新一轮科技革命和产业加速变革，新的颠覆性技术不断涌现，未来产业成为重塑全球创新版图和经济格局的重要领域。
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2023年9月9日上午，由中国科学技术信息研究所、上海市科学学研究所联合编撰的《未来产业创新的前沿领域》在浦江创新论坛成果发布会上正式发布。
成果发布现场。主办方供图
本报告从政府关注重点、产业发展前景、对经济社会的全局带动和重大引领作用等方面，遴选出未来产业创新的五大前沿领域——类脑芯片、量子信息、合成生物学、绿色制氢和区块链。
报告基于相关科技政策和研发投入、论文和专利、专家访谈、学术会议等科技数据进行多维度分析，探讨未来产业五大前沿领域的发展态势、区域研发优势、技术研发的方向和面临的挑战，以及中国在全球的技术定位，并提出上海未来产业的发展策略。
类脑芯片研发工作刚刚起步，无法取代人脑
报告显示，类脑芯片在2015年之后得到长足发展，尤其是深度学习加速器近年取得重大进展，中国的类脑芯片研究起步较晚，但在2016年与美国同步进入快速增长期，目前中国的基础研究和技术研发成果数量均居全球首位。
对于类脑芯片的发展现状，报告提出，全球研发大国在类脑芯片领域竞争激烈，类脑研究已上升为发达国家的科技战略重点和力推的核心科技发展领域，被美国认为是“维持其主导全球军事大国地位的战略核心”，大国间竞争博弈日趋激烈。
中国目前基础研究成果以及技术研发成果，在数量上均居全球首位，但论文存在学术影响力较低，研究质量尚与顶级机构存在差距的问题；专利技术则侧重于类脑芯片的应用研究，而基础的材料、器件、架构电路和算法等方面的研发还需要加强，而且研发机构还需要更多企业的参与。
此外，报告显示，在该领域，传统芯片企业优势地位明显，新加入角逐者亦有诸多机会IBM、英特尔、美光、高通、谷歌、微软、英伟达等传统芯片厂商凭借原有的产业、资金、人才等优势，迅速切入人工智能领域，积极布局，目前处于引领产业发展的地位。
但在2016年之后初建的中国中科寒武纪科技、之江实验室等机构发展迅速，目前在类脑芯片领域也占有一席之地；而时识科技在2020年正式从瑞士搬来中国，给中国创新能力注入了活力。但中国大学和院所的类脑芯片研发成果较多，需要促进用户-企业-高校产学研用合作，畅通类脑芯片研发应用链条。
对于受到普遍关注的，类脑芯片能否达到人脑智能水平并取代人类工作的问题，该报告显示，类脑芯片取得了重大进展。不过，常用的深度学习加速器类的芯片仍是基于传统的“冯·诺依曼架构”建立类脑芯片，它主要根据认知计算算法而非神经元组织结构来设计芯片，在精准数值计算上拥有出色能力，也取得了非常显著的成果，目前已在自然语言处理、语音识别、自主机器人、自动驾驶、智能娱乐、电商推荐、金融风控、医疗诊断、智能家居等场景得到使用。
但是，其计算单元与存储单元分离的架构，限制了它的计算速度和能耗效率。比如AlphaGo在下棋过程中约消耗了1兆瓦的电能，相当于一天约100户家庭的供电量。相比之下，包含超过1000亿个神经元的人脑，消耗的功率仅20瓦。因此，深度学习加速器这种类型的类脑芯片，在诸多方面都不太可能取代人脑。
相比之下，另一种类型的类脑芯片——神经形态芯片是从结构层逼近生物大脑，侧重于参照人脑神经元模型及其组织结构来设计芯片结构，其突出特点在于处理感知、认知和决策等复杂问题时，拥有更高的算力密度和能耗效率。
不过，目前的神经形态芯片还处于粗浅的模仿人脑阶段，电脑和人脑在知识的表达、储存、处理和应用等方面差距较大。加上目前人类对自己大脑的了解并不深入，模仿人脑的工作还处于非常初级的阶段。因此，类脑芯片的研发工作现在只是刚刚起步，更不用说取代人脑。但是，一些重复、高度规范化的工作将会被机器取代，将人类解放出来开展更有创造性的工作。
中国在量子通信占据主导地位
在量子信息领域，报告显示，创新大国在量子信息领域竞争激烈。美国的量子计算和量子测量优势明显，而中国在量子通信占据主导地位。
对于上海目前的优劣势，报告提出，上海具备优越的科研和教育资源，拥有众多高等学府和科研机构，如上海交通大学、复旦大学、同济大学、华东师范大学、上海科技大学和中国科学院上海分院等，这些机构在量子信息领域具有强大的科研实力和人才储备。
同时，上海是中国最重要的经济和科技中心之一，拥有完善的产业链和市场环境，能够有效地将量子信息技术与实际应用相结合，推动量子信息产业的发展。上海市和中国政府对于量子信息的发展给予了重要支持，通过政策和资金的投入，为上海的量子信息研究和创新提供了良好的环境和条件。
然而，作为一个经济和科技中心，上海面临着来自其他城市以及国际上其他量子信息研究中心的激烈竞争。这意味着上海需要不断提高自身的创新能力和竞争力，以保持领先地位。量子信息领域需要高度专业化的人才，而人才的供给可能会受到限制。上海需要吸引、培养和留住优秀的量子信息科学家和工程师，以保持人才优势。
此外，尽管上海有强大的科研实力，但在将科研成果转化为实际应用和商业化方面仍存在一定的挑战。上海需要加强学术界与产业界的合作，促进技术的商业化和市场化。
因此该报告建议，在上海鼓励创业创新和孵化器发展，建立企业和科研院所合作机制，加强知识产权保护，推动国际合作平台建设，促进人才交流和培养并合理统筹调配资源，最大程度地发挥上海各区的优势。
在合成生物领域中国属于第二梯队
在合成生物领域，报告显示，美国在合成生物学领域研究中属于第一梯队，中国、日本、英国属于第二梯队。同时，合成生物学的研究形成了比较固定的学术合作圈，在科技创新合作中地缘关系影响较大。
对于上海的发展策略，报告建议，加大基础研究资助投入，上海合成生物学基础研究论文成果的国际来源、国家来源、本地来源基金资助率，在前十中国城市中分别居第2、6、8位。合理增加科研投入开展前沿领域探索和关键技术研发，将有益于学术能力和影响力的提升，取得原创性科研成果。
同时，上海可以最大化本地技术资源优势，合成生物学是生物科技（BT）与信息科技（IT）融合交叉的典范，而上海市正在打造“国际数字之都”，数字经济占GDP比重已超过50%，计算机软硬件企业数量为全国之首。但上海合成生物学的生物体设计与自动化平台等中游成果并不突出。
此外，上海可以加强技术研发的企业参与度，中国和上海市技术研发成果较多的机构全部为大学院所，而美欧卓越研发机构大部分为全球最强企业，包括巴斯夫、诺华、默克这样的应用领域的龙头企业，也有因美纳（ILLUMINA）这样专注于基因测序等生物技术研发的企业。同时，报告建议，上海可以强化上游和中游科技研究。
随着技术的发展简单、高效、价廉的CRISPR基因编辑技术可以精确地改变动植物甚至人类的基因，目前的合成生物学技术更可以从头设计、合成和组装生命体，这可能会出现生物安全以及生物伦理等问题，应该如何防范？
对此，记者也从会上获悉，合成生物学被誉为“认识生命”的钥匙，其“设计生命”能力也在逐步加强中，这可以为解决人类在新能源、环境环保、健康医药、农业食品、新材料等领域的重大问题提供可能解决方案而拥有广阔前景。
比如在2023年8月，中国科学院天津工业生物技术研究所和中国科学院大连化学物理研究所合作发表论文，他们已经实现精准控制二氧化碳合成不同结构与功能的己糖，其碳转化率高于传统植物光合作用，也是目前人工制糖路线中碳转化效率的最高水平。可见合成生物学对于人类科技、经济、社会发展意义重大。
但是，合成生物学的不确定性与不可控性的本质特征决定了它在带给人类变革性受益前景的同时，也存在诸多伦理争议如用于人类增强目的的“定制婴儿”，以及生物安全隐患，如活性细胞在环境中的释放可能导致的生态环境破坏，恶意使用包括生产生物武器、合成致命病毒或细菌等。
因此，合成生物学产业需要完善的监督和管理体系，这与合成生物学的特征及其可能产生的新的特殊的潜在风险有关，这些风险超出了原有的重组DNA技术与基因工程的监管框架。
比如，近年来发展较快的合成生物学核心技术之一——基因编辑技术，其作为对抗疾病的一种治疗手段有着巨大的潜力，但由于其涉及到基因片段的敲除和添加，其中还有许多待解决的工程学和科学问题。贸然将该技术应用于人体不仅会产生严重的科技伦理问题，更会对目前的法治框架及监管造成挑战。
为了有效防范风险，全球各国政府应达成共识，更加关注合成生物学带来的生物安全隐患，共同建立一套针对合成生物学的生物安保风险的强效、可执行的监管办法。比如按照风险的紧急和危害程度拟定评估框架，相关机构采取灵活的生物和化学防御战略，加强公共卫生基础设施建设以充分预防潜在的生物攻击。对于任何合成生物的研究必须满足规定的安全要求和遵守严格的安全程序。建立标准化合成生物元件库并实施严格管控，按生物元件功能，进行生物元件的安全性评级，对于具有安全风险的元件进行标签设计并限制其信息公开。