内部疾病诊断,帮助人类理解脑的运行机理,具有跨时代的意义。电子系洪波研究员团队、张沕琳副教授团队在脑机接口领域开展了一系列工作,自主研制神经接口芯片及可植入系统芯片,实现脑内信号的采集输出与人工调控,成果应用于神经科学前沿研究中。

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脑机接口

二、城市

电子信息学科作为一门信息技术的基础性学科,从各个领域渗透到人们的日常生活中,推动城市的信息化进程,在国家未来发展战略中占有重要地位。智能芯片、无人驾驶、5G网络、物联网等产业,数字化、自动化、智能化的愿景,都有赖于电子信息系统的形式才能得以实现。

城市夜晚的璀璨灯光就与电子信息技术有关。清华电子系罗毅教授团队在国内第一次自主实现半导体照明技术,克服蓝光LED的重要科学问题,打破日欧的照明技术垄断,应用在深圳公路,人民大会堂,获得2011年科技进步二等奖,2014年技术发明二等奖,为中国的半导体照明技术贡献力量。

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新型发光材料

随着电子信息技术发展,无人系统已成为电子信息领域的新一代革命。疫情期间,物资运送受到严重影响,无人系统就能够以无人机、无人车、智能巡检、无人配送等方式在严格隔离防控的情况下参与到战“疫”当中。无人系统通常包含三个核心部分:第一个是传感器,能高精度地实现三维特征和距离信息的获取;信息获取后,芯片和计算平台实现受限资源下低延时和高可靠的计算,对信息进行高效处理;最后,无人系统需要多设备协同,比如车路协同或车与车之间的协同,这就要依赖高带宽和低延时的通信技术。

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无人系统

无人系统能够自主运行,离不开人工智能技术。由于无人系统计算资源受限,传统通用处理器很难应用。因此,要实现基于人工智能的无人系统,必须要有高速高效的处理芯片。与传统通用处理器计算加减乘除不同,人工智能技术广泛采用统一的深度神经网络范式计算,这就使得针对深度神经网络算法的定制化加速成为可能。清华大学汪玉教授团队从2012起深耕深度学习加速器领域,2016年实现性能高达每秒钟2.7T次运算的深度学习加速器。基于这项技术,创立深鉴科技公司,开发面向自动驾驶的深度学习高速定制化芯片。除了深度学习算法,无人系统还需要其他算法支撑。清华电子系也与车辆学院跨系合作打造自主智能驾驶计算平台,为自动驾驶复杂任务决策提供智慧“大脑”。

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无人系统

基于单车的自动驾驶,仍存在多项不足,包括感知不精确、反应不灵敏、效率低下等。因此,车辆与车辆、车辆与道路之间通过车联网互联,传递数据,协调车辆与道路的运行至关重要。电子系牛志升教授、周盛副教授团队利用车联网研发多车辆无人编队驾驶技术,经测试可将编队驾驶车间距离从主流的20米降低到5米,有效降低成本,提高效率。

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车联网

电子信息技术也能应用于安全领域。电子系王生进教授团队研发的人脸检测技术在多个国际权威测试库上取得业界顶级性能,并应用到全运会安检等实际场景中。同时,在行人再识别方向上,获得业界广泛认可,识别准确率屡次刷新世界最高水平,构建了全世界三大公用的测试数据库之一,推动了整个领域的发展。该技术已在公安部一所中盾公司投入试用,为社会公共安全监管做出贡献。

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行人再识别

无论人工智能还是人脸检测都需要大数据的支撑。基于更大规模的动态数据、时空系列数据,电子信息技术能够在理解数据的基础上智能调控交通管理、城市规划、经济建设等方面,构建智慧城市。比如,基于大量城市数据可以对人群的时空行为轨迹做出准确预测,从而有助于整合城市资源。在时空轨迹准确预测的基础上,电子系金德鹏教授、李勇副教授团队提出一种智能调度算法。该算法服务于杭州百万出行车辆,使得高架通行时间减少了15%,居民出行时间平均节省5分钟。特殊情况下,救护车到达现场的时间能减少一半。这就使得智慧交通系统成为可能。

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构建智慧城市

一切数据都需要传输到数据中心,数据的高速传输需要依靠5G网络。5G是新一代移动通信协议,特征是大容量,低延迟,全覆盖,目标是提高用户速率10倍以上。实现传输速率提升的核心技术就是大规模天线技术,但引入大规模天线会使得基站功耗剧增。电子系戴凌龙副教授,王昭诚教授团队提出一种基于子连接的模数混合预编码技术,通过数字处理模拟前移的方式降低基站功耗30%,获得业界广泛认可,相关工作获得2019年全国挑战杯特等奖。

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5G通信

更进一步,未来的通信网络希望达到万物互联,广播网是其中重要的通信方式。清华电子系杨知行、宋健教授团队提出时频兼容传输体制,牵头制定数字电视国家标准和国际标准,获得国家科技进步一等奖,产品推广到的一带一路国家,为国家一带一路建设做出贡献。

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下一代通信

天线是把电磁波辐射出去,实现高速通信的关键器件。为解决传统天线盲目全向辐射的问题,电子系杨帆教授团队研制相位控制电磁表面天线,利用物体表面辐射电磁波,实现宽带、节能和安全的定向辐射。该天线在民用和国防领域上都获得颠覆性的应用。

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电磁表面天线

基于下一代通信技术,各种信息传感设备都能够接入网络,人、机、物实现互联互通。如果把所有的设备都连接起来,接入网络的终端数可达到全球人口总数的十倍百倍,是一个革命性的数目。这就是正在引发第四次的工业革命的智能-物联网(AI-IoT)。

实现AI-IoT的关键技术是高能效智能芯片,其核心是低功耗、算力强、能高效运行人工智能算法。电子系杨华中、刘勇攀教授团队研发“芯算一体”高能效智能芯片,广泛应用于AI-IoT中,相关成果发表在集成电路领域顶级会议ISSCC上。微电子系魏少军、尹首一教授团队研制动态调整计算和内存参数的可重构智能芯片,可高效运行人工智能算法。该成果在2018年被美国著名的科技杂志MIT Tech Review评论为“中国取得的重要成就”。

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可重构芯片

清华电子也将研究重点放在处于世界前沿的未来芯片上,希望在新型的、量子的、光电的芯片领域取得突破性成果,在具有挑战性的前端芯片研究中不再受制于人。未来芯片的主要研究方向包括存算一体、光电混合和量子计算。微纳电子系吴华强、钱鹤教授团队实现世界上首款多阵列忆阻器存算一体的计算系统和芯片,能够大幅提高人工智能算法的计算效率,促进新型超高能效计算系统的实现,相关成果今年发表在nature杂志上。

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未来芯片

除了学术研究,清华电子也培养了众多芯片领域优秀人才。众多校友留学后归国创业,活跃在中国半导体产业的前沿,在AI芯片、存储器、手机芯片、传感器等领域奋勇自强、攻坚克难,为中国半导体产业长足发展,早日摆脱受制于人的现状发挥着极其重要的作用。

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清华电子与中国芯片

三、太空

电子信息技术的发展,关乎综合国力,其中卫星导航、卫星通信、雷达传输与信号处理等关键技术,为国家航空航天事业和国防事业提供核心技术保障。

北斗导航系统是中国人自己的时空坐标,是全球有四大卫星导航系统之一,对我国国防建,经济发展和社会进步,都有着非常重要的意义。清华电子系陆明泉教授团队在北斗导航系统建设中起到重要作用,攻克多项卡脖子技术,提出突破外国专利封锁的高性能导航信号和星上发射方案,在全世界获得专利授权,设计了属于中国人自己的无线电标尺。

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北斗导航

当前,仍有约80%的陆地以及95%的海域没有得到地面移动通信系统的有效覆盖。为实现地球表面的全方位信号覆盖、推动一带一路建设,构建由大量卫星和地面基站组成的一体化空天互联网至关重要。清华电子系陆建华院士团队在2014年9月发射首颗低轨移动通信小卫星,实现卫星电话、数据通信等互联网业务,为后续发展空天互联网奠定关键技术基础。

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空天互联网

探索太空是人类永恒的追求,而深空通信是深空探测最重要的生命线。但深空通信面临巨大挑战,即极长的传输距离会导致传输的信号极弱,通信错误率极高。为攻克这一难题,清华电子系陆建华院士团队设计星载LDPC编码器,提高深空通信质量,大幅降低航空航天系统对传输天线和卫星发射功率的需求。该成果不仅应用于嫦娥2号卫星,还应用在火星环绕器、巡视器等国家重点航天工程中,为国家航空航天事业的发展提供重要技术支撑。

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深空通信

从电子信息技术在生命、城市和太空三个维度的应用可以看到,电子信息技术具备广阔的应用领域。但尽管应用领域不同,电子信息系统的核心都是实现感知、计算与传输。因此,电子信息学科最大的特点就是软硬结合。研究电子信息不仅要深入理解人工智能、信号处理等算法,还要了解传感器、芯片的原理,最终能够软硬结合、实现具备完整功能的信息系统。同时,由于感知、计算、传输的无处不在,电子信息学科具备融汇型特质,能与不同学科和行业有机结合。在金融领域,推动基于大数据的金融信息管理;电子与汽车结合催生自动驾驶技术;与环境保护结合,通过传感器检测水质,并将采集到的数据传输到中心基站进行数据分析;甚至与美术结合,探寻数字化、信息化的艺术表达形式……这些都是电子信息系统在发挥作用。
总之,电子信息技术的发展正让我们的生活更加美好。

02 清华电子信息大类介绍

清华电子信息大类包括电子工程系、生物医学工程系、微电子与纳电子学系三个院系,“信息与通信工程”和“电子科学与技术”两个一级学科,学科全、综合性强,研究领域涵盖从设计制造电子器件到构建复杂信息系统乃至覆盖大数据、人工智能等创新方向,是目前及未来世界各国重点发展的热门学科之一。近年来,清华电子信息大类国际QS排名保持在10名左右,在国内高校中学科排名第一。

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学科排名

本科生教育是电子信息大类人才培养的重点。电子信息大类坚持塑造价值、能力培养、知识传授的三位一体培养模式,充分调动资源,让老师、校友、以及政府、企业都参与到教育活动中来。通过第一课堂和第二课堂,以上课、研究、社工、交换、实践等一系列活动为载体培养推动电子信息产业发展,在科学研究、工程设计与应用开发领域做出贡献的拔尖创新型人才。

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本科生培养

电子信息大类学科课程体系完善。首先,将工科领域要求最高的数理课程纳入课程体系,夯实数理基础;其次,在梳理电子信息学科基础知识与应用规律的基础上,按照信息载体和物质的相互关系的层次化划分,每层设立一个必修课学习核心知识;在此基础上,每一学科方向设立多门可自主选择的专业课程提供深层次专业知识。该课程体系数理基础扎实,涵盖电子信息领域核心知识的同时给于学生自主选择发展方向的空间。在2018年电子系开展的国际评估中,该课程体系受到了来了MIT、Stanford、Berkeley、Johns Hopkins等大学专家的一致认可。

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第一课堂——课程体系

电子信息大类配置高水平的实验教学中心与实验平台,包括人工智能计算平台、光电子芯片制造平台、芯片制作超净间、电磁天线测试综合暗室等,为本科生教学提供良好的实验设备基础。

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第一课堂——实验平台

电子信息大类同样注重第二课堂对学生的能力培养与价值塑造,引导学生多元化发展。首先,为学生提供多元的奖学金和全面覆盖的助学金,保证所有困难生都得到补助。同时,重视国际交流,本科期间每一名同学,都有至少一次参加各类国际交流活动的机会。

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第二课堂——奖助学金

电子系文艺气息浓厚。学生节原创晚会已举办20届,在舞台上同学们自导自演舞台剧、DV剧、歌舞节目等,形成良好的院系文化。电子系也走出了像李健、缪杰这样的知名歌手。电子系具有优良的体育传统,成立十多支各类体育代表队,在马约翰杯比赛中成绩优异,特别是电子男足在18年时隔12年再次捧得马约翰杯。

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第二课堂——文体活动

电子信息大类鼓励学生走出校园,了解社会,平均每一位同学本科期间至少参与一次社会实践活动,包括高科技公司,基层单位,海外地区等等。同时,重视科创活动,设立科创因材施教计划,为学生提供良好的科创条件。通常大二年级的同学就有机会进入实验室,参与到实际的科研工作当中。2019年,电子系助力清华挑战杯登顶,六个获奖项目中电子系贡献两个特等奖。

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第二课堂——科创活动

电子信息大类还不断致力于为学生提供个性化、全方位的培养。在现有的班主任和辅导员的基础上,为每一位新生配备一名新生导师,共同解决学生、生活中遇到的问题。同时,邀请系友担任名誉班主任,力争让每一位本科生受到充分的指导。

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第二课堂——学生培养

得益于全面专业的课程体系与全方位的第二课堂培养,电子系毕业生前途广阔。本科生以继续攻读学位为主,94%-95%的同学会选择继续深造,包括在国内深造,比如本校硕博或外校硕博,和国外深造,如国外顶级名校包括MIT、Stanford、Berkeley等等。研究生以就业为主。无论是大型民企、国企,还是国家机关、知名外企,都对电子系毕业生扎实的专业技能和优秀的综合素质一致好评。

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第二课堂——就业引导

建系60多年来,电子系始终把人才培养作为建系之本。历年来共培养本科、研究生两万余人。他们在科学研究、行政管理、经济建设、国防建设等方面作出了卓越贡献,涌现出一批学术大师、治国栋梁、兴业之士和军旅将才。希望未来,电子系走出的同学也能继承优良传统,为推动电子信息产业发展、社会进步与国家发展贡献力量。

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知名系友

03 总结

电子信息技术是智能社会的基础,在各个方面都起到支撑的作用,无所不在、无处不用、无所不包。这个“无”字正是电子系的标志,从电子系前身清华大学无线电系中的“无”字得名,象征电子系先辈不畏艰难险阻、以一无所有的条件建设电子信息产业的奋斗精神。

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“无”字衫的“无”

当今社会会正处在数字化向智能化发展的关键时期,新一代电子信息技术方兴未艾,国家电子信息产业发展如火如荼,正需要有志青年投身于电子信息产业的建设中。
希望有更多不惧挑战的学生,加入电子信息类,成为当下智能社会发展进程中具有强大竞争力的人才。最后,欢迎报考清华大学电子信息类!
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了解更多内容,点击下方图片观看讲座完整视频:

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文案整理 | 谭竞搏

视频剪辑 | 王梓霖

推送制作 | 王梓霖

审核 | 刘一民 徐晗

本文来源:无限之声

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