中國網/中國發展門戶網訊 2021年5月28日，習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上的講話中強調，要“堅決打贏關鍵核心技術攻堅戰”。中國科學院該如何發揮科技“國家隊”的作用，在關鍵核心技術攻堅戰中作出突出貢獻，筆者認為首先需要把握關鍵核心技術發展的自身規律。本文以信息技術為例，分析關鍵核心技術的演進特征和發展規律，并進一步提出支持中國科技界尤其是中國科學院打好關鍵核心技術攻堅戰的若干建議。

關鍵核心技術的演進特征

在信息領域，關鍵核心技術的發展呈現與梅特卡夫定律類似的非線性增長特征。一項關鍵核心技術可視為一個系統，其本質是由成百上千個緊密耦合的點技術和算法構成的一個相互關聯的技術網絡。這類技術網絡也遵循網絡領域的梅特卡夫定律。梅特卡夫定律（Metcalfe’s Law）是一個關于網絡價值和網絡技術發展的定律，由喬治·吉爾德于1993年提出，但以計算機網絡先驅、美國3Com公司的創始人羅伯特·梅特卡夫的姓氏命名。梅特卡夫定律是一種定性描述的“規律”，其要義是告訴人們：“網絡的價值隨網絡規模擴大而非線性地增長。”

如圖1所示，根據梅特卡夫定律，當一個網絡內的節點數越多，那么整個網絡的價值也就越大。對于一項關鍵核心技術而言，梅特卡夫定律表明其價值將隨著集成的功能、模塊、算法等點技術的數量增加而不斷提高。當然，網絡越復雜，集成的難度也就越大。但是，一旦通過技術攻關成功實現新算法或新功能的集成，構成一個更大的技術網絡，那么壁壘也就更高。

以英特爾（Intel）公司的桌面與服務器處理器為例（圖2），每一代新的處理器架構都會集成多種新功能，這些新功能的集成都需要大量研發投入。2011年，Sandy Bridge架構中集成的新功能“大頁面”技術，需要對十幾項已有功能進行修改，這使得處理器的正確性驗證面臨很大的挑戰。但是，英特爾成功地實現了“大頁面”功能的集成，從而在大容量內存的支持方面領先于其他處理器，得到用戶的青睞。正是英特爾不斷集成新的功能，才使其處理器技術網絡規模始終大于競爭對手，從而在服務器處理器領域能長期占據高達95%以上市場份額。

梅特卡夫定律揭示了關鍵核心技術如何形成高價值與高壁壘的內在機理。那么，一項關鍵核心技術如何才能遵循梅特卡夫定律，不斷擴大技術網絡規模，持續地發展下去？對此問題，我們以信息領域關鍵核心技術為例，分別從宏觀和微觀兩個不同視角來闡述與分析。

關鍵核心技術的宏觀發展規律

美國科學院國家研究顧問委員會（National Research Council of the National Academies）曾對信息領域的19項關鍵核心技術的發展歷程開展了詳細的調研，揭示了信息技術的3個主要宏觀發展規律。

信息技術發展呈現3個階段。階段Ⅰ為從原理到原型，階段Ⅱ為從原型到產品，階段Ⅲ為從產品到規模市場（10億美元）。這3個階段分別需要3—5年時間，但實施的主體和所需要的資源有所不同。階段Ⅰ的實施主體主要是大學和科研機構，輸出是底層原理及相應的原型系統。但大學和科研機構并不擅長產品研發，需要通過企業才能形成產品（階段Ⅱ），并進一步實現規模市場（階段Ⅲ）。因此，階段Ⅰ和階段Ⅱ之間存在一道鴻溝，需要建立學術界與產業界之間的一些通道才能完成從原型到產品的跨越。這些通道可以有多種形式。例如：在精簡指令集處理器（RISC）方向，美國斯坦福大學成功研制MIPS處理器原型后，便成立了MIPS技術公司來開發產品；在操作系統方向，美國加州大學伯克利分校在研制了BSD Unix操作系統后，免費開放給產業界，由企業在該原型基礎上開發各自產品（如蘋果公司的MacOS操作系統）。

關鍵核心技術發展過程中需要學術界與產業界形成閉環。產業界將技術發展中遇到的新問題反饋給學術界，學術界研究清楚新問題的底層原理，研制驗證原型，輸出給產業界，從而形成持續的螺旋式迭代優化。這意味著學術界與產業界之間的通道不能是一次性和短暫的，而應該是能保持較長時間的通道。美國斯坦福大學與MIPS技術公司的合作通道保持了10余年，而美國加州大學伯克利分校的BSD Unix操作系統通過開放模式，與產業界的合作通道保持了近20年。

關鍵核心技術之間相互促進，形成技術組合，往往會催生出新的關鍵核心技術。例如，超大規模集成電路技術催生了精簡指令集處理器技術，操作系統技術催生了互聯網技術，互聯網技術和圖形處理技術一起又催生了工作站技術等。

通過對圖3展示的19項關鍵核心技術進行分析，可知最關鍵的是階段Ⅰ到階段Ⅱ的跨越，即合作通道的建立。這19項技術的發展具有明顯的聚集效應，它們的迭代演進過程幾乎都是集中在美國硅谷完成，這正是得益于在硅谷更容易形成學術界與產業界的合作通道。學術界與產業界的緊密合作，奠定了硅谷在信息領域的領軍地位。

關鍵核心技術的微觀發展模型

從微觀層面來看，一項關鍵核心技術要能持續發展，需要3種必不可少的資源輸入——資金、人才和需求，同時這3種資源的獲取又依賴于用戶。這些依賴關系組合在一起，便形成了2個循環：資金循環與需求循環。如圖3所示，本文將上述關系總結為一種“資金-需求”雙循環模型。

資金循環。在“資金-需求”雙循環模型中，資金是發展關鍵核心技術不可或缺的要素。資金的來源主要有2個渠道：關鍵核心技術形成產品，銷售給用戶，從產業市場上獲得收入；企業通過金融市場獲得融資或風險投資，大學和科研機構的資金主要來自政府和產業界的科研經費。

需求循環。關鍵核心技術的研發必須要有精準的用戶需求指導，否則將無法形成迭代優化閉環，最終導致競爭力下降，無法在市場上生存。一般而言，需求可分為2類：①用戶對當前技術的應用體驗與改進意見；②用戶期望的新功能。上述第1類需求尤其重要，因為關鍵核心技術的復雜性，即使經過了大量的測試，也不可避免地會存在缺陷（bug），所以通過用戶反饋實際使用體驗來優化技術的性能與可靠性至關重要。因此，“用得上”這個過程對于關鍵核心技術的發展起著決定性作用。

很多企業都非常重視用戶需求，尤其對于初創企業和小企業，如何能找到一批愿意嘗試新產品并能提供使用反饋的穩定用戶，成為它們的“立命之本”。然而，對于很多大學和科研機構，往往更重視資金的獲取，尤其是政府科研經費的獲取，反而忽視用戶需求。因而，對于大學和科研機構研制的關鍵核心技術，是否“用得上”可以作為從階段Ⅰ跨越到階段Ⅱ的關鍵標志。

案例分析

以下通過2個正面案例與1個反面案例來分析“資金-需求”雙循環模型對于發展關鍵核心技術的有效性。

EDA軟件與Synopsis公司

1986年，美國南衛理公會大學的Aart de Geus博士與通用電氣微電子研究中心的3位工程師Bill Krieger、Dave Gregory和Rick Rudell一起創辦了美國新思科技公司（Synopsys公司）。該公司瞄準集成電路設計市場的痛點需求，1987年開發出一款電子設計自動化（EDA）軟件，一舉打開了市場；直到今天該軟件依然是Synopsys公司的旗艦產品。1992年Synopsys公司上市，開啟通過大量并購中小EDA企業實現關鍵核心技術網絡擴張，迄今已經并購了77家企業。

從“資金循環”角度來看，Synopsys公司早期發展主要通過銷售產品獲得收入來維持企業發展；如今Synopsys公司的利潤率達到19%，保障了企業穩健發展。1992年上市后則進一步完成了更大的資金循環，為實現大量并購提供后備資金。

從“需求循環”角度來看，Synopsys公司的第一代EDA軟件瞄準了業界痛點，在市場上具有開創性，因此很快吸引了一批用戶。雖然隨后有其他企業跟進開發類似產品，但在技術網絡規模上始終落后于Synopsys公司。

MatLab軟件與MathWorks公司

MatLab軟件最初是美國新墨西哥大學Clever Moler教授在20世紀70年代用于教學的一個小工具軟件。在1970年和1975年Moler所在團隊向美國國家科學基金會（NSF）申請了2個項目，開發出2個軟件——EISPACK和LINPACK。20世紀70年代末，Moler為了能讓學生更好地掌握線性代數與數值分析，更容易地使用這2個軟件，就自己動手去寫一個MatLab小工具來把這2個軟件接口封裝起來，從而方便學生使用。1980年Moler在斯坦福大學訪問期間授課時，學生Jack Little對MatLab很感興趣，主動提出用C語言重寫一遍，同時移植到IBM PC上。1984年，Clever Moler、Jack Little與Steve Bangert一起創辦了美國MathWorks公司，同年開發出PC-MatLab 1.0。1985年初，該公司賣給了美國麻省理工學院10個MatLab版權，實現第一筆收入500美元。從此，MathWorks公司開始逐步發展起來。

從“資金循環”角度來看，MatLab最早得到NSF資助，并通過成立MathWorks公司實現了從階段Ⅰ到階段Ⅱ的跨越。MathWorks迄今仍然是一家私有企業，并沒有上市。但是，該公司從一開始就實現了收入，并一直處于盈利狀態。1997年，MathWorks的營業額達到了5000萬美元。2019年MathWorks公司營業額超過了10億美元。因此，MathWorks從創辦開始在資金方面便一直處于很好的狀態。

從“需求循環”角度來看，MatLab的起源是教學工具，一開始就定位于教學科研領域。教學科研面向的主要用戶是學生，其實是試驗新技術、新工具最好的應用場景，試錯成本很低。同時，學生的創新性和主動性，也能幫助改進優化技術和工具。MatLab最終走上商業化，本身就是因為Jack Little以學生身份接觸到MatLab后的結果。目前，MatLab在全球形成了超過50萬貢獻者的龐大開發者社區，其中大多數是學生和科研人員，他們直接將需求以開源代碼的形式反饋到了MatLab生態中。

CF-105“箭”式戰斗機與Avro公司

二戰期間，加拿大便決定研制全世界最先進的戰斗機。二戰結束后，1957年10月4日，在耗資2.5億加元后（相當于2020年前后的15.8億美元），加拿大Avro公司成功研制了當時世界上最先進的攔截機——速度高達2馬赫的CF-105“箭”式戰斗機。雖然在加拿大政府支持下Avro公司得到了初期的資金保障，但由于加拿大自身沒有戰斗機需求，更沒有規模市場，無法形成需求循環。因此，即使擁有最先進的戰斗機研制技術，也無法維持。3年后，Avro公司倒閉，50000名工人失業。而美國成為最大的受益者，因為這些高技術人才大多數去了美國，參與到美國國家航空航天局（NASA）的“阿波羅”登月計劃。

構建“資金-需求”雙循環

基于前文的分析可知，如何構建“資金-需求”雙循環對于發展關鍵核心技術至關重要。但是對于科研機構，往往無法獨立構建“資金-需要”雙循環，這需要多方面的協同，包括企業、政府、投資機構等。中國科學院在構建“資金-需要”雙循環方面已經有一些成功的經驗。例如，中國科學院計算技術研究所先后成立了聯想、曙光、龍芯、寒武紀等一批企業，但和美國斯坦福大學、加州大學伯克利分校相比，仍有一定的差距。為此，本文提出3個方面建議。

探索新的學術評價體系

在學術評價機制上，鼓勵把關鍵核心技術原理實現為原型系統，鼓勵把原型系統用起來，而不僅僅停留在發表論文階段。關鍵核心技術的源頭多來自學術界，應鼓勵學術界圍繞國家戰略需求和產業需求開展研究。具體實施層面上可以在科學技術部、國家自然科學基金委員會等的科研項目結題時重視考核軟件或工具，而不僅僅是論文與專利；高校可鼓勵教師充分利用教學場景試驗科研成果，可以在職稱評定時增加對原型系統研制、“科教融合”創新的比重等。

美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助了很多顛覆性創新項目。如果仔細觀察DARPA的項目執行過程，可以發現其非常重視原型系統的研制。DARPA的項目主管會把目標分解為一系列子任務，而這些子任務最后要集成到一個原型系統中。“電子復興計劃”（ERI）中的IDEA和POSH兩類項目甚至要求每半年所有參與單位就要封閉1周進行系統集成，并且會根據集成效果決定后續的資助。在這方面，中國科學院的戰略性先導科技專項（以下簡稱“先導專項”）的成功十二字指導原則“目標清、可考核、用得上、有影響”具有很好的借鑒意義。

探索新的成果轉化與應用模式

傳統的關鍵核心技術的成果轉化模式主要為“1+1模式”，即1個科研團隊突破核心技術，研制出原型系統，而后孵化1家企業開展產業化，從而形成“資金-需要”雙循環。中國科學院計算技術研究所采用“1+1模式”成功孵化了聯想、曙光、龍芯、寒武紀等企業。隨著開源模式的戰略價值越來越得到重視，開源社區創新聯合體這種產學研融合的新模式開始出現。這種模式可稱之為M×N模式，即聯合M個科研機構、N個企業共同攻克1個共性關鍵核心技術。通過開源模式這個催化劑，形成企業間的“競爭前合作”，有助于建立“資金-需求”雙循環。這是新型舉國體制的一種實施方案，值得鼓勵與探索。

過去2年，中國科學院積極投入開源芯片軟硬件生態建設，已經積累了一些通過開源模式聯合企業、構建創新聯合體的經驗。例如，中國科學院計算技術研究所在先導專項支持下，研制了開源高性能RISC-V處理器“香山”；目前，“香山”已成為國際上最受關注的開源芯片項目之一，國內已有10余家企業計劃圍繞“香山”開展后續產品研發。“香山”有望成為學術界-產業界共享的研發基礎設施，成為人才、技術、資金的匯聚平臺；但如何利用開源模式建立更大范圍的“資金-需求”雙循環，在體制機制上還有很大的改革空間。

建立“資金-需求”雙循環的另一個關鍵是“用得上”。自主研究開發的核心技術能不能逐步擴大市場占有率是成敗的關鍵，在國外技術已經是市場主流的情況下，如何讓下游企業和用戶采用自主研發的核心技術是多年來我國沒有解決的“老大難問題”。過去幾年，通過發展信息技術應用創新產業，這個問題得到了一定的緩解，多個專注于自主研發信息核心技術的企業都快速成長起來。這種通過合適的產業政策適當引導、通過應用牽引核心技術研發的模式，也可嘗試在一些需要尚不成熟的新興技術領域推廣。

加強對研發關鍵核心技術企業的融資支持

研發關鍵核心技術的企業可以用大量并購實現企業擴展，從而形成技術與市場優勢，但這需要大量的資金。寒武紀公司2016年成立，2020年在科創板上市（IPO），這種案例在國內還很少。但其實在硅谷非常常見，幾家EDA公司如Cadence、Synopsys均在成立5年左右便實現了上市，亞馬遜（Amazon）在成立3年后即上市，且上市為這些公司的發展起到關鍵作用。中國已經設立了科創板和北京證券交易所，對研發關鍵核心技術的企業是利好消息，有助于這些企業更快地建立起資金循環，但還需要更多的配套政策和更多的輔導。

同時，為了避免科研人員盲目以創辦企業并實現上市作為目標，可加快建立科研人員創辦企業的“收購/并購”退出機制。例如，通過在中國科學院旗下的投資機構設立專業的收購/并購部門，完善在收購/并購過程中出現的資產評估、股權分配、知識產權轉移、法律事務等處理流程與應對方法；輔導研究所及其下屬企業，樹立若干個典型的“收購/并購”成功案例，為科研人員與投資機構提供多種退出機制。

打贏關鍵核心技術攻堅戰，需要全國各界的共同努力，但一個重要的前提是需要按規律辦事。關鍵核心技術的發展也有其自身規律，本文從信息技術視角闡述了若干規律，指出關鍵在形成一張不斷擴大規模的技術網絡，需要“資金-需求”雙循環的保障，才能讓關鍵核心技術持續優化迭代，才能真正實現突破。

（作者：包云崗，中國科學院計算技術研究所副所長、研究員，中國科學院大學計算機科學與技術學院副院長、教授。《中國科學院院刊》供稿）

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