2019-2020中国硬科技发展研究报告.docx

2019-2020中国硬科技发展研究报告 目 录 第一部分 综述篇 . 1 一 、 世界深度变革 ， 科技主导未来 . 2 1.1 新一轮科技革命正在重构全球创新版图 . 2 1.2 我国处在转变发展方式的关键时期 . 3 1.3 我国要依靠创新驱动实现伟大复兴 . 5 二、硬科技应运而生 . 6 2.1 硬科技的概念及内涵 . 6 2.2 硬科技的发展和演变 . 11 2.3 硬科技助力国家创新驱动战略发展 . 15 三、中国发展硬科技正当时 .17 3.1 科学技术长期具备国家战略定位 .18 3.2 我国经济长期高速增长 ， 面临高质量发展挑战 . 20 3.3 我国科研水平整体提升 ， 发展短板较为突出 . 22 3.4 我国金融助推科技成效显著 ， 二者融合不够 . 25 3.5 我国科技人才体量雄厚 ， 高精尖人才依然短缺 . 28 3.6 硬科技发展需要搭建成果转化体系 . 30 四 、 中国硬科技发展的路径探索 . 31 4.1 打破传统科技体制机制限制 . 31 4.2 打造硬科技核心领 域 “产业公地 ” . 34 4.3 构建硬科技金融深度融合体系 . 36 4.4 搭建硬科技产业化人才体系 .37 4.5 营造硬科技发展的创新文化氛围 . 39 第二部分 科技篇 . 41 一 、 2019 硬科技十大进展 . 42 1.1 化学家首次合成纯 碳 C18 环 . 42 1.2 科学家首次实现高维度量子隐形传态 . 42 1.3 世界首款异构融合类脑芯片问世 . 43 1.4 谷歌实 现 “量子霸权 ” . 43 1.5 微软公布全球首个自 动 DNA 数据存储和检索系统 . 44 1.6 仿生群体机器人可实现集体迁徙 . 45 1.7 科学家对微纳机器人实时成像并控制其运动 . 45 1.8 科学家 3D 打印出 会 “呼吸 ” 的人造器官 . 46 1.9 新型癌症疫苗增 效 CAR-T 疗法 . 46 1.10 全球首座浮动核电站正式启航 . 47 二 、 人工智能 . 47 2.1 全球人工智能战略竞争日趋激烈 . 48 2.2 军事人工智能进步尤为显著 . 49 2.3 人工智能带来科学研究范式变革 . 51 2.4 人工智能安全风险问题突出 . 52 三 、 航空领域 . 53 3.1 数字化成为航空领域的重要发展方向 . 54 3.2 无人机技术发展迅猛 ， 将颠覆未来空战模式 . 55 3.3 高超声速武器技术成为航空关键技术 . 56 3.4 战机技术不断发展和升级 . 58 四 、 航天领域 . 60 4.1 世界主要国家增强军事航天能力 . 60 4.2 可重复使用成为颠覆性航天技术 . 63 4.3 低轨通信卫星星座成为重要方向 . 65 五 、 生物技术 . 67 5.1 世界主要经济体强化生物技术与产业战略布局 . 67 5.2 基因编辑技术取得积极进展 ， 得到全球关注 . 68 5.3 重大疾病研究不断突破 ， 创新疗法加速走向临床应用 . 70 5.4 脑机接口技术热度猛增 ， 前沿突破不断涌现 . 70 5.5 生物存储与计算技术取得积极进展 . 71 六、信息技术 . 73 6.1 5G 部署竞争白热化，各国动作频频 . 73 6.2 各国积极探索量子技术 ， 抢占发展先机 . 74 6.3 超级计算机在科技研发中应用进一步深化 . 75 6.4 网络安全技术逐渐向智能化攻防转变 . 76 七 、 新能源 . 78 7.1 全球能源转型大势所趋 ， 新能源备受关注 . 78 7.2 可再生能源市场规模持续扩大 . 79 7.3 动力电池回收和梯次利用引起发达国家重视 . 81 7.4 小堆是未来核电竞争的主要方向 . 82 八 、 新材料 . 83 8.1 新材料在国家科技竞争中的战略性地位进一步凸显 . 83 8.2 先进信息材料不断涌现 ， 高性能和低能耗成为发展潮流 . 84 8.3 新能源材料技术发展迅猛 ， 推动相关产业变革 . 86 8.4 新材料研发正在加速 ， 机器学习带来新范式革命 . 87 九 、 智能制造 . 88 9.1 各国加强政策指引 ， 扩展智能制造布局 . 88 9.2 机器人产业稳步增长 ， 技术创新持续推进 . 89 9.3 3D 打印加速发展 ， 产业应用不断深化 . 90 9.4 新一代信息技术赋能制造业 ， 加速行业转型升级 . 92 十 、 光电芯片 . 93 10.1 微电子芯片制造工艺提升趋近极限 .93 10.2 光电芯片技术研发进展顺利 ， 应用前景明晰 . 94 10.3 光通信芯片和光子器件研发助 力 5G 大规模商用 . 95 10.4 半导体设 备 “从电到光 ” 转换 . 96 第三部分 产业篇 . 99 一、国内主要城市产业创新综合能力评价 .100 1.1 城市产业创新综合能力评价指标体系及评价方法 . 100 1.2 国内主要城市产业创新综合能力总体排名 .102 1.3 主要城市产业创新综合能力表现分析 . 106 二 、 代表性城市之优势硬科技产业 . 139 2.1 上海全力打造全球顶级生物医药产业集聚区 . 139 2.2 深圳打造智能制造产业创新中心 . 140 2.3 西安打造全球硬科技之都 . 141 2.4 杭州依托信息产业打造数字经济第一城 .144 2.5 武汉打造万亿级光电子产业集群 . 145 2.6 合肥发展人工智能产业打造具有国际影响力的创新之都 .146 2.7 宁波打造万亿级新材料产业之城 . 149 2.8 贵阳以大数据为引领打造国家创新型中心城市 . 150 第四部分 城市篇 . 153 一 、 硬科技与全球主要城市硬科技创新指数 . 154 二 、 全球主要城市硬科技创新整体表现 . 155 2.1 全球 45 个城市的硬科技创新表现 . 155 2.2 快速追赶 者： 纽约 、 上海 . 157 2.3 科技创新协同发 展： 广州 、 深圳 . 157 2.4 发挥外资力量促进科技创 新： 西安 、 芝加哥 . 159 三 、 硬科技重点领域技术创新指数 . 160 3.1 信息技术领域硬科技创新指数 . 160 3.2 芯片及硬件领域硬科技创新指数 . 162 3.3 能源技术领域硬科技创新指数 . 164 3.4 生物技术领域硬科技创新指数 . 166 3.5 航空航天领域硬科技创新指数 . 168 3.6 先进制造领域硬科技创新指数 . 170 3.7 材料技术领域硬科技创新指数 . 172 四 、 中 、 美主要城市硬科技创新的比较研究 . 174 4.1 创新主体分 析： 美国主要城市多以高研发企业为主导力量 ， 我国则较为多元 . 175 4.2 领军企业分 析： 纽约 、 休斯顿拥有多家领军企业 . 176 4.3 专利转化分 析： 中国城市新增专利领先 ， 需关注专利合作条约转化率 . 177 4.4 创新网络建 设： 美国城市创新网络建设与产业集群协同发展 . 178 五 、 全球硬科技创新发展启示与建议 . 179 5.1 硬科技的创新发展 ， 需要提升原始创新能力 . 179 5.2 硬科技的创新发展 ， 需要搭建完善的创新载体 . 179 5.3 硬科技的创新发展 ， 需要搭建科技创新平台体系 . 180 5.4 硬科技的创新发展 ， 需要完善产业人才供给体系 . 181 5.5 硬科技的创新发展 ， 需要着力打造领军企业 . 181 附 录： 全球主要城市硬科技创新指数评估体系说明 . 182 第一部分 综述篇 一、世界深度变革，科技主导未来 21 世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃的时期，新一轮科技革命和产业革命正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。现在我们迎来了世界新一轮科技革命和产业变革同我国转变发展方式的历史性交汇期，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。科技作为人类社会发展的源动力，成为我国把握历史性机遇的重要抓手，习近平总书记指出“只有把核心技术掌握在自己手中，才能真正掌握竞争和发展的主动权， 才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运，从来没有像今天这样深刻影响 着人们生活福祉。” 1.1 新一轮科技革命正在重构全球创新版图 1848 年，马克思、恩格斯在共产党宣言中指出：“资产阶级在它的不到一百年的阶级统治中所创造的生产力 , 比过去一切世代创造的全部生产力还要多，还要大。自然力的征服、机器的采用、化学在工业和农业中的应用、轮船的行驶、铁路的通行、电报的使用、整个大陆的开垦、河川的通航，仿佛用法术从地下呼唤出来的大量人口 过去哪一个世纪能够料想到有这样的生产力潜伏在社会劳动里呢？”马克思、恩格斯在共产党宣言中指出的强大的生产力，正是以蒸汽机为代表的第一次科技革命 驱动产业变革的结果。科技作为生产力的源动力登上人类社会生产的主舞台，驱动人类社会快速发展和进步。 第一次科技革命驱动人类社会进入“机械时代 ”： 1765 年，哈格里弗斯发明“珍妮纺织机”，该纺织机具备动力、传动、工具三个部分的装置，具备现代机器雏形，使纺织效益提高了 40 倍以上，由此拉开了第一次科技革命的序幕。人类社会由手工工具时代向机器时代迈进 了一大步。 1785 年，瓦特改良蒸汽机，为机器提供了动力系统，人类社会进入“蒸汽时代”， 机器快速普及和发展，并从棉纺织业开始，逐渐拓展到采矿、冶铁、交通运输等多个 行业。 1807 年，美国人富尔顿发明的以蒸汽为动力的汽船试航成功。 1814 年，英国人史蒂芬孙发 明“蒸汽机车”，并于 1825 年试车成功，人类交通运输进入以蒸汽机为动力的新时代。这次科技革命不仅推动人类产业的变革，也促进了人类社会变革和全球格局的变化。随着生产力的进步，工厂作为人类生产最主要的组织形式开始出现，资本主义生产方式逐渐取代落后的自耕农生产方式，资本主义制度开始萌芽。这个时期，英国步履坚实的进入了第一次科技革命，成为当时世界上最强大的“日不落帝国”，号称“世界工厂”，称霸世界达半个世纪之久。 第二次科技革命驱动人类社会进入“电气时代”： 19 世纪末和 20 世纪初，以电能应用 和内燃机的出现为标志的第二次科技革命爆发。 1866 年德国人西门子制成了发电机，到 19 世纪 70 年代实际可用的发电机问世，电力开始用于机器，成为补充和取代以蒸汽机为动力的新能源。随着电机、电动机相继发明和远距离输电技术的出现，电力工业迅速发展起来， 电力在生产和生活中得到广泛利用，电灯、自动电报记录机、电话、电影放映机进入人类生活。 同时，自英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力概念以来，经过将近 100 年的理论研究和实践探索 ， 19 世纪七八十年代，以煤气和汽油为燃料的内燃机相继诞生，内燃机的发明解决了交通工具的发动机问题。 80 年代德国人卡尔 弗里特立奇 本茨等人成功地制造出由内燃机驱动的汽车，内燃汽车、远洋轮船、飞机等也得到了迅速发展，带动了石油开采业的发展和石油化工工业的产生，重工业开始崛起。这次科技革命爆发在德国，陆续在 美国和日本得到极大的推广，德国、美国、日本相继崛起。 第三次科技革命驱动人类社会进入“信息时代 ”： 20 世 纪四五十年代，以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程发明和应用为主要标志第三次科技革命爆发，这次科技革命涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域， 推动人类社会又一次飞跃式发展。尤其是电子计算迅速发展和广泛应用，推动人类社会进入“信息时代”。这次科技革命促进第三产业崛起，以知识经济为代表的新型经济成为各国综合国力竞争成败的关键，促成人类生活方式和思维方式的转变。这次科技革命的主导国是美国，因美国长期在科技创新领域领跑全球，助推其稳居世界第一强国地位。 第四次科技革命正在 孕育，即将来临。进入 21 世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃的时期，以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用，以合成生物学、基因编辑、脑科学、再生医学等为代表的生命科学领域 孕育新的变革，融合机器人、数字化、新材料的先进制造技术正在加速推进制造业向智能化、 服务化、绿色化转型，以清洁高效可持续为目标的能源技术加速发展将引发全球能源变革， 空间和海洋技术正在拓展人类生存发展新疆域。纵观当前全球科技发展情况，从技术成熟 度和系统性来看，以人工智能、 5G 通信、光电芯片、大数据等为代表的智能化技术趋向成 熟，这些技术最有可能率先推动人类社会变革，驱动人类社会进入“智能时代”。智慧家居、 智慧工业、智慧交通、智慧医疗、智慧农业、智慧金融、智慧城市将深入人们的生活和工作。 未来机器人将会代替很大一批人力，人类大脑甚至可能与机器结合实现超脑，人工智能将 进一步解放人类的双手甚至大脑。可以预见，随着智能化社会的到来，大量剩余劳动力解放， 人类生产组织方式和社会组织方式会迎来新的变革，各国社会福利将高度发达，人们工作 和生活方式发生重大变化，更多人将转向以智力劳动、文化创作、社 会治理等为代表的具有创造性和人文精神的工作领域。 1.2 我国处在转变发展方式的关键时期 哈佛商学院教授迈克尔 波特认为，国家经济的发展分为四个阶段，即生产要素导向阶段、投资导向阶段、创新导向阶段和富裕导向阶段。新中国成立以来，我国经济相继经历 生产要素导向、投资导向两个发展阶段，但随着我国经济发展由高速增长向高质量发展转变， 投资导向发展模式已经适应不了我国经济发展的新需求，需要依靠技术创新支撑我国经济 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，我国经济增长后劲不足 改革开放以来，我国经济取得快速发展。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发展，经济达到一定体量时，人口红利、投资等要素投入 对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，面临巨大的发 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。该理论为我国经济发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则相反，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 3. 我国需要向创新导向阶段迈进 当前阶段，我国原有的增长机制和发展模式矛盾突显，原有发展优势逐渐消失，需要向新的发展阶段迈进。根据波特国家经济发展四阶段理论（见图 2），可以判断我国经济发展下一阶段必然是、也必须进入创新导向阶段，否则将陷入中等收入 陷阱。科技创新将作为经济增长的主动力，驱动我国经济快速发展，推动我国经济结构调整和产业升级，顺利实现高速增长向高质量增长的转变。 图 2 波特发展理论模型下的我国经济发展路径 1.3 我国要依靠创新驱动实现伟大复兴 世界新一轮科技革命和产业变革同我国转变发展方式的历史性交汇期，面临着千载难逢的历史机遇，也面临着差距拉大的严峻挑战。党的十八大明确提出：“科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，必须摆在国家发展全局的核心位置”，要坚持走中国 特色自主创新道路，实施创新驱动发展战略。习近平总书记强调：“中国要强盛，要复兴， 就一定要大力发展科学技术，努力成为世界主要科学中心和创新高地，我们比历史上任何时 期都更接近中华民族伟大复兴的目标，我们比历史上任何时期都更需要建设世界科技强国”。 党的十九大提出了新时代坚持和发展中国特色社会主义的战略任务，开启了实现中华民族伟大复兴的新征程，提出创新型国家建设的决策，制定了“自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来”的指导方针。核心就是把增强自主创新能力作为发展科学技术的战略 基点，推动科学技术的跨越式发展；就是把增强自主创新能力作为调整产业结构、转变增 长方式的中心环节，建设资源节约型、环境友好型社会，推动国民经济又好又快发展；就 是把增强自主创新能力作为国家战略，贯穿到现代化建设的各个方面，激发全民族创新精 神，培养高水平创新人才，形成有利于自主创新的体制机制，大力推进理论创新、制度创新、