瞭望 光电子信息产业有条件率先突破

在光学技术领域，我国基本与美西方处于同一起跑线，特别是全球光电子产业生态和应用生态还未形成，我国有机会形成以中国为主导的生态体系，实现全面引领

中国大陆光子产业规模和产量已领先于欧洲、北美、日本、韩国和中国台湾地区，产业规模位列全球第一

新一代信息产业已经催生了人工智能、物联网、5G、大数据中心等众多成熟的新应用场景，为光电子技术率先突破提供了强大的需求牵引。我国拥有全球领先的光电子应用场景，这是我国光电子有条件实现率先突破的独特优势

近几年，我国光电子技术在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储和信息显示等环节均取得了较大进展

光电子技术基于强大的物理属性上的优势，将接力集成电路技术路线，成为未来信息处理和计算的主流技术路线

文 | 米磊

当前新一轮科技革命蓬勃发展，光子技术、量子计算、脑科学、合成生物、可控核聚变、人工智能、物联网、大数据、5G等多种技术纷纷涌现，准确识别出具有革命性、基础性、战略性的技术并率先在全球实现突破，成为大国竞争的关键之一。

当今世界正经历百年未有之大变局，中国在芯片领域的科技研发中，一方面需要咬定青山不放松，在相对落后的电子芯片（集成电路）方向持续追赶；另一方面，可以集中力量投入资源，前瞻性地发展光电子芯片（集成光路），开辟新赛道，争取形成技术竞争新优势。

这是因为，光电子技术作为21世纪的战略性、基础性、先导性的高技术，能够广泛应用于人工智能、5G、量子信息、激光武器、基因测序、脑科学等众多新兴产业领域。我国光电子技术基础雄厚，拥有独特的优势，具备条件率先实现突破。

一项技术、产业能否率先实现突破，受技术发展基础、技术积累时间差、新旧利益格局、人才队伍、产业基础、市场规模等多种因素影响，是这些因素共同作用的结果。综合这几方面的情况来看，我国光电子技术和产业应具有率先突破的基础。

从技术发展基础来看，光电子是新一轮科技革命中非常有可能实现率先突破的革命性技术。

从物理学最基本的要素来看，历次科技革命都是在物质、信息、空间、生命和能量等五大方向上持续爆发革命性技术。从技术演进趋势来看，人类技术变革是沿着机械、电路、光学、算法的路径演进。从现实情况看，20世纪是电的世纪，以集成电路为底层技术的信息产业革命极大地促进了人类经济社会的发展。进入21世纪，集成电路性能趋近于物理极限，已经难以持续满足人类社会信息获取、信息传输、信息处理、信息存储和信息显示的高速增长需求，经济社会发展呼唤更先进的技术路线。光电子技术依托其超高速度、超强并行性、超高带宽、超低损耗等物理属性上的优势，在传输速度、信息容量、计算速度、能耗等方面的性能将提升1000倍，能够成为新一代信息产业的基础设施和底层技术支撑。目前，新一代信息产业已经催生了人工智能、物联网、5G、大数据中心等众多成熟的新应用场景，为光电子技术率先突破提供了强大的需求牵引。

从技术积累时间差来看，欧美国家起步早的技术，我国追赶超越的难度大。反之，与欧美起步时间差距越小的技术，我国越具备率先突破的基础条件。

发展以硬科技为代表的主导技术需要长时间的积累，持续不断的工程经验积累和产业应用生态培育至关重要，需要完整经历“从零到一”“从一到百”的升级迭代过程。在发动机、涡轮机、基础材料化学等技术领域，欧美国家拥有上百年的先发优势。上一轮科技革命中的半导体技术，欧美国家拥有数十年的先发优势，且形成了集成电路技术生态、产业生态和应用生态。但在光学技术领域，我国基本与美西方处于同一起跑线，特别是全球光电子产业生态和应用生态还未形成，我国有机会形成以中国为主导的生态体系，实现全面引领。

从新旧利益格局来看，新旧技术的利益博弈是新技术推广落地的一大影响因素。

旧有技术既得利益者由于多年的技术积累和巨大的资金投入，不愿意舍弃在传统技术上的既得利益，有可能“雪藏”最先进的技术或推迟最先进技术的产业化。目前，在光电子领域，欧美发达国家同样面临新旧技术的利益博弈，很多巨头仍想守住集成电路领域的既得利益而不愿推动光电子技术。与之相比，中国在集成电路领域没有既得利益的负担，更愿意发展新技术，这就为我国光电子芯片率先突破提供了条件。

从产业基础来看，我国拥有全球规模最大的光电子信息产业。

2020年光子学市场数据和行业分析报告显示，中国光子产业的全球市场份额从2005年的10%增长到2019年的30%，光子产业复合增长率保持着10%以上的高增长速度。中国大陆光子产业规模和产量已领先于欧洲、北美、日本、韩国和中国台湾地区，产业规模位列全球第一。巨大的产业规模能够产生巨大的规模效应、市场带动效应。我国依靠自身市场规模和应用场景有能力有条件打造国内光电子产业内循环体系，并以此为基础以国内循环带动国际市场循环。

从市场基础来看，我国拥有全球领先的光电子应用场景，这是我国光电子有条件实现率先突破的独特优势。

科技强最终的落脚点是产业强，一项技术再先进、再领先，没有应用场景的支撑，也难以产生实际的作用。我国人工智能、物联网、智慧城市、5G通信等领域发展迅速，为光电子提供了广泛的应用场景。应用场景的领先，能够支撑我国光电子技术的持续迭代升级，激发强大的技术迭代活力，从而为引领全球光电子信息产业变革提供了条件。

观众在第十八届“中国光谷”国际光电子博览会上参观（2021年10月27日摄） 伍志尊摄/本刊

近几年，我国光电子技术在信息获取、信息传输、信息处理、信息存储和信息显示等环节均取得了较大进展。

在信息获取领域，我国涌现出炬光科技、摩尔芯光、瑞识智能、唐晶量子、洛微科技、速腾聚创等一批光传感领域的高精尖特企业，在激光雷达科研和技术上不断取得突破。中国科学技术大学科研团队在相干测风激光雷达方面实现重大突破，首次实现3米和0.1秒的全球最高时空分辨率的高速风场观测。洛微科技2021年发布的第二代FMCWSoC光子芯片，是目前全球单颗芯片集成度最高的硅光芯片之一。法国市场调查公司Yole Développement发布的《2021年汽车与工业领域激光雷达应用报告》中，中国5家企业的市场应用份额进入全球前十。尤其值得注意的是，我国激光雷达企业与汽车厂家已经形成高度结合的良性循环生态，产业应用生态业已形成。

在信息传输领域，我国实现了领先发展。在全球光网络传输速度从100G向200G/400G提升的过程中，华为于2020年发布了全球首款800G可调超高速光模块，单纤容量达到48T，比业界方案高出40%，传输距离也比业界提升了20%。2021年，国家信息光电子创新中心、鹏城实验室、中国信息通信科技集团光纤通信技术和网络国家重点实验室、武汉光迅科技股份有限公司，在国内率先完成了1.6Tb/s硅基光收芯片的联合研制和功能验证，实现了我国硅光芯片技术向Tb/s级的首次跨越。

在信息处理领域，我国全面开花。中国科学技术大学潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，比日本富岳超级计算机速度快了近100万亿倍，比美国悬铃木量子计算机速度快了100亿倍。中国科学技术大学郭光灿团队在光量子芯片领域取得重大进展，首次在拓扑保护光子晶体芯片中实现量子干涉，推动了我国光量子芯片量产进程。北京大学王兴军教授团队近日在光子集成芯片和微系统方面取得了重大突破，解决了由集成微腔光梳驱动的新型硅基光电子片上集成系统的难题。由中科院西安光学精密机械研究所赵卫研究员领衔的大规模光子集成芯片B类先导专项，致力于开发集成器件大于2000的大规模光子集成芯片，并最终实现了15408个器件的大规模集成，集成规模世界领先。在光子计算芯片产业化方面，曦智科技设计出了全球首款光子计算芯片原型板卡，最新的单个芯片可集成12000个光子元器件，在研的光电混合AI计算芯片，性能有望超越主流先进制程电子芯片英伟达A103到5倍。

在光存储方面，郭光灿团队在光量子存储领域取得重要突破，将光存储时间提升至1小时，大幅度刷新了2013年德国团队光存储1分钟的世界纪录。近日该团队李传锋、周宗权研究组基于自主加工的激光直写波导，实现了光子偏振态的可集成固态量子存储，存储保真度高达99.4±0.6%，显著推进了可集成量子存储器在量子网络中的应用。

在光显示领域，我国激光显示关键材料、器件与应用技术不断取得突破。在光源设计、光机模组、整机设计等关键技术方面实现了领先；在激光器、成像芯片、镜头等核心部件的研发方面正快速缩短与国外的差距；在整机制造方面，中国企业已经探索出了成熟的技术，积累了相当的经验。中国工程院院士许祖彦、中科激光总工程师毕勇领导的中国科研团队，创造性地提出了红绿蓝三基色半导体激光显示概念，技术跻身全球第一梯队。赛富乐斯公司推出的4英寸半极性氮化镓材料，良率高达95%，成为全球首家可以量产工业级半极性氮化镓材料的硬科技企业，公司还成功点亮半极性绿光LED芯片，解决了下一代显示屏幕MicroLED的色彩问题。2021年10月，赛富乐斯成功开发了像素尺寸为2微米的全彩MicroLED阵列，取得了AR显示领域的一次重大突破，成为业界唯一一款批量在售的量子点MicroLED芯片，在全球率先实现这一技术从实验室成功走向商业化。

对全球芯片格局的影响

根据国际半导体产业协会的分类，全球半导体主要分为四类，分别是集成电路、光电子、分立器件及传感器。光电子芯片对电子芯片是一种升级的关系，这种关系使两者存在多种形态的竞争，如果我国光电子芯片取得突破，将对全球芯片格局产生多方面的影响。

一是光电子芯片可在电子芯片性能遇到瓶颈的领域形成替代。

传统电子芯片的主要应用场景是在信息处理和计算领域。美国经过数十年的积累，在全球信息处理和计算领域拥有控制力，拥有英特尔、英伟达、高通、超微半导体等一大批全球处理器龙头企业。无论是电脑、电视、手机、汽车电子产品等底层芯片，还是基于芯片衍生的软件、操作系统等，美国都把控着全球消费电子的“命门”。随着经济社会发展对算力的需求持续增加，以及集成电路物理属性将达到极限限制，摩尔定律算力供给已经难以满足未来AI对算力的需求。过去10年，AI领域对算力的需求增长超过了30万倍，未来人类社会对算力的需求仍将继续增长，这将推动全球信息处理和计算领域的变革升级。光电子技术基于强大的物理属性上的优势，将接力集成电路技术路线，成为未来信息处理和计算的主流技术路线。

二是未来信息产业新增市场更多依靠光电子芯片，全球半导体内部格局将重塑。

信息时代的基础设施是电子芯片，人工智能时代将更多地依托光子芯片。2021年全球半导体市场规模为5560亿美元，其中集成电路市场规模为4630.02亿美元，占全球半导体市场规模的83.29%；光电子芯片市场规模为434.04亿美元，占全球半导体市场规模的7.81%。从当前全球半导体市场格局来看，集成电路在全球半导体市场中仍旧占据主导地位。但是用发展的眼光来看，随着人工智能、物联网、AR/VR、大数据中心等新兴产业的崛起，光计算、光传感、光显示、光存储等技术需求将迎来爆发式增长，如计算领域的AI光子计算芯片，传感领域的激光雷达、手机3D感测VCSEL芯片，存储领域的全息光存储，显示领域的AR光波导芯片等，都是智能时代的新增市场，只能用光电子芯片来解决。因此，光电子芯片在全球半导体市场中的占比势必将大幅提升，以光电子芯片为底层支撑的“消费光子”也将逐渐取代以集成电路为支撑的“消费电子”，成为全球信息产业的“主战场”，为一些国家创造“换道超车”机遇。

三是光电子芯片突破后，全球半导体竞争将形成相互制约的格局。

美国对全球信息产业的控制力和影响力，来源于其抓住了信息产业的底层技术——集成电路，掌握了芯片设计、研发、制造的核心能力，并由此带动下游产业发展，形成了从底层技术到芯片制造再到下游产业链的完整产业生态，由此构建了以美国为中心，逐渐向全球扩散的全球半导体格局。当前，在全球范围内，光电子芯片的核心技术壁垒还未形成。我国在光电子芯片应用场景上的优势，能够反向牵引我国光电子技术的持续迭代升级。我国有望在人工智能时代打造出以中国为中心，逐渐向全球扩散的光电子芯片格局，在新的赛道中占据主导地位。

在中国国际工业博览会上展出的卫星模型（2020年9月15日摄） 张建松摄/本刊

经济的新领域新赛道

得未来者得天下，未来全球产业制高点的竞争领域之一就是光电子领域。集成电路是信息产业的基础设施，光电子芯片是人工智能、物联网、5G、无人驾驶、元宇宙等未来产业的基础产业和基础设施。光电子芯片是基础性、引领性产业，是未来产业中的“根技术”。正如位于底层的集成电路支撑起数万亿美元市场规模的硬件产业，带动数十万亿美元市场规模的互联网和大数据产业，未来，光电子技术作为革命性的“根技术”，将能够催生数万亿美元级市场规模的“树干”产业，带动数十万亿美元市场规模的“叶”经济，成为未来全球经济增长的新动力和主战场。光电子产业也能够为我国经济发展开辟众多新领域新赛道，助力我国形成新优势。

一是光电子芯片将催生千亿美元级直接市场，带动万亿美元级的5G和数据中心产业。

25GDFB激光器芯片是5G的基础。根据光通信行业市场调研机构LightCounting的测算，2021年全球25G及以上光芯片市场规模为107.55亿元。当前，我国25G光芯片国产率约为20%，25G以上光芯片国产率仅为5%。未来25G及以上速率芯片的突破，能够为我国带来近百亿元的直接市场规模，支撑近万亿元的5G产业发展。《中国5G产业发展前景预测与产业链投资机会分析报告》中的数据显示，到2030年5G带动的直接产出和间接产出将分别达到6.3万亿元和10.6万亿元。随着5G产业中孕育的未来产业逐渐崛起，反过来又将进一步支撑光电子芯片的市场规模向千亿级迈进。根据英国市场研究公司Technavio的预测，到2025年全球数据中心市场规模将达到5193.4亿美元，届时硅光芯片的直接市场规模也将获得巨大增长。

二是光电子芯片将催生万亿级卫星互联产业。

传统地面通信由于物理空间的限制无法覆盖全球，与之相比，卫星互联网技术作为一种颠覆性通信技术能够提供全球网络覆盖。特别是以激光通信为基础的星间激光链路和星间信息传输，将成为卫星互联网未来的主战场，它将成为低轨卫星网络的标配荷载和基础。卫星激光通信技术作为底层技术，能够带动太空通信产业的崛起。目前全球产业龙头正在加快布局，如美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”计划拟共计发射4.2万颗卫星组建全球卫星互联网。2021年底，SpaceX已首次在“星链”卫星上使用了激光通信设备，并计划在未来发射的所有“星链”卫星中都配备星间激光链路。全球商业航天企业规划的未来发射的卫星数量大约为6万颗，一旦各类卫星组网成功，星间链路建成后，激光通信将成为卫星通信的主航道，孕育万亿级的市场规模。

三是光电子芯片将孕育万亿级的光计算产业，催生数十万亿的“消费光子”产业。

根据国际半导体产业协会的统计数据，2021年全球集成电路市场规模为4630.02亿美元。按照1元基础电路产值带动10元电子产品产值和100元国民经济的增长，集成电路带动了全球约4.6万亿美元的消费电子产业，带动了全球46万亿美元的经济增长。未来，随着光计算芯片取得突破并逐渐取代电子芯片，将催生万亿美元级的光子计算芯片产业，撬动下游数十万亿美元的“消费光子”产业。这对重塑全球信息产业格局具有战略意义。

四是光电子芯片将催生万亿美元级元宇宙产业。

光电子芯片能够满足元宇宙的信息输入和输出需求，是实现人与机器、虚拟与现实信息交流的接口。彭博行业研究报告预计，元宇宙将在2024年达到8000亿美元市场规模。普华永道预计，元宇宙市场规模在2030年将达到1.5万亿美元。从当前来看，VR、AR及MicroLED是未来元宇宙的主要战场。根据数据分析公司Statista发布的报告，2018年全球AR/VR市场规模为267亿美元，预计到2025年将达到8147亿美元，2019年至2025年复合增长率为63.01%。

五是光电子技术能够催生光传感等诸多新领域。

光电子技术作为信息获取的底层技术，能够支撑激光雷达、垂直腔面激光器（VCSEL）、3D传感等技术发展。在消费光子、红外成像、无人驾驶、光探测、光感知等领域，能够催生一大批新的市场应用，涵盖军事、国防、深空探测、机器视觉、科学仪器、量子通信、工业化自动化，以及机场、地铁、海关等危险爆炸物检测等。固态激光雷达将在无人驾驶、安防、机器人、工业应用、物联网等行业有着广泛的应用。

此外，光电子芯片在精密制造、生命科学以及国防军工等领域，也将催生众多应用市场。如在精密制造领域的超快激光加工技术，生命科学领域的基因测序、脑科学、神经网络、医疗诊断等方面，国防军工领域的高超音速导弹、激光武器等方面，均会有广泛应用。

创新主动权、发展主动权必须牢牢掌握在自己手中。未来，在国家战略级的部署和中国光电人的努力下，我国一定能够赢得光电子芯片的主动权，率先打造出世界级的光电子科技创新体集群。中国未来将迎着希望之光，率先迈进人类社会的“光子时代”。 （作者为陕西光电子先导院执行院长）■

在西安 5G要火！今年新建9000个基站，明年主要城区网络连续覆盖

4月23日，《西安市加快5G系统建设与产业发展的实施意见》印发，全方位推进5G在先进制造、智慧城市、智慧全运等各领域的融合创新应用，助推西安“三个经济”发展，将我市打造成为网络基础完备、应用场景丰富，极具特色的5G产业创新发展高地。

2020年新建5G基站9000个

到2022年，5G网络覆盖面和建设水平中西部领先，5G产业规模显著增大，5G技术在经济社会各领域得到广泛应用和深度融合，5G产业生态体系日臻完善，力争成为5G网络建设先行区、产业发展集聚区及5G创新应用示范区。

大力推进系统建设。2020年，新建5G基站9000个，累计建成13000个，实现核心城区和全运会场馆、重点产业聚集区、交通干线、旅游景点等重点区域5G信号连片优质覆盖。2021年，新建5G基站7000个，累计建成20000个，全市完成5G规模组网，主要城区实现5G网络连续覆盖。2022年，新建5G基站5000个，累计建成25000个，边远区县重点区域开通5G网络及商用，实现涉农区县重点区域5G信号覆盖。

重点推动产业发展。力争在我市构建覆盖5G上、中、下游产业的较为完备的产业链。在细分领域形成一批特色产品，实现5G产业集聚发展。在关键器件和芯片、网络设备、智能终端、新材料、天线、应用软件、网络安全等领域培育一批龙头企业和重点项目，加快科研成果产业化。到2022年底5G产业规模超过300亿元，成为我市先进制造业发展的重要力量。

积极培育创新应用。以典型场景示范应用为切入点，推动垂直行业融合创新。到2022年底，在先进制造、智慧城市、智慧全运、文化创意、人工智能、智慧物流、智慧医疗、智慧教育、车联网、无人机等领域形成20—30个5G创新应用示范案例，在超高清视频、AR/VR、移动安防等领域形成可复制可推广的商业应用模式。

免费开放行政机关所属非涉密公共区域及设施资源

西安将按照“规划先行、需求引领、分步实施”的原则，明确5G系统建设相关标准，统筹编制5G基站站址专项规划，并做好与国土空间规划、控制性详细规划的衔接。统筹、科学、合理布局5G基站、数据中心、边缘计算设施、通信机房、智慧多功能杆塔及通信管道等信息基础设施，实现共建共享。

免费开放行政机关、企事业单位、公共机构所属非涉密公共区域及设施资源，开放公交站台、地铁、机场、港口、客运站场、城市道路、桥梁隧道、地下管廊等市政公共区域和设施，支持5G及通信网配套设施建设。

加快推进电力、通信、市政、交通、公安视频监控等各类杆塔资源整合共用。强化用地保障，做好产业规划与国土空间规划的衔接工作，将5G特色产业聚集区纳入新一轮国土空间规划编制工作中，确保优质项目用地需求。

将5G产业打造成为我市先进制造业发展的重要力量

支持高等院校、科研院所等研发创新机构和龙头企业，在网络架构、射频芯片及模组、微波器件及天线、测试技术及装备、新材料等5G产业核心技术上取得突破。推进5G与云计算、大数据、物联网、人工智能等技术融合创新。通过基于5G网络的各类场景应用和垂直行业应用，研发一批“5G+集成应用”技术和应用软件。支持网络安全企业加强5G安全标准与产品研发，增强5G产业安全技术支撑能力，培育壮大若干5G网络安全龙头企业。加强供需对接、产融结合，促进形成西安5G产业核心技术竞争力。

重点发展射频芯片及器件、光模块和激光器芯片、小基站和微基站、有源阵列天线、前传交换机等产品；结合场景应用和垂直行业应用，重点发展基于5G的智能手机、超高清视频、AR/VR、无人机、可穿戴设备及融合应用产品，并提供整体解决方案。

强化拓展与华为、中兴等5G龙头企业的合作力度，建立西安5G产业生态联盟，吸引更多5G网络设备研发、制造企业和项目落户西安。着力引进5G通信模块、光模块等5G重点环节企业，形成从模块设计、制造到封测的全产业链条，将5G产业打造成为我市先进制造业发展的重要力量。

形成5G产业集聚 促进5G创新成果转化落地

围绕5G重点发展方向，汇聚产业要素，完善功能保障，加快推进5G研发基地、生产基地和应用基地建设。支持有条件的区县、开发区设立5G产业园，吸引5G关键器件和芯片、网络设备、智能终端、新材料、天线、应用软件、网络安全等产业各环节优质企业落户，促进形成特色鲜明、功能完善的5G产业聚集区。

面向5G产业前沿、关键、共性技术研发和应用，建设5G产学研用协同创新平台，对标国内一流水平，建设5G产品认证、应用测试、网络监测、产业分析、基站运维、解决方案等面向产业发展的公共服务平台。依托5G特色产业聚集区，大力发展众创空间、创新型孵化器、加速器等各类5G双创平台，促进5G创新成果转化落地。

推进5G在全运会赛事方面的应用 打造“5G全运”

在先进制造、智慧城市、智慧全运、文化创意等方面率先开展5G应用。在电子信息、汽车制造、航空航天等重点领域开展基于“5G+工业互联网”的先进制造示范应用。

推进5G在全运会赛事直播、新闻报道、全运会场馆安保等方面的应用，打造“5G全运”。推进5G网络与超高清视频、AR/VR、车联网、无人机、人工智能等技术结合，提升群众在政务服务、文体娱乐、智能出行、智慧社区等应用场景下的体验。

建立5G应用环境下的网络安全防护体系，加强5G安全标准与产品研发，深度切入5G网络安全、应用安全、终端安全、运营服务安全等领域，增强5G产业安全技术支撑能力。

加快完善“5G+北斗”应用环境，促进北斗产业不断壮大。

开通5G系统建设和重点项目审批“绿色通道”

我市建设先进制造业强市的政策措施全面适用于支持5G产业发展。在市工业发展专项资金中设立5G产业发展专题，用于支持5G网络建设、产业研究、技术研发、产品开发、产业招商引资、重大项目建设、技术改造、产业聚集区建设、配套体系建设及创新应用推广等方面，加强在偏远地区城市绿地、公园等特殊公共区域基站建设的政策支持力度。

开通5G系统建设和重点项目审批“绿色通道”，减少信息基础设施建设运营单位在资源占用、施工管理、设备维护等方面费用支出。对因征地拆迁、城乡建设等造成的信息基础设施迁移或损毁，严格按照标准予以补偿，迁移时要遵循“先建后拆”的原则，确保5G网络通信质量不受影响。

规范5G基站转供电收费标准，原则上按正常商业用电价格供电，特殊情况下不得超过正常商业电价的20%，严厉打击恶意拉闸、违规加收电费等行为。

进一步加大引进和培育5G产业技术人才力度，建立5G专家库，为政府科学决策提供智力支撑，为我市5G系统建设、应用和产业发展提供技术支持。（西安报业全媒体记者 康乔娜 张端）

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