Xu hướng kỹ thuật số: Lưu trữ dữ liệu kỹ thuật số dựa trên DNA, Các cách tiếp cận thay thế tính toán lượng tử, Cặp song sinh kỹ thuật số cục bộ dựa trên AI

Các lĩnh vực công nghiệp tiên tiến nhất được thúc đẩy bởi công nghệ kỹ thuật số, điều này cũng tạo điều kiện cho việc thiết kế và triển khai các giải pháp sáng tạo nhanh hơn. Do đó, công nghệ kỹ thuật số có thể tạo nền tảng cho sự tăng trưởng trong tương lai, thúc đẩy một xã hội dân chủ và cởi mở, tạo ra một nền kinh tế sôi động và bền vững, cũng như đóng góp đáng kể vào cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Chúng là những động lực chính để đạt được quá trình chuyển đổi xanh và chuyển đổi hệ thống y tế công cộng. Nhóm các lĩnh vực mới nổi đầu tiên có khả năng mang lại tác động quan trọng đến quá trình chuyển đổi kỹ thuật số và thúc đẩy những phát triển đột phá như sau.

- Lưu trữ dữ liệu kỹ thuật số dựa trên DNA

Trong kỷ nguyên kỹ thuật số chứng kiến sự phát triển theo cấp số nhân của nội dung số, cách tiếp cận và công nghệ hiện tại để lưu trữ và lưu trữ dữ liệu lớn sẽ không bền vững sau năm 2040, chủ yếu là do những hạn chế liên quan đến tiêu thụ năng lượng, nhu cầu về vật liệu hiếm và độc hại, và các vấn đề liên kết với tính toàn vẹn của dữ liệu theo thời gian. Một nhu cầu cấp thiết là phải đề xuất các phương pháp tiếp cận hoàn toàn mới để đáp ứng sự gia tăng cực kỳ nhanh chóng của các yêu cầu lưu trữ dữ liệu, không có phương pháp nào hiện đủ chín muồi để triển khai. Các chất mang thông tin phân tử, chẳng hạn như DNA (được sử dụng như một chất hóa học chứ không phải là một tác nhân sinh học) hoặc một số polyme không được kiểm soát trình tự DNA, là những lựa chọn thay thế rất tốt nếu xét đến những ưu điểm rõ ràng như mật độ thông tin cao hơn mười triệu lần so với những loại truyền thống hiện đang được sử dụng và ổn định ở nhiệt độ bình thường trong vài thiên niên kỷ mà không tiêu tốn năng lượng. Hơn nữa, dữ liệu có thể dễ dàng thao tác, nhân lên hoặc hủy bỏ theo ý muốn. Một số tính toán có thể được thực hiện vật lý với các đoạn DNA. Hơn nữa, lưu trữ dữ liệu dựa trên DNA có thể được hưởng lợi một cách tự nhiên từ phạm vi nghiên cứu DNA đang phát triển nhanh chóng, các công cụ và kỹ thuật đột phá mới được phát triển từ khoa học đời sống, đồng thời cũng đóng góp tương hỗ cho nó (ví dụ: để thu thập dữ liệu in-vivo). Bằng chứng về khái niệm lưu trữ dữ liệu dựa trên DNA trong ống nghiệm hiện đã được thiết lập tốt. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lưu trữ như vậy có thể hỗ trợ truy cập có chọn lọc và có thể mở rộng sang dữ liệu, cũng như lưu trữ và truy xuất thông tin không có lỗi. Tuy nhiên, những thách thức kỹ thuật vẫn còn để làm cho quá trình này trở nên khả thi về mặt kinh tế đối với nhiều loại dữ liệu. Những điều này liên quan đến việc cải thiện chi phí, tốc độ và hiệu quả của công nghệ đọc, và đặc biệt là ghi và chỉnh sửa môi trường, DNA hoặc các polyme khác.

Lĩnh vực này dựa trên các xu hướng công nghệ mới nổi như điện tử sinh học.

- Các cách tiếp cận thay thế tính toán lượng tử

Tính toán lượng tử hứa hẹn về sức mạnh tính toán to lớn vượt quá khả năng của bất kỳ máy tính cổ điển nào. Nó có tiềm năng cách mạng hóa nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ, cũng như cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Mô hình tính toán mới này được xây dựng dựa trên các quy luật vật lý của cơ học lượng tử và khai thác các phương thức tính toán mới về cơ bản. Kể từ khi mạch lượng tử cơ bản đầu tiên được xây dựng vào năm 1995, người ta đã nỗ lực đáng kể để hiểu và phát triển các công nghệ điện toán lượng tử. Tuy nhiên, lĩnh vực này vẫn được coi là sơ khai. Các phương pháp tiếp cận mới để mã hóa, thao tác và lưu trữ thông tin trong các đối tượng lượng tử là cần thiết để đẩy nhanh sự phát triển và triển khai các cải tiến đột phá trên nhiều lĩnh vực, đồng thời cho phép những người mới đưa ra các giải pháp độc đáo cho kiến trúc và các khối xây dựng quan trọng của các hệ thống điện toán lượng tử mới. Những đổi mới như vậy sau đó có thể dẫn đến các ứng dụng trong hóa học, khoa học vật liệu và hậu cần, ngoài những lĩnh vực khác. Để đảm bảo khai thác nhanh hơn và tiếp nhận các giải pháp thực tế trong lĩnh vực tính toán lượng tử, cần khám phá những tiến bộ về khả năng mở rộng và khả năng chịu lỗi trong các phương pháp thay thế nhưng đầy hứa hẹn. Tính toán dựa trên phép đo sử dụng các trạng thái ánh sáng vướng víu là một cách tiếp cận hứa hẹn tính phổ quát, khả năng mở rộng và khả năng chịu lỗi. Cần có những phát triển chính về tạo trạng thái, mã hóa, điều khiển hệ thống, chế tạo, ngăn xếp phần mềm và ứng dụng để vượt ra ngoài giai đoạn khái niệm và mang lại những hứa hẹn đầy đủ của phương pháp này.

Lĩnh vực này dựa trên các xu hướng công nghệ mới nổi như: điện tử linh hoạt, bộ nhớ máy tính, máy tính lượng tử, quang điện tử, spintronics.

- Cặp song sinh kỹ thuật số cục bộ dựa trên AI

Các nhà quy hoạch thành phố, kiến trúc sư đô thị và các nhà hoạch định chính sách cần có các mô hình mô phỏng để hiểu, dự đoán, thiết kế và quản lý các hình thức thành phố trong tương lai để làm cho chúng bền vững, công bằng và hiệu quả hơn. Cặp song sinh kỹ thuật số cục bộ (LDT - Local Digital Twins) là bản sao kỹ thuật số của các thành phố không chỉ liên quan đến các khía cạnh vật lý, mà còn cả con người và ảnh hưởng của các quyết định và hành vi của họ. Các thành phố là những hệ thống phức tạp. Để giải phóng toàn bộ tiềm năng của LDT, một phương pháp tiếp cận dựa trên khoa học phức tạp cần được thiết kế dựa trên các quan điểm khác nhau về các thành phố, cấu trúc và các vấn đề của chúng. Các hệ thống động lực học phức tạp có khả năng tự tổ chức với nhiều dạng nổi khác nhau thường mạnh mẽ đến mức gián đoạn hợp lý. Chúng thích nghi và tự tổ chức diễn ra một cách tự phát theo cách hiệu quả. Để đạt được các kết quả mong đợi, người ta cần tập trung vào các tương tác hơn là vào các thành phần của hệ thống, và do đó chuẩn bị các thiết kế và can thiệp phù hợp với quá trình tự tổ chức và xuất hiện. Chúng ta cần quan sát và theo dõi sự xuất hiện của các hành vi tập thể. Nếu hệ thống (thành phố) không thay đổi quá nhanh, chúng ta có thể học bằng cách sử dụng các thuật toán tối ưu hóa (từ trên xuống) hoặc xây dựng các hệ thống kết hợp, từ trên xuống / tự tổ chức.

Lĩnh vực này dựa trên các xu hướng công nghệ mới nổi như trí tuệ nhân tạo.

- Những sử dụng không gian mới

Công nghệ vũ trụ được sử dụng rộng rãi để khám phá không gian, hiểu rõ hơn về Trái đất như một phần của vũ trụ, khí hậu của nó, nhưng cũng để có được cái nhìn khác về cơ thể và sức khỏe của con người. Công nghệ vũ trụ cung cấp nhiều dịch vụ hàng ngày như viễn thông, điều hướng, an ninh, dự báo thời tiết, viễn thám, v.v. Những tiến bộ trong công nghệ này đảm bảo các cơ hội và phương pháp tiếp cận mới để giải quyết các thách thức xã hội đang nổi lên bao gồm biến đổi khí hậu, các hiện tượng thời tiết bạo lực hoặc các bệnh nghiêm trọng ở người. Các khái niệm và phương pháp tiếp cận đột phá mới để tiếp cận không gian, giám sát, các giải pháp vận chuyển không gian toàn diện hơn, các ứng dụng mới của công nghệ lượng tử để sử dụng không gian, thử nghiệm / xác nhận trên quỹ đạo của các dịch vụ dựa trên không gian mới cho nhiều lĩnh vực (ví dụ như viễn thông, an ninh, điều hướng và theo dõi vệ tinh), quan sát trái đất hoặc sử dụng sáng tạo các tín hiệu và dữ liệu được thu thập bởi cơ sở hạ tầng không gian cho các chức năng mới được coi là động lực cho những đổi mới đột phá trên nhiều lĩnh vực hạ nguồn.

Khu vực này dựa trên các xu hướng công nghệ mới nổi như khai thác tiểu hành tinh.

- Vật liệu 2D cho thiết bị điện tử công suất thấp

Hệ thống công nghệ thông tin và truyềnthông (CNTT-TT) là ngành tiêu thụ điện tăng nhanh nhất trên toàn thế giới, với> 15% tổng lượng khí thải carbon do các trung tâm dữ liệu máy tính gây ra (dự kiến sẽ tăng gấp đôi vào năm 2050). Chỉ có thể giảm tiêu thụ điện năng trong công nghệ CMOS bằng cách giảm điện áp bật / tắt trong hoạt động của bóng bán dẫn: ví dụ, giảm điện áp hoạt động xuống 70% sẽ giảm tiêu thụ điện năng 90%. Thách thức là sử dụng vật liệu 2D để tạo ra các vật liệu mới cho thiết bị điện tử bán dẫn công suất thấp, bằng cách tối ưu hóa các đặc tính của chúng thông qua kỹ thuật vùng cấm, cho phép tăng quy mô wafer của các vật liệu như vậy, đạt được chất bán dẫn sắt từ ở nhiệt độ phòng và tích hợp chúng trong các thành phần để sản xuất có thể mở rộng.

Lĩnh vực này dựa trên các xu hướng công nghệ mới nổi như: vật liệu 2D, ống nano cacbon, bóng bán dẫn graphene.

- Điện tử bền vững

Điện tử là một trong những ngành công nghiệp nền tảng chính hỗ trợ xã hội ngày nay. Lĩnh vực CNTT-TT đang phát triển nhanh có lượng khí thải cacbon đáng kể, dự kiến sẽ tăng gấp đôi vào năm 2050. Những thách thức nổi bật trong phát triển và sản xuất CNTT-TT, trong số đó, là việc giảm tiêu thụ điện năng và phụ thuộc vào kim loại quý và nguyên liệu thô quan trọng. Điện tử bền vững không chỉ đại diện cho một nhu cầu mà còn là một cơ hội thách thức duy nhất cho một xã hội kỹ thuật số và phi cacbon hóa. Các giải pháp khác nhau đang được phát triển để giải quyết những thách thức này, bao gồm: (i) sử dụng các vật liệu bền vững như vật liệu dựa trên sinh học làm chất nền linh hoạt và các thành phần không dẫn điện, vật liệu cacbon dẫn điện, chất bán dẫn vô cơ và hữu cơ dựa trên sinh học, sử dụng nhiều và các hợp chất kim loại và phi kim loại quý có thể tái chế; (ii) sử dụng các quy trình sản xuất có thể mở rộng bao gồm xử lý ướt dựa trên nước, kỹ thuật sản xuất in và bù đắp (in 3D), xử lý khô ở nhiệt độ thấp, giảm thiểu chất thải quy trình và sử dụng các hóa chất an toàn hơn và có độc tính thấp; và (iii) triển khai các hệ thống và thiết bị lai mới, cũng như triển khai các thiết bị tự cung cấp năng lượng và phát triển các hệ thống lai và lấy cảm hứng sinh học (ví dụ: điện tử sinh học và giao diện với vi khuẩn, chức năng thực vật) bao gồm thiết kế sinh thái và các chiến lược thiết kế tuần hoàn, vật liệu tự phục hồi và tự sửa chữa, chiến lược dự đoán bảo trì.

Lĩnh vực này dựa trên các xu hướng công nghệ mới nổi như: điện tử linh hoạt, cảm biến phân hủy sinh học, điện tử sinh học, phát quang sinh học, thu năng lượng, cửa sổ thông minh, vật liệu tự phục hồi, giao tiếp thực vật, vật liệu 2D, dây nano, quang điện tử, spintronics, phân tách carbon dioxide, bóng bán dẫn graphene, quang hợp nhân tạo, siêu vật liệu.

N.M.Q (NASATI), theo EIC working paper 1/2022. Identification of emerging technologies and breakthrough innovations. European Union, 2022