四院士為你指路碳中和、清潔能源、激光物理、集成電路未來發展

2021年5月30日，中國科學院學部第七屆學術年會全體院士學術報告會舉行。中國科學院的7位院士——丁仲禮、李儒新、包信和、高福、焦念志、黃如和翟婉明帶來了精彩的報告。這篇文章將詳細介紹丁仲禮、包信和、李儒新和黃如四位院士分別在碳中和、清潔能源、激光物理和集成電路上的見解與看法。

丁仲禮——中國“碳中和”框架路線圖研究

丁仲禮，地質學家、氣候變化專家，中科院地質與地球物理研究所研究員。2005年當選中國科學院院士，2006年當選發展中國家科學院院士。

碳中和的概念是認為排放量（化石燃料利用和土地利用）被人為努力（木材蓄積量、土壤有機碳、工程封存等）和自然過程（海洋吸收、侵蝕-沉積過程的碳埋藏、堿性土壤的固碳等）所吸收，即凈零排放。

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丁院士將“碳中和”的研究分為了以下九個專題進行介紹和詳細講解。

（1）未來能源消費總量預測

這部分需要解決的問題是：

• 不同時間節點，我國居民生活、工業、建筑、交通等重點領域的能源需求以及全社會能源總需求。
• 主要邊界條件：2035年GDP翻番，2060年再翻番；生活水準與相應發展階段相當；產業結構逐漸向中高端發展；人口變動（少子、老齡化）等。
• 建立預測模型。
• 預測常常不準，希望提供“高、中、低”三種可供參考的預測。

（2）非碳能源占比階段性提高途徑

這部分需要解決的問題是：

• 根據碳中和要求以及能源需求預測（分行業及總量），主要在市場機制作用下，未來不同階段如何逐步增加非碳能源（風、光、水、地熱、核等）占比？
• 西部豐富的風、光資源，如何從發電、儲能、轉化、輸電、消納等環節協調發力，得到有效充分利用？
• 為構建“新型電力系統或能源供應系統”列出技術需求清單。

（3）不可替代化石能源預測

這部分需要解決的問題是：

• “電力替代、氫氣替代”由易到難
• 面向2060年，“難以替代”的領域有哪些？這些領域需要多少化石能源消耗？將排放多少CO2？

（4）非碳能源技術研發迭代需求

• 新型發電系統、電力替代、氫氣替代的技術體系是什么？如何實現和工藝再造？研發此類技術的可能路線圖？
• 如何推動化石能源的清潔高效利用在技術進步上持續發力？

（5）陸地生態系統固碳現狀測算

• 陸地生態系統各類碳庫的現存儲量格局
• 陸地生態系統碳匯功能及速率格局
• 不同有機碳庫的平衡點
• 堿性土壤的碳酸鈣累計速率及人為固碳可能性

（6）陸地生態系統未來固碳潛力分析

• 未來中國陸地及近海不同生態系統固碳潛力及氣候變化的影響
• 國家生態恢復、建設工程的未來固碳潛力
• 新增區域的固碳潛力
• 其他情景下的生態固碳潛力

（7）碳捕集利用封存技術評估

• 國際CCUS技術的現狀與發展趨勢；
• CCUS技術未來的突破口與經濟性能評估
• CCUS如何集群化及與產業融合
• 中國CCUS地址優選

（8）青藏高原率先達標示范區建議

• 計算青藏高原人為碳排放數值及預測趨勢
• 評估青藏高原生態系統固碳現狀及未來趨勢
• 提高青藏高原減排/增匯的途徑及達標方案
• 碳中和程度的分區域評估

（9）政策推動

• 推動非碳技術的政策
• 生態建設等固碳的政策

包信和——清潔能源科學基礎與展望

包信和，物理化學家。2009年當選中國科學院院士，現任中國科學技術大學校長。2011年當選發展中國家科學院院士，2016年當選英國皇家化學會榮譽會士。

我國實現碳中和的關鍵是能源變革，能源革命核產業轉型的重要方向是化石能源清潔低碳化、低碳清潔能源規模化、二氧化碳處理和利用。

（1）化石資源優化利用

煤化工中的煤處理會用到大量的水，并且產生大量的CO₂。包院士提出的煤基合成氣轉化新概念：摒棄水循環、減少反應步驟、提高選擇性、降低能耗。

（2）二氧化碳轉化利用

二氧化碳捕獲和掩埋（CCS）技術是將煤電廠的二氧化碳通過收集分離、純化壓縮、運輸、封存到地下進行處理的方式，但是成本非常昂貴。目前二氧化碳轉化利用的可能途徑有熱催化過程、光催化過程和電化學過程三種。其中熱催化過程效率高，但其缺點是消耗能源、需要外加氫源和排放CO₂；光化學過程利用可再生能源，但缺點是效率低且難以規模化；電化學過程可從水中獲得氫、效率高且可與儲能結合。

（3）氫能和氫能的應用

氫經濟的本質就是用氫遠傳可再生能源，可大量儲存與集中釋放。氫氣是二次能源，而非一次能源。整個氫能經濟是一個完整的產業鏈。氫氣的制備涉及天然氣催化重整煤氣化、醇催化重整電解水；供給系統涉及高壓管道、加氫站；氫能轉換涉及燃料電池和直接燃燒；氫能的儲存涉及高壓儲氫瓶、金屬氫化物、納米碳材料、復合高分子、化學過程；氫能應用涉及電動汽車、分布式發電、水下動力、氫冶金；CO₂的處理涉及高效分離膜、高效吸附劑和技術、CO₂儲藏的基礎研究。

氫氣的主要來源是電解水，因此氫氣的主要來源依然是化石燃料。包院士在報告中詳細對比了不同制氫方法的價格和CO₂排放。

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包院士對通向未來碳中和之路規劃了三個時期：

• 碳達峰階段（2021-2030）

節能技術（降低消費電耗、降低工業能耗）

減排技術（火電廠降低煤耗、消費單元煤改氣、交通油改電）

推廣技術（水電解制氫、燃料電池發電）

• 碳中和關鍵期（2030-2050）

減排技術（氫冶金、工業過程氫電替代）

零碳技術

• 碳中和決勝期（2050-2060）

零碳技術（可再生電能、綠氫、生物質利用）

負碳技術（生物質+CCS）

李儒新——高功率激光與高能粒子加速器的交叉融合

李儒新，2017年當選中國科學院院士。現任中國科學院上海光機所研究員，中國光學學會副理事長。

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近二十多年來，激光的脈沖功率快速提升，對粒子加速器技術帶來了革命性的影響。超強超短激光被稱為人類已知最亮光源，提供了前所未有的極端物理條件與全新實驗手段。上海超強超短激光實驗裝置（SULF）可推進極端條件材料科學研究、超快原子核物理研究以及超快化學與大分子動力學研究。

李院士從四個方面討論了高功率激光與高能粒子加速器的交叉融合：

1.基于高功率激光的高能粒子加速器

2.基于高能粒子加速器的高功率激光

3.高功率激光與高能粒子相互作用產生新光源

4.基于高功率激光與高能粒子束的物理研究

黃如——后摩爾時代集成電路技術發展與探討

黃如，微電子器件專家，2015年當選為中國科學院院士，現任北京大學副校長，美國電氣電子工程師學會院士，發展中國家科學院院士。

黃院士的報告從集成電路技術與特征、后摩爾時代關鍵技術挑戰和技術發展新變化及未來趨勢三個方面進行。

芯片是器件及其它們之間的相互連接，在半導體襯底毫米見方的空間上進行集成，有序排列，實現信息的獲取、處理、存儲和傳輸等功能。目前IC技術與產業發展的核心是如何在半導體襯底上用盡量小的面積構建盡量多的器件及其連接。IC產業的發展是多學科交叉的結晶：從芯片的設計、制造和封裝這一系列過程包含了材料、器件、制造、EDA、設計和應用。這些方面又涵蓋了材料學、化學、物理、計算機科學、自動化、數學、電子科學等諸多學科的融合，需要各個領域的從業者共同努力及相互合作。

IC技術的更迭遵照摩爾定律，摩爾定律是指每隔18個月（或24個月）特征尺寸縮小0.707倍，集成度增加1倍，性能增加15%-20%，功耗降低40%，成本降低35%。目前集成電路技術已經進入“后摩爾時代”。后摩爾時代是指從平面結構的傳統器件走向FinFET立體結構的新器件以后的時代。技術節點上粗略的劃分是Intel公司22nm節點以后，Foundry的16/14nm節點以后。后摩爾時代的特征是集成度、性能、功耗、成本等摩爾定律的特征不再統一地提升或縮減。

后摩爾時代集成電路技術的瓶頸主要集中在四個方面：尺寸瓶頸、集成度瓶頸、功耗瓶頸和算力瓶頸。尺寸瓶頸要面對的是隧穿效應造成的物理極限，光學衍射造成的工藝極限以及工藝容差對器件尺寸的最低要求；集成度瓶頸主要體現在三個方面——互連密度，散熱能力限制芯片集成規模，設計成本隨集成度增加；功耗瓶頸主要受泄露電流、玻爾茲曼極限和隨機漲落限制；算力瓶頸主要由單芯片的算力逐漸趨于飽和導致。

后摩爾時代集成電路技術的瓶頸問題應從多維多向的方面來解決。從材料方面來講，性能增強與功耗優化應采用高遷移率溝道材料高K柵介質和低K互連介質材料；支撐新功能與新原理器件應開發氧化物/二維半導體、鐵磁/鐵電、量子霍爾等新材料。從器件方面考慮，器件結構應從二維平面走向三維立體結構。

完整的視頻請進入中國科學院學部第七屆學術年會全體院士學術報告專題網站觀看

http://academics.casad.cas.cn/xsjl/7thny/

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