中国硬科技发展白皮书.docx
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1、2019中国硬科技开展白皮书-Z ,I-刖百当前，我国迎来了世界新一轮科技革命与中国转变开展方式的历史性交汇期， 既面临着千载难逢的历史机遇，又面临着差距拉大的严峻挑战。科技作为人类社会 开展的源动力，塑造和影响着全球政治经济格局，持续主导世界变革，成为我国应 对挑战和把握百年开展机遇的必然选择。以史为鉴，真正能够推动人类社会进步、 改变世界进程、引领人类生活发生根本变革的科技，都是那些需要长期研发投入、 持续积累的高精尖原创技术，对产业的开展具有较强的引领和支撑作用的技术。 2010年中科院西安光机所米磊博士将这类技术定义为“硬科技”，希望新时期国家 和社会能够重视硬科技、开展硬科技、掌握硬
2、科技。2018年12月6日，李克强总理 在国家科技领导小组第一次会议上强调“突出硬科技研究，努力取得更多原创 成果”。2019年10月16日，科技部火炬中心组织召开硬科技开展工作座谈会，研 究推进硬科技开展工作。放眼全球，各国纷纷将目光投向科技，硬科技开展热潮正在全球蓬勃兴起。 2019年全球在人工智能、生物技术、光电芯片等十大技术领域取得突破性进展，全 球首次合成纯碳C18环，为当前计算机芯片突破硅基半导体器件物理极限提供全新 思路；科学家3D打印出会“呼吸”的人造器官，未来将造福器官移植患者；世界首 款异构融合类脑芯片问世，通用型人工智能开展迈出重要一步。2019年全球主要城 市七大硬科技
3、创新综合指数TOP15中，中国城市占8个席位，占据半壁江山，其中 东京位居第一，北京紧随其后，纽约名列前三。我国科技创新活动活跃度领先全球， 呈现多个行业并发、多种类型并举、多数企业家重视的良好局面。聚焦中国，硬科技成为衡量和支撑区域产业竞争力的最关键要素，对于城市产 业创新综合实力的作用日益显现，上海全力打造全球顶级生物医药产业集聚区、深 圳打造智能制造产业创新中心、西安打造全球硬科技之都。在2019年国内城市产业 创新综合排名中，北京以绝对优势领跑全国，上海和深圳处在第二梯队，作为“硬 科技”概念的发源地，2019年西安表现亮眼，产业创新综合能力位居全国第四，引 领第三梯队。展望未来，硬科
4、技作为人类社会开展的核心动力，将驱动人类进入一个全新的 开展阶段，人类生产组织方式、社会组织方式、生活方式将发生重大变化。硬科技 事关人类社会整体进步和人类共同福祉的提升，需要各国以宏大的全球视野和人类 共同的担当，携手构建人类命运共同体。可持续进步，推动我国步入创新导向阶段，实现经济从“富起来”走向“强起来”。1 .生产要素和投资驱动阶段，我国经济增长后劲缺乏改革开放以来，我国经济取得快速开展。依靠人口红利、投资等要素的驱动，在经济较 为落后的阶段，固定资产的投资、劳动力人口的增加能够在短时间内促进我国经济高速增 长。但是随着我国经济的快速开展，经济到达一定体量时，人口红利、投资等要素投入对
5、于 我国经济增长的作用越来越低，我国产业升级乏力、增长率逐年降低，面临巨大的开展压力。 这一时期，我国经济增长遵循柯布-道格拉斯生产函数模型，依靠要素驱动呈“边际收益递 减”态势。以投资驱动为例，2010年至2018年，我国固定资产投资总额持续增加，从2010 年的24万亿增长到2018年63.56万亿元，但固定资产投资对于GDP增长的贡献比 例从2010年7.1%下降至2018年的2.2%,呈边际收益递减态势。同时，固定资产投入的增 加，也没有驱动我国经济增长率的相应提升，从自2010年以来我国GDP增长率逐年递减， 从2010年的10.64%降至2018年的6.6%。2 .技术创新驱动能够
6、促进我国经济可持续增长20世纪五十年代，美国经济学家罗伯特索洛提出经济增长“索洛模型”，论证了技 术进步对于经济的可持续增长作用。索洛在经济增长中引入了 “技术进步乘数”，认为技术 进步是推动经济增长的源泉，并且经济产出与技术进步的平方成正比，技术进步能够推动经 济增长呈指数性增长。该理论为我国经济开展提供了重要的指引，未来我国经济的可持续增 长需要依靠技术创新。索洛模型同样也适用于解释技术创新与模式创新对于经济增长的作用（见图1）。技术 创新在起步阶段的前5到10年，投入和回报率成反比，甚至还要经历亏损，十分耕耘一分收获。在 技术的研发和成长期，科技回报的增长是低于线性增长的，然而一旦过了拐
7、点就是指数型 增长，并能够迅速成为支撑经济的支柱。而依靠投资驱动的模式创新那么相反，其增长会出现 边际递减现象，对经济支撑作用越来越弱。图1技术创新与模式创新增长模型时间3 .芯片整体设计水平提升，不断满足技术开展要求2019年1月，美国AMD在国际消费类电子产品展览会上发布多款下一代7纳米芯片， 如第三代Ryzen CPU芯片、Radeon VII GPU芯片和EPYC服务器芯片。上述3款芯片均基 于AMD最新的7纳米制程工艺。该工艺不仅能将更多晶体管封装在更小的芯片上，且可以 在提升芯片性能的同时保持较低的功耗。AMD希望凭借这一系列芯片在与英特尔和英伟达 的竞争中取得优势。2019年5月
8、，英国ARM发布下一代芯片设计方案，提升并优化芯片的整体架构。ARM 称，下一代芯片设计方案将应用于新型CPU Cortex-A77和新型GPU MaH-G77,相关产品预 计于2020年上市。ARM芯片设计架构的改进与先进制程工艺的结合，将为芯片带来性能和 效率的双重提升。ARM表示，采用下一代设计方案的芯片可应用于5G融合、物联网、人 工智能与自动驾驶等领域，将定义高端智能设备性能，为用户提供新一代的人工智能体验。2019年8月，韩国SK海力士公司开发出业界处理速度最快的存储芯片HBM2E。与上 代产品相比，新款HBM2E芯片数据处理速度提高50%,单颗芯片容量提升至16GBo与采 用模块
9、封装形式并安装在系统板上的传统动态存储器产品不同，该芯片可以与GPU和逻辑 芯片等处理器紧密互连，其间距仅为几微米，可实现更快的数据传输。HBM2E将应用于数 据吞吐量极大的高端GPU、超级计算机、机器学习和人工智能系统等尖端领域。10.2光电芯片技术研发进展顺利，应用前景明晰1 .美国光电芯片研发屡获突破，技术水平处于世界领先地位2019年1月，美国哈佛大学研究人员开发出新型光子集成芯片。该芯片可以存储光， 并修改光的频率，有望应用于光量子信息处理、光信号处理和微波光子学。研究人员表示， 许多光量子和经典光学应用都需要改变光的频率，该芯片首次利用微波以可编程的方式实 现对光频率的修改。201
10、9年6月，美国麻省理工学院研究人员开发出一种新型光子芯片。该芯片不仅体积 更小，具有更低的功耗，且处理大规模神经网络的效率比现有计算机高出数百万倍。实验结 果说明，该光子芯片运行光神经网络的效率是电子芯片的千万倍。该芯片在神经网络中的应 用包括机器人目标识别、自然语言处理、药物开发、医学成像和无人驾驶汽车等领域，可提 高训练和测试神经网络的速度与效率。2 .光电芯片研究成果将加速其在人工智能等领域的应用2019年4月，美国芯片公司Lightelligence成功开发出世界首款光子芯片原型板卡。研 究人员在该原型板卡上成功用光子芯片运行Google Tensorflow自带的卷积神经网络模型，
11、并完成对MNIST数据集的处理。测试中，光子芯片独立完成超过95%的运算。测试结果显示，光子芯片运算准确率达97%以上，已经接近电子芯片，而且光子芯片完成矩阵乘法所 用的时间约为最先进电子芯片的百分之一。该芯片成功验证了用光子代替电子进行人工智 能计算的可行性。2019年5月，美国英特尔与加州大学伯克利分校研究人员提出构建光神经网络的新架构，有 助于纳米光子神经网络在实际中的应用。研究人员提出构建光学神经网络引擎的GridNet和 FFTNet两种架构，并在针对手写数字识别任务的软件仿真中，对这两种架构进行训练。研究 人员发现，在双精度浮点值下，GridNet的精度要高于FFTNct, FFT
12、Nct那么对制造过程的精 确性有更强的容忍度，而且两种架构均可用于规模化生产。此项成果将推动基于光电芯片 的人工智能硬件生态系统搭建，为光电芯片的大规模应用创造可能。10. 3光通信芯片和光子器件研发助力5G大规模商用1 .日本研发出用于波分多路复用光纤网络的光通信芯片，可实现高速数据传输2019年3月，日本新能源产业技术综合开发机构、光电子融合基础技术研究所和冲电 气工业株式会社合作研发出一种光通信芯片，可在微型光电模块上实现高速数据传输。3家 机构基于硅光子技术研发出用于波分多路复用光纤网络的光通信芯片，可接收4种不同波长 光信号，并在5平方毫米的板载光模块上实现400Gbps的高速传输。
13、5G可提供高速率、低延迟和大规模设备连接等通信服务，其使用的频谱是毫米波。与 4G所使用的频谱相比，毫米波有信号衰耗大且易受阻挡的缺点。因此，5G基础设施建设需 要设置数量众多的小基站，其数量预计将会是4G网络基站的100倍。此外，5G高速传输 还需要更多用于无源光纤网络的小基站，以及开发微型无线电收发两用机。日本研制的高性 能微型光通信芯片将进一步推动5G商用化进程。2 .欧盟、英国和日本研发光子器件，以提升光通信数据传输效率欧盟、英国和日本高度重视光子器件研发，通过推动光通信基础器件性能的提升，带 动光通信数据传输速率的提高。例如，欧盟石墨烯旗舰工程开发出可服务于下一代光通信的 集成石墨烯
14、光子器件。与现有技术相比，石墨烯光子在性能和制造方面都具有优势，可以确 保调制、检测和开关性能，满足光子器件制造下一步开展的所有要求。研究人员表示，石墨 烯光子器件将从根本上改变数据在光通信系统中的传输方式，石墨烯集成设备将成为5G、 物联网和工业4.0开展的关键因素。英国南安普顿大学、日本东京大学、日本丰桥科技大 学以及日立公司的研究人员，合作研发出一种微齿轮漩涡光发射器，可利用光通信实现高 容量数据传输。英日两国研究人员在硅基上设计了由错制成的微齿轮，由于错、硅在制造工 艺上具有良好的兼容性，这种新的微齿轮发射器可以用来提升光学芯片的计算和通信能力。3 .远距离光通信技术成果丰硕，提升光通
15、信整体实践应用水平2019年7月，NASA宣布使用红外激光实现更快的空间通讯。为解决太空中数据传输缓 慢的问题，NASA计划在猎户座飞船上安装激光通信装置，将超高清视频发射回地球。激光 通信具备更短的波长和更高的频率，每秒可以传输更多数据，其速度将是S波无线电的10 倍。目前，技术人员正在测试防抖系统，以减小航天器抖动对信号传输的干扰。激光通信将 极大提升空间通信效率，帮助拓展更多研究。2019年7月，美国Analytical Space公司宣布将研发世界首个高吞吐量激光小卫星数据网 络，以改善低轨小卫星连通能力。Analytical Space公司将研发一系列配备光通信链路的LEO 轨道立方
16、体卫星。卫星通过激光链路传输数据，可将数据传输能力提高3倍，且本钱仅为当 前数据传输费用的V2o2019年8月，俄罗斯航天国家集团公司计划在国际空间站与地面基站之间开展第二次 空间高速激光通信链路试验。此试验旨在利用激光通信使国际空间站与地面基站的数据传输 速率提高至WGbps,并计划在国际空间站与卫星之间建立速率为l.2Gbps的激光信道。此 项试验将于2021年完成，届时国际空间站将可通过俄罗斯的设备完成全天时通信。2019年9月，日本宇宙航空研究开发机构和日本索尼计算机科学实验室发射小型卫星光 通信实验装置，以开展远距离空间光通信在轨验证。该装置通过“鹳” 8号货运补给飞船发 送至国际宇
17、宙空间站，并利用日本“希望”号实验舱的舱外实验工作台开展在轨验证工作。日本 宇宙航空研究开发机构理事假设田光表示，远距离空间光通信技术可作为国际宇宙空间站、 月球、火星同地球之间的通信手段，将对未来实现星间和地面上大容量实时数据通信提供关 键支持。10. 4半导体设备“从电到光”转换1 .光传感芯片将推动自动驾驶、机器人和虚拟现实等技术的优化应用2019年1月，韩国高等科学技术研究院与韩国国家纳米中心合作，开发出一款硅基光 学相控阵芯片，可应用于3D图像传感领域。3D图像传感器能够将具有立体信息的深度数 据添加到照片等2D图像中，使其作为3D图像被识别。3D图像传感器是各种电子设备“认 知”世
18、界的核心器件，可应用于自动驾驶汽车、无人机和机器人等需要准确感知周围物体距 离信息的场景。该芯片除具备3D图像传感器的功能外，还可以将捕捉到的3D图像数据进 行特定方向的无线传输，从而实现电子设备间高分辨率、高容量图像信息的自由通信。该芯 片有望嵌入智能手机，用于支持人脸识别、增强现实和虚拟现实等3D传感应用。2019年4月，美国加州大学伯克利分校研制出高速可编程、大阵列的二维光学相控阵 芯片。与传统的硅光、液晶等光学相控阵技术相比，该芯片创新性地将新型光栅结构与硅基 微机电技术相结合，不仅可实现无损的光学耦合，且具有更经济、更高速及更高可靠性的优点。此外，该芯片的光栅结构可同时应用于从可见光
19、到近红外的宽带光谱，不受硅光片 上集成的波长限制，从而可直接应用于新一代医疗成像设备、光通信和全息电视等领域， 并为自动驾驶汽车提供更强大的激光雷达传感器。2 .光学器件性能提升为光电芯片的研制打造坚实基础2019年1月，美国加州大学圣巴巴拉分校、耶鲁大学、北亚利桑那大学和霍尼韦尔公 司合作研发出一种微型激光器，能够发射基本线宽小于1赫兹的激光。该激光器可被集成到 光子集成电路中，在微芯片厂的晶圆上实现规模化制造。研究人员将高端激光器的性能转移 到光子微芯片上，在大幅降低本钱和尺寸的同时，可推动该技术应用于光谱、导航、量子计 算和光通信等领域。2019年8月，美国加州大学圣地亚哥分校开发出世界
20、上最薄、仅有3层原子厚度的光导 器。该光导器由悬浮在硅框架上的二硫化鸨单层构成，厚度约为普通光纤直径的万分之一，是集 成光子电路中光导器厚度的1/500,可使光线在其内部以全反射的方式沿平面传播。该项研 究证明了光学器件可缩小到比现有器件小几个数量级的尺寸，将促进更高密度、更高容量 光子芯片的开展。2019年9月，新加坡南洋理工大学研究人员开发出可测量纳米级距离的光学尺。此前 的光学器件受衍射极限限制，最小分辨率为400纳米，无法观测病毒及纳米粒子等微小物体。 研究人员通过计算激光超震荡现象的梯度，完成对单个原子尺寸的测量。该光学测量方法 可用于微小系统制造中的质量控制，助力半导体和光电子器件
21、开发。第三局部产业篇一、国内主要城市产业创新综合能力评价城市产业创新综合能力评价指标体系及评价方法本篇依据建设创新型城市工作指引（国科发创2016370号）中的指标体系，对 标新时代高质量开展指标体系，同时充分表达硬科技的内涵和外延，构建了城市产业创新 综合能力评价指标体系，见表1。为保持统计口径一致，报告测算所涉及数据来源于相关权威统计部门的统计和调查数 据（本报告采用的数据为2017年数据，局部指标如科创版上市企业为2019年数据）。城市产业创新综合能力的评价方法采用加权综合评价法，二级指标无量纲化后，分层 次逐级加权求和，最后得出每个城市产业创新综合能力指数，具体计算方法如下。1 .二级
22、指标得分计算对所有城市的25个二级指标原始值分别进行指标的无量纲归一化处理。无量纲化是为 了消除多指标综合评价中，计量单位上的差异和指标数值的数量级、相对数形式等的差异， 解决指标的可综合性问题。二级指标得分计算采用效用值法，效用值规定的值域是0J00,即该指标下表现最好城 市的效用值为100,最差城市的效用值为0,计算方法如下：Xjj - min X.）Yii =：J max X.）- min x.,式中,i=l36,表示第i个城市,产125,表示第j个指标。2. 一级指标得分计算一级指标得分丫永计算方法如下：hkYik - WJi（p+5k5）P=1式中，Wk为二级指标的权重，k=l4,表
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