新一輪科技革命和產業加速變革，新的顛覆性技術不斷涌現，未來產業成為重塑全球創新版圖和經濟格局的重要領域。

(相關資料圖)

2023年9月9日上午，由中國科學技術信息研究所、上海市科學學研究所聯合編撰的《未來產業創新的前沿領域》在浦江創新論壇成果發布會上正式發布。

成果發布現場。主辦方供圖

本報告從政府關注重點、產業發展前景、對經濟社會的全局帶動和重大引領作用等方面，遴選出未來產業創新的五大前沿領域——類腦芯片、量子信息、合成生物學、綠色制氫和區塊鏈。

報告基于相關科技政策和研發投入、論文和專利、專家訪談、學術會議等科技數據進行多維度分析，探討未來產業五大前沿領域的發展態勢、區域研發優勢、技術研發的方向和面臨的挑戰，以及中國在全球的技術定位，并提出上海未來產業的發展策略。

類腦芯片研發工作剛剛起步，無法取代人腦

報告顯示，類腦芯片在2015年之后得到長足發展，尤其是深度學習加速器近年取得重大進展，中國的類腦芯片研究起步較晚，但在2016年與美國同步進入快速增長期，目前中國的基礎研究和技術研發成果數量均居全球首位。

對于類腦芯片的發展現狀，報告提出，全球研發大國在類腦芯片領域競爭激烈，類腦研究已上升為發達國家的科技戰略重點和力推的核心科技發展領域，被美國認為是“維持其主導全球軍事大國地位的戰略核心”，大國間競爭博弈日趨激烈。

中國目前基礎研究成果以及技術研發成果，在數量上均居全球首位，但論文存在學術影響力較低，研究質量尚與頂級機構存在差距的問題；專利技術則側重于類腦芯片的應用研究，而基礎的材料、器件、架構電路和算法等方面的研發還需要加強，而且研發機構還需要更多企業的參與。

此外，報告顯示，在該領域，傳統芯片企業優勢地位明顯，新加入角逐者亦有諸多機會IBM、英特爾、美光、高通、谷歌、微軟、英偉達等傳統芯片廠商憑借原有的產業、資金、人才等優勢，迅速切入人工智能領域，積極布局，目前處于引領產業發展的地位。

但在2016年之后初建的中國中科寒武紀科技、之江實驗室等機構發展迅速，目前在類腦芯片領域也占有一席之地；而時識科技在2020年正式從瑞士搬來中國，給中國創新能力注入了活力。但中國大學和院所的類腦芯片研發成果較多，需要促進用戶-企業-高校產學研用合作，暢通類腦芯片研發應用鏈條。

對于受到普遍關注的，類腦芯片能否達到人腦智能水平并取代人類工作的問題，該報告顯示，類腦芯片取得了重大進展。不過，常用的深度學習加速器類的芯片仍是基于傳統的“馮·諾依曼架構”建立類腦芯片，它主要根據認知計算算法而非神經元組織結構來設計芯片，在精準數值計算上擁有出色能力，也取得了非常顯著的成果，目前已在自然語言處理、語音識別、自主機器人、自動駕駛、智能娛樂、電商推薦、金融風控、醫療診斷、智能家居等場景得到使用。

但是，其計算單元與存儲單元分離的架構，限制了它的計算速度和能耗效率。比如AlphaGo在下棋過程中約消耗了1兆瓦的電能，相當于一天約100戶家庭的供電量。相比之下，包含超過1000億個神經元的人腦，消耗的功率僅20瓦。因此，深度學習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——神經形態芯片是從結構層逼近生物大腦，側重于參照人腦神經元模型及其組織結構來設計芯片結構，其突出特點在于處理感知、認知和決策等復雜問題時，擁有更高的算力密度和能耗效率。

不過，目前的神經形態芯片還處于粗淺的模仿人腦階段，電腦和人腦在知識的表達、儲存、處理和應用等方面差距較大。加上目前人類對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的階段。因此，類腦芯片的研發工作現在只是剛剛起步，更不用說取代人腦。但是，一些重復、高度規范化的工作將會被機器取代，將人類解放出來開展更有創造性的工作。

中國在量子通信占據主導地位

在量子信息領域，報告顯示，創新大國在量子信息領域競爭激烈。美國的量子計算和量子測量優勢明顯，而中國在量子通信占據主導地位。

對于上海目前的優劣勢，報告提出，上海具備優越的科研和教育資源，擁有眾多高等學府和科研機構，如上海交通大學、復旦大學、同濟大學、華東師范大學、上海科技大學和中國科學院上海分院等，這些機構在量子信息領域具有強大的科研實力和人才儲備。

同時，上海是中國最重要的經濟和科技中心之一，擁有完善的產業鏈和市場環境，能夠有效地將量子信息技術與實際應用相結合，推動量子信息產業的發展。上海市和中國政府對于量子信息的發展給予了重要支持，通過政策和資金的投入，為上海的量子信息研究和創新提供了良好的環境和條件。

然而，作為一個經濟和科技中心，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爭。這意味著上海需要不斷提高自身的創新能力和競爭力，以保持領先地位。量子信息領域需要高度專業化的人才，而人才的供給可能會受到限制。上海需要吸引、培養和留住優秀的量子信息科學家和工程師，以保持人才優勢。

此外，盡管上海有強大的科研實力，但在將科研成果轉化為實際應用和商業化方面仍存在一定的挑戰。上海需要加強學術界與產業界的合作，促進技術的商業化和市場化。

因此該報告建議，在上海鼓勵創業創新和孵化器發展，建立企業和科研院所合作機制，加強知識產權保護，推動國際合作平臺建設，促進人才交流和培養并合理統籌調配資源，最大程度地發揮上海各區的優勢。

在合成生物領域中國屬于第二梯隊

在合成生物領域，報告顯示，美國在合成生物學領域研究中屬于第一梯隊，中國、日本、英國屬于第二梯隊。同時，合成生物學的研究形成了比較固定的學術合作圈，在科技創新合作中地緣關系影響較大。

對于上海的發展策略，報告建議，加大基礎研究資助投入，上海合成生物學基礎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域探索和關鍵技術研發，將有益于學術能力和影響力的提升，取得原創性科研成果。

同時，上海可以最大化本地技術資源優勢，合成生物學是生物科技（BT）與信息科技（IT）融合交叉的典范，而上海市正在打造“國際數字之都”，數字經濟占GDP比重已超過50%，計算機軟硬件企業數量為全國之首。但上海合成生物學的生物體設計與自動化平臺等中游成果并不突出。

此外，上海可以加強技術研發的企業參與度，中國和上海市技術研發成果較多的機構全部為大學院所，而美歐卓越研發機構大部分為全球最強企業，包括巴斯夫、諾華、默克這樣的應用領域的龍頭企業，也有因美納（ILLUMINA）這樣專注于基因測序等生物技術研發的企業。同時，報告建議，上海可以強化上游和中游科技研究。

隨著技術的發展簡單、高效、價廉的CRISPR基因編輯技術可以精確地改變動植物甚至人類的基因，目前的合成生物學技術更可以從頭設計、合成和組裝生命體，這可能會出現生物安全以及生物倫理等問題，應該如何防范？

對此，記者也從會上獲悉，合成生物學被譽為“認識生命”的鑰匙，其“設計生命”能力也在逐步加強中，這可以為解決人類在新能源、環境環保、健康醫藥、農業食品、新材料等領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，中國科學院天津工業生物技術研究所和中國科學院大連化學物理研究所合作發表論文，他們已經實現精準控制二氧化碳合成不同結構與功能的己糖，其碳轉化率高于傳統植物光合作用，也是目前人工制糖路線中碳轉化效率的最高水平。可見合成生物學對于人類科技、經濟、社會發展意義重大。

但是，合成生物學的不確定性與不可控性的本質特征決定了它在帶給人類變革性受益前景的同時，也存在諸多倫理爭議如用于人類增強目的的“定制嬰兒”，以及生物安全隱患，如活性細胞在環境中的釋放可能導致的生態環境破壞，惡意使用包括生產生物武器、合成致命病毒或細菌等。

因此，合成生物學產業需要完善的監督和管理體系，這與合成生物學的特征及其可能產生的新的特殊的潛在風險有關，這些風險超出了原有的重組DNA技術與基因工程的監管框架。

比如，近年來發展較快的合成生物學核心技術之一——基因編輯技術，其作為對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和科學問題。貿然將該技術應用于人體不僅會產生嚴重的科技倫理問題，更會對目前的法治框架及監管造成挑戰。

為了有效防范風險，全球各國政府應達成共識，更加關注合成生物學帶來的生物安全隱患，共同建立一套針對合成生物學的生物安保風險的強效、可執行的監管辦法。比如按照風險的緊急和危害程度擬定評估框架，相關機構采取靈活的生物和化學防御戰略，加強公共衛生基礎設施建設以充分預防潛在的生物攻擊。對于任何合成生物的研究必須滿足規定的安全要求和遵守嚴格的安全程序。建立標準化合成生物元件庫并實施嚴格管控，按生物元件功能，進行生物元件的安全性評級，對于具有安全風險的元件進行標簽設計并限制其信息公開。