新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)加速變革，新的顛覆性技術(shù)不斷涌現(xiàn)，未來(lái)產(chǎn)業(yè)成為重塑全球創(chuàng)新版圖和經(jīng)濟(jì)格局的重要領(lǐng)域。

(相關(guān)資料圖)

2023年9月9日上午，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、上海市科學(xué)學(xué)研究所聯(lián)合編撰的《未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域》在浦江創(chuàng)新論壇成果發(fā)布會(huì)上正式發(fā)布。

成果發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)。主辦方供圖

本報(bào)告從政府關(guān)注重點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景、對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的全局帶動(dòng)和重大引領(lǐng)作用等方面，遴選出未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的五大前沿領(lǐng)域——類(lèi)腦芯片、量子信息、合成生物學(xué)、綠色制氫和區(qū)塊鏈。

報(bào)告基于相關(guān)科技政策和研發(fā)投入、論文和專(zhuān)利、專(zhuān)家訪(fǎng)談、學(xué)術(shù)會(huì)議等科技數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析，探討未來(lái)產(chǎn)業(yè)五大前沿領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)、區(qū)域研發(fā)優(yōu)勢(shì)、技術(shù)研發(fā)的方向和面臨的挑戰(zhàn)，以及中國(guó)在全球的技術(shù)定位，并提出上海未來(lái)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展策略。

類(lèi)腦芯片研發(fā)工作剛剛起步，無(wú)法取代人腦

報(bào)告顯示，類(lèi)腦芯片在2015年之后得到長(zhǎng)足發(fā)展，尤其是深度學(xué)習(xí)加速器近年取得重大進(jìn)展，中國(guó)的類(lèi)腦芯片研究起步較晚，但在2016年與美國(guó)同步進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，目前中國(guó)的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)成果數(shù)量均居全球首位。

對(duì)于類(lèi)腦芯片的發(fā)展現(xiàn)狀，報(bào)告提出，全球研發(fā)大國(guó)在類(lèi)腦芯片領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈，類(lèi)腦研究已上升為發(fā)達(dá)國(guó)家的科技戰(zhàn)略重點(diǎn)和力推的核心科技發(fā)展領(lǐng)域，被美國(guó)認(rèn)為是“維持其主導(dǎo)全球軍事大國(guó)地位的戰(zhàn)略核心”，大國(guó)間競(jìng)爭(zhēng)博弈日趨激烈。

中國(guó)目前基礎(chǔ)研究成果以及技術(shù)研發(fā)成果，在數(shù)量上均居全球首位，但論文存在學(xué)術(shù)影響力較低，研究質(zhì)量尚與頂級(jí)機(jī)構(gòu)存在差距的問(wèn)題；專(zhuān)利技術(shù)則側(cè)重于類(lèi)腦芯片的應(yīng)用研究，而基礎(chǔ)的材料、器件、架構(gòu)電路和算法等方面的研發(fā)還需要加強(qiáng)，而且研發(fā)機(jī)構(gòu)還需要更多企業(yè)的參與。

此外，報(bào)告顯示，在該領(lǐng)域，傳統(tǒng)芯片企業(yè)優(yōu)勢(shì)地位明顯，新加入角逐者亦有諸多機(jī)會(huì)IBM、英特爾、美光、高通、谷歌、微軟、英偉達(dá)等傳統(tǒng)芯片廠(chǎng)商憑借原有的產(chǎn)業(yè)、資金、人才等優(yōu)勢(shì)，迅速切入人工智能領(lǐng)域，積極布局，目前處于引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的地位。

但在2016年之后初建的中國(guó)中科寒武紀(jì)科技、之江實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)發(fā)展迅速，目前在類(lèi)腦芯片領(lǐng)域也占有一席之地；而時(shí)識(shí)科技在2020年正式從瑞士搬來(lái)中國(guó)，給中國(guó)創(chuàng)新能力注入了活力。但中國(guó)大學(xué)和院所的類(lèi)腦芯片研發(fā)成果較多，需要促進(jìn)用戶(hù)-企業(yè)-高校產(chǎn)學(xué)研用合作，暢通類(lèi)腦芯片研發(fā)應(yīng)用鏈條。

對(duì)于受到普遍關(guān)注的，類(lèi)腦芯片能否達(dá)到人腦智能水平并取代人類(lèi)工作的問(wèn)題，該報(bào)告顯示，類(lèi)腦芯片取得了重大進(jìn)展。不過(guò)，常用的深度學(xué)習(xí)加速器類(lèi)的芯片仍是基于傳統(tǒng)的“馮·諾依曼架構(gòu)”建立類(lèi)腦芯片，它主要根據(jù)認(rèn)知計(jì)算算法而非神經(jīng)元組織結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)芯片，在精準(zhǔn)數(shù)值計(jì)算上擁有出色能力，也取得了非常顯著的成果，目前已在自然語(yǔ)言處理、語(yǔ)音識(shí)別、自主機(jī)器人、自動(dòng)駕駛、智能娛樂(lè)、電商推薦、金融風(fēng)控、醫(yī)療診斷、智能家居等場(chǎng)景得到使用。

但是，其計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元分離的架構(gòu)，限制了它的計(jì)算速度和能耗效率。比如AlphaGo在下棋過(guò)程中約消耗了1兆瓦的電能，相當(dāng)于一天約100戶(hù)家庭的供電量。相比之下，包含超過(guò)1000億個(gè)神經(jīng)元的人腦，消耗的功率僅20瓦。因此，深度學(xué)習(xí)加速器這種類(lèi)型的類(lèi)腦芯片，在諸多方面都不太可能取代人腦。

相比之下，另一種類(lèi)型的類(lèi)腦芯片——神經(jīng)形態(tài)芯片是從結(jié)構(gòu)層逼近生物大腦，側(cè)重于參照人腦神經(jīng)元模型及其組織結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)芯片結(jié)構(gòu)，其突出特點(diǎn)在于處理感知、認(rèn)知和決策等復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，擁有更高的算力密度和能耗效率。

不過(guò)，目前的神經(jīng)形態(tài)芯片還處于粗淺的模仿人腦階段，電腦和人腦在知識(shí)的表達(dá)、儲(chǔ)存、處理和應(yīng)用等方面差距較大。加上目前人類(lèi)對(duì)自己大腦的了解并不深入，模仿人腦的工作還處于非常初級(jí)的階段。因此，類(lèi)腦芯片的研發(fā)工作現(xiàn)在只是剛剛起步，更不用說(shuō)取代人腦。但是，一些重復(fù)、高度規(guī)范化的工作將會(huì)被機(jī)器取代，將人類(lèi)解放出來(lái)開(kāi)展更有創(chuàng)造性的工作。

中國(guó)在量子通信占據(jù)主導(dǎo)地位

在量子信息領(lǐng)域，報(bào)告顯示，創(chuàng)新大國(guó)在量子信息領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈。美國(guó)的量子計(jì)算和量子測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，而中國(guó)在量子通信占據(jù)主導(dǎo)地位。

對(duì)于上海目前的優(yōu)劣勢(shì)，報(bào)告提出，上海具備優(yōu)越的科研和教育資源，擁有眾多高等學(xué)府和科研機(jī)構(gòu)，如上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華東師范大學(xué)、上海科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海分院等，這些機(jī)構(gòu)在量子信息領(lǐng)域具有強(qiáng)大的科研實(shí)力和人才儲(chǔ)備。

同時(shí)，上海是中國(guó)最重要的經(jīng)濟(jì)和科技中心之一，擁有完善的產(chǎn)業(yè)鏈和市場(chǎng)環(huán)境，能夠有效地將量子信息技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，推動(dòng)量子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。上海市和中國(guó)政府對(duì)于量子信息的發(fā)展給予了重要支持，通過(guò)政策和資金的投入，為上海的量子信息研究和創(chuàng)新提供了良好的環(huán)境和條件。

然而，作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)和科技中心，上海面臨著來(lái)自其他城市以及國(guó)際上其他量子信息研究中心的激烈競(jìng)爭(zhēng)。這意味著上海需要不斷提高自身的創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力，以保持領(lǐng)先地位。量子信息領(lǐng)域需要高度專(zhuān)業(yè)化的人才，而人才的供給可能會(huì)受到限制。上海需要吸引、培養(yǎng)和留住優(yōu)秀的量子信息科學(xué)家和工程師，以保持人才優(yōu)勢(shì)。

此外，盡管上海有強(qiáng)大的科研實(shí)力，但在將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化方面仍存在一定的挑戰(zhàn)。上海需要加強(qiáng)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的合作，促進(jìn)技術(shù)的商業(yè)化和市場(chǎng)化。

因此該報(bào)告建議，在上海鼓勵(lì)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新和孵化器發(fā)展，建立企業(yè)和科研院所合作機(jī)制，加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，推動(dòng)國(guó)際合作平臺(tái)建設(shè)，促進(jìn)人才交流和培養(yǎng)并合理統(tǒng)籌調(diào)配資源，最大程度地發(fā)揮上海各區(qū)的優(yōu)勢(shì)。

在合成生物領(lǐng)域中國(guó)屬于第二梯隊(duì)

在合成生物領(lǐng)域，報(bào)告顯示，美國(guó)在合成生物學(xué)領(lǐng)域研究中屬于第一梯隊(duì)，中國(guó)、日本、英國(guó)屬于第二梯隊(duì)。同時(shí)，合成生物學(xué)的研究形成了比較固定的學(xué)術(shù)合作圈，在科技創(chuàng)新合作中地緣關(guān)系影響較大。

對(duì)于上海的發(fā)展策略，報(bào)告建議，加大基礎(chǔ)研究資助投入，上海合成生物學(xué)基礎(chǔ)研究論文成果的國(guó)際來(lái)源、國(guó)家來(lái)源、本地來(lái)源基金資助率，在前十中國(guó)城市中分別居第2、6、8位。合理增加科研投入開(kāi)展前沿領(lǐng)域探索和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，將有益于學(xué)術(shù)能力和影響力的提升，取得原創(chuàng)性科研成果。

同時(shí)，上?？梢宰畲蠡镜丶夹g(shù)資源優(yōu)勢(shì)，合成生物學(xué)是生物科技（BT）與信息科技（IT）融合交叉的典范，而上海市正在打造“國(guó)際數(shù)字之都”，數(shù)字經(jīng)濟(jì)占GDP比重已超過(guò)50%，計(jì)算機(jī)軟硬件企業(yè)數(shù)量為全國(guó)之首。但上海合成生物學(xué)的生物體設(shè)計(jì)與自動(dòng)化平臺(tái)等中游成果并不突出。

此外，上?？梢约訌?qiáng)技術(shù)研發(fā)的企業(yè)參與度，中國(guó)和上海市技術(shù)研發(fā)成果較多的機(jī)構(gòu)全部為大學(xué)院所，而美歐卓越研發(fā)機(jī)構(gòu)大部分為全球最強(qiáng)企業(yè)，包括巴斯夫、諾華、默克這樣的應(yīng)用領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，也有因美納（ILLUMINA）這樣專(zhuān)注于基因測(cè)序等生物技術(shù)研發(fā)的企業(yè)。同時(shí)，報(bào)告建議，上?？梢詮?qiáng)化上游和中游科技研究。

隨著技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)單、高效、價(jià)廉的CRISPR基因編輯技術(shù)可以精確地改變動(dòng)植物甚至人類(lèi)的基因，目前的合成生物學(xué)技術(shù)更可以從頭設(shè)計(jì)、合成和組裝生命體，這可能會(huì)出現(xiàn)生物安全以及生物倫理等問(wèn)題，應(yīng)該如何防范？

對(duì)此，記者也從會(huì)上獲悉，合成生物學(xué)被譽(yù)為“認(rèn)識(shí)生命”的鑰匙，其“設(shè)計(jì)生命”能力也在逐步加強(qiáng)中，這可以為解決人類(lèi)在新能源、環(huán)境環(huán)保、健康醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)食品、新材料等領(lǐng)域的重大問(wèn)題提供可能解決方案而擁有廣闊前景。

比如在2023年8月，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所和中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所合作發(fā)表論文，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制二氧化碳合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖，其碳轉(zhuǎn)化率高于傳統(tǒng)植物光合作用，也是目前人工制糖路線(xiàn)中碳轉(zhuǎn)化效率的最高水平?？梢?jiàn)合成生物學(xué)對(duì)于人類(lèi)科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展意義重大。

但是，合成生物學(xué)的不確定性與不可控性的本質(zhì)特征決定了它在帶給人類(lèi)變革性受益前景的同時(shí)，也存在諸多倫理爭(zhēng)議如用于人類(lèi)增強(qiáng)目的的“定制嬰兒”，以及生物安全隱患，如活性細(xì)胞在環(huán)境中的釋放可能導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境破壞，惡意使用包括生產(chǎn)生物武器、合成致命病毒或細(xì)菌等。

因此，合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)需要完善的監(jiān)督和管理體系，這與合成生物學(xué)的特征及其可能產(chǎn)生的新的特殊的潛在風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)，這些風(fēng)險(xiǎn)超出了原有的重組DNA技術(shù)與基因工程的監(jiān)管框架。

比如，近年來(lái)發(fā)展較快的合成生物學(xué)核心技術(shù)之一——基因編輯技術(shù)，其作為對(duì)抗疾病的一種治療手段有著巨大的潛力，但由于其涉及到基因片段的敲除和添加，其中還有許多待解決的工程學(xué)和科學(xué)問(wèn)題。貿(mào)然將該技術(shù)應(yīng)用于人體不僅會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的科技倫理問(wèn)題，更會(huì)對(duì)目前的法治框架及監(jiān)管造成挑戰(zhàn)。

為了有效防范風(fēng)險(xiǎn)，全球各國(guó)政府應(yīng)達(dá)成共識(shí)，更加關(guān)注合成生物學(xué)帶來(lái)的生物安全隱患，共同建立一套針對(duì)合成生物學(xué)的生物安保風(fēng)險(xiǎn)的強(qiáng)效、可執(zhí)行的監(jiān)管辦法。比如按照風(fēng)險(xiǎn)的緊急和危害程度擬定評(píng)估框架，相關(guān)機(jī)構(gòu)采取靈活的生物和化學(xué)防御戰(zhàn)略，加強(qiáng)公共衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以充分預(yù)防潛在的生物攻擊。對(duì)于任何合成生物的研究必須滿(mǎn)足規(guī)定的安全要求和遵守嚴(yán)格的安全程序。建立標(biāo)準(zhǔn)化合成生物元件庫(kù)并實(shí)施嚴(yán)格管控，按生物元件功能，進(jìn)行生物元件的安全性評(píng)級(jí)，對(duì)于具有安全風(fēng)險(xiǎn)的元件進(jìn)行標(biāo)簽設(shè)計(jì)并限制其信息公開(kāi)。