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。

2023年9月9日上午，由中國科學(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。

(資料圖)

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，遴選出未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的五大前沿領(lǐng)域——類腦芯片、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、論文和專利、專家訪談、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)，以及中國在全球的技術(shù)定位，并提出上海未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展策略。

類腦芯片研發(fā)工作剛剛起步，無法取代人腦

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

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

中國目前基礎(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)存在差距的問題；專利技術(shù)則側(cè)重于類腦芯片的應(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年正式從瑞士搬來中國，給中國創(chuàng)新能力注入了活力。但中國大學(xué)和院所的類腦芯片研發(fā)成果較多，需要促進(jìn)用戶-企業(yè)-高校產(chǎn)學(xué)研用合作，暢通類腦芯片研發(fā)應(yīng)用鏈條。

對(duì)于受到普遍關(guān)注的，類腦芯片能否達(dá)到人腦智能水平并取代人類工作的問題，該報(bào)告顯示，類腦芯片取得了重大進(jìn)展。不過，常用的深度學(xué)習(xí)加速器類的芯片仍是基于傳統(tǒng)的“馮·諾依曼架構(gòu)”建立類腦芯片，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，目前已在自然語言處理、語音識(shí)別、自主機(jī)器人、自動(dòng)駕駛、智能娛樂、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在下棋過程中約消耗了1兆瓦的電能，相當(dāng)于一天約100戶家庭的供電量。相比之下，包含超過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)加速器這種類型的類腦芯片，在諸多方面都不太可能取代人腦。

相比之下，另一種類型的類腦芯片——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)雜問題時(shí)，擁有更高的算力密度和能耗效率。

不過，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，類腦芯片的研發(fā)工作現(xiàn)在只是剛剛起步，更不用說取代人腦。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，將人類解放出來開展更有創(chuàng)造性的工作。

中國在量子通信占據(jù)主導(dǎo)地位

在量子信息領(lǐng)域，報(bào)告顯示，創(chuàng)新大國在量子信息領(lǐng)域競(jìng)爭激烈。美國的量子計(jì)算和量子測(cè)量優(yōu)勢(shì)明顯，而中國在量子通信占據(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。上海市和中國政府對(duì)于量子信息的發(fā)展給予了重要支持，通過政策和資金的投入，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，上海面臨著來自其他城市以及國際上其他量子信息研究中心的激烈競(jìng)爭。這意味著上海需要不斷提高自身的創(chuàng)新能力和競(jìng)爭力，以保持領(lǐng)先地位。量子信息領(lǐng)域需要高度專業(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)域中國屬于第二梯隊(duì)

在合成生物領(lǐng)域，報(bào)告顯示，美國在合成生物學(xué)領(lǐng)域研究中屬于第一梯隊(duì)，中國、日本、英國屬于第二梯隊(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)研究論文成果的國際來源、國家來源、本地來源基金資助率，在前十中國城市中分別居第2、6、8位。合理增加科研投入開展前沿領(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“國際數(shù)字之都”，數(shù)字經(jīng)濟(jì)占GDP比重已超過50%，計(jì)算機(jī)軟硬件企業(yè)數(shù)量為全國之首。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，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所和中國科學(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中碳轉(zhuǎn)化效率的最高水平?？梢姾铣缮飳W(xué)對(duì)于人類科技、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變革性受益前景的同時(shí)，也存在諸多倫理爭議如用于人類增強(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)，全球各國政府應(yīng)達(dá)成共識(shí)，更加關(guān)注合成生物學(xué)帶來的生物安全隱患，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。