颠覆性创新与信息技术

卢锡城

一、颠覆性创新概述

近代以来，技术创新迅速地改变世界。我先举两个例子：一是，1975年的巨型计算机CDC7600，当时需要一个特大的机房安放，造价为500万美元，计算通货膨胀相当于今天的3 200万美元；2014年，苹果公司智能手机的计算能力已经和CDC7600相当，可是只要400美元。二是，人类基因组计划，从1990年起，耗时13年时间，全世界范围的科学家通力合作，花费27亿美元，于2003年完成；现在要完成一个人的个人基因测序，只需要花费数千美元，用时数小时；预计不出几年，个人基因测序大概只要花费100美元，用时1小时。

从以上两个例子可以看出，现代科学技术的迅速发展正在改变世界。人们把科技创新分为两类，一类是颠覆性技术创新，另一类是渐进性技术创新。近些年来，颠覆性技术创新受到国家和企业的高度关注，重要原因就是颠覆性技术创新容易造成“技术突袭”，改变“游戏规则”，为实现“弯道超车”带来机遇。

颠覆性技术（Disruptive Technologies），又称破坏性技术、革命性技术、变革性技术等。这一概念是1995年美国哈佛商学院克莱顿·克里斯滕森教授出版的《颠覆性技术的机遇浪潮》首先提出的，其出发点是基于商业背景，完全从市场的角度出发。颠覆性技术可以是一项技术或一个技术群，它们往往从边缘切入，相对主流技术，初始存在质量低、风险高、利润少、市场小等特征；随着性能与功能的不断改进与完善，最终取代已有技术，开辟出新市场，形成新的价值体系。2003年，克里斯滕森以“颠覆性创新”提法取代“颠覆性技术”，强调不仅是新技术本身，而是技术的全新广泛应用带来的“颠覆性效应”。所以从这个角度来讲，颠覆性技术既可以是全新的技术，也可以是与已有技术的新组合，关键是能否带来“颠覆性应用效应”。

“颠覆性创新”概念在经济社会和军事领域具有不同的内涵。在经济社会领域，强调发展可能改变我们的生活和工作方式，成就新的商业模式，形成新的经济价值体系，为新创业者颠覆现有经济秩序提供可能的技术。如：半导体芯片、数字照相技术、工业革命时期的蒸汽动力等。在军事领域，强调发展可能使军事力量结构、基础以及能力平衡发生根本性变革，进而改变作战模式或作战规则的技术，又称“改变游戏规则”的技术。如：无线电、飞机、雷达、核武器、精确打击武器等。

还有一种创新是渐进性技术创新（Sustaining Innovations），它是一种满足应用需求、沿着既有技术路径、提高已有产品性能的技术创新。如：微电子工艺改进、火炮射程的改善、舰船航速的提升等。

总结起来，渐进性技术创新是对既有技术改进，是量变；颠覆性技术是新生事物，有可能导致质变，但也存在失败的可能。颠覆性技术能否达预期有很多风险。因为颠覆性技术从出现到成熟应用，往往经历较长时间，在此期间科学技术能否突破，成本能否下降，资源投入能否保证，国家战略会否调整等等，存在诸多不确定性。应该说投入发展具有风险性，有时候是需要“交学费”的。

正因为如此，颠覆性技术的预测，事关战略主动权。及时预测、及早布局，就能赢得发展先机，实现弯道超车，转弱为强；反之，就会被动，今天的庞然大物，明天可能轰然倒下。因此要提高预测准确性，少交学费。熟悉的例子就是柯达胶卷，统治一个多世纪的基于胶卷的照相术，被不到20年的数码照相技术冲垮。

美国很早就意识到这个问题，设立多个颠覆性技术预测研究机构如国防先进研究规划局（DARPA）、国家研究理事会下设的国防情报局技术预测和审查委员会（CDIATFR）、未来颠覆性技术预测委员会（CFFDT）、空军研究委员会（AFSB）、美国麦肯锡全球研究院（MGI）等；已经建立了常态化研究机制，定期举办论坛，发布预测报告。当然，各家预测视角不同，结果也不尽相同，但至少提醒大家看到技术发展的趋势和走向。

下面谈一谈近期几家比较权威的颠覆性技术预测报告。

第一个报告是麦肯锡全球研究院（MGI）2013年5月发布的预测报告，完全是从市场的角度做出的预测。该报告指出，到2025年，可能会产生12项颠覆性技术（有些现在已经在重点关注），包括：（1）移动互联网（Mobile Internet）；（2）脑力劳动自动化（Automation of knowledge work）；（3）物联网（The Internet of Things）；（4）云计算技术（Cloud technology）；（5）先进机器人（Advanced robotics）；（6）自主和准自主运载工具（Autonomous and near-autonomous vehicles）；（7）下一代基因组学（Next-generation genomics）；（8）能量存储（Energy storage）；（9）3D打印（3D printing）；（10）先进材料（Advanced materials）；（11）先进油气勘采（Advanced oil and gas exploration and recovery）；（12）可再生能源（Renewable energy）。

MGI预测报告所选取的12项颠覆性技术主要基于四个判断依据：一是技术发展是否加速，并已取得重大突破。比如下一代基因组学——目前基因测序技术发展速度快于“摩尔定律”；先进材料——2004年首次在实验室制备石墨烯材料，2011年IBM制造了第一个基于石墨烯的速度最快的晶体管。二是潜在冲击、影响范围是否足够大。例如移动互联网可能会影响50亿人的生活方式，给人们创新、创业带来机遇；物联网把遍布全世界嵌入了智能的装置相互连接，直接影响亿万人的医疗、安全和生产能力。三是蕴含的经济效益是否巨大。例如先进机器人会潜在影响全球约6.3万亿美元的人力花费；到2025年，物联网年创造产值约2.7万亿～6.2万亿美元；到2025年，云计算年创造产值约1.7万亿～6.2万亿美元，并为亿万客户和数百万企业创造新的在线产品和服务。四是蕴藏的社会效应是否具有颠覆性。颠覆性技术可能根本改变人们的生活工作方式，创造新的机会，甚至改变国家间的比较优势。例如下一代基因组学可改变癌症及其他疾病诊治方法；能源储存技术能改变能源使用方法；先进的油气勘采能直接驱动经济增长，引发新一场能源革命。

MGI认为，所列12大技术虽然仍面临很多技术挑战和风险，但经分析研究，相信到2025年其巨大潜力能对经济社会产生重大冲击和颠覆。

还有5项技术广受关注，曾考虑列入预测报告，但认真研究后，最终未列。它们是：（1）下一代核（裂变）能源。可能改变全球能源构成格局，但根据现在实验，到2025年，能否产生巨大效应，把握不大。（2）下一代核聚变能源。潜力巨大，可根本改变能源之忧，但就目前技术成熟度和2025年时限，前景比下一代核裂变还难预测。（3）碳封存。到2025年，其成本似还不能降到可规模部署。（4）先进水净化。预测到2025年，还不会比现在已知方法更经济且能规模应用。（5）量子计算。前景诱人，但其可应用的广度及冲击仍不清晰，商业化时间表也难预测。

另外，有5项技术很有意义，宣传声势很大，但离最终可用，还有距离，因此未考虑列入。分别是：（1）私人太空飞行。到2025年，最多限于太空旅游和私人卫星发射。（2）OLED/LED照明。涉及行业窄，到2025年，不会对价值体系产生颠覆性冲击。（3）无线充电。成本较高，总体影响有限，有何重大服务需求尚不清晰。（4）柔性显示。在移动设备和电视方面，可能前景令人振奋，但预测到2025年，其本身似乎不太可能成为影响广泛的颠覆性技术。（5）三维和立体显示。受到广泛关注，但到2025年，技术影响程度尚不清晰。

第二个报告是《改变游戏规则——颠覆性技术与美国国防战略报告》。该报告由美国智库“21世纪安全与情报中心”于2013年9月发布，报告背景基于“美国优势受到挑战”。在冷战结束和1991年海湾战争后，放眼世界，其优势，特别是远程精确打击能力，天下无敌手；现在，美国依稀可以看到在后面追赶的竞争者的身影，特别是中国。美国战略是始终保持在全球的技术主导地位，要凭借抢占颠覆性新技术制高点，确保武器装备的质量优势。正是基于此种担忧，该报告预测了5项“改变游戏规则”的技术：（1）增材制造（Additive Manufacturing）。将从根本上冲击国防工业基础，将改变后勤工作模式，允许部队在驻地直接制造特定部件。（2）自主系统（Autonomous Systems）。自主或半自主系统已使ISR和反恐领域发生革命性改变，将改变作战样式（所谓自主战争）。（3）定向能（Directed Energy）。高功率微波武器、电磁脉冲武器、高能激光武器等。（4）Cyber能力（Cyber Capabilities）。网络、信息能力直接关乎国家安全、军队战斗力。（5）人能力提升（Human Performance Modification）。指使用药物、技术、机器或基因来提高或降低人的体能、认知能力和社会情感能力等。

第三个报告是美国《国防》杂志2014年11月刊发的文章，提出新时期10大颠覆性技术，分别是：（1）真正的自主式武器系统；（2）变革性“大数据工具”；（3）用于训练的“全息图”；（4）超级士兵；（5）高超音速导弹和太空飞机；（6）定制无人机；（7）打不垮的交通工具；（8）用之不竭的电源；（9）抗干扰的可靠通信手段；（10）革命性的低成本隐形军舰。

二、信息技术催生颠覆性创新

当前技术发展的一大特点就是：颠覆性创新离不开信息技术的使能。就是说没有信息技术的支撑，颠覆性创新就不可能实现。

很重要的原因是信息技术发展快、渗透性强、无处不在。大家一致认为“计算”成为科学研究第三范式，现在也有人提出“大数据”是科学研究第四范式。我想举两个例子加以说明：一个例子是2013年诺贝尔化学奖，奖励三位科学家研发出多尺度模型，辅助化学家们用计算机模拟揭示化学反应过程；另一个例子是材料基因组计划，实际上就是通过计算机模拟，建成集计算模拟、实验和数据库为一体的材料研发创新平台，建立材料的成分/工艺-组织结构-性能之间的定量关系，改变了传统的“试验”研发途径，显著减少研发成本，有效缩短新材料研发周期（从10～20年缩短到5～10年）。

还有就是“超级计算能力”能够嵌入各类设备，这就使得“智能”如影随形。正如前面提到的很多颠覆性创新，都与智能分不开。

当然也离不开成本降速惊人。从前的军工产品，今天的儿童玩具；20世纪80年代初期，“大哥大”象征富人的身份，今天的手机、智能手机全面普及。用一句古诗词形容就是“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”

同时还有网络效应倍增。20世纪80年代，麦卡夫预言“网络的价值相当于其使用人数的平方”，即网络能有产生增殖效应。网络的普及与应用确实带来许多新的事物，比如科研领域的“众包”模式，能够发挥“众人拾柴火焰高”的优势；“网络用户”成为资源，随着网络用户的倍增，每个用户的价值也在上升。

信息技术必须与其他学科跨界融合才能催生颠覆性创新。所以，MGI预测的12大颠覆性技术中，先进机器人、自主运载工具、脑力劳动自动化，全靠高性能计算、人工智能、机器学习技术的进步；下一代基因组学、先进油气勘采，极大依赖计算能力和大数据分析能力的提高；3D打印，依靠计算机生成模型，得益于在线设计共享生态系统；移动互联网、物联网、云计算，本身就是信息和通信技术；先进材料设计、可再生能源利用也要依靠信息技术。军事相关的“改变游戏规则”技术同样离不开信息技术驱动，DARPA明确表示：美军必须在全球全方位主宰军事行动，从人道主义援助到国土防卫，从反恐到主要区域作战，关键是获取信息优势和使能技术的能力。

三、我国信息技术发展瓶颈分析

习近平总书记指出，没有网络安全就没有国家安全，没有信息化就没有现代化。可见当今社会信息技术的重要性，同时也赋予我们科研人员新的使命。

那么如何评价这些年我们的科技进步？我想有两点：一是大幅进步喜人。特别是系统集成能力空前提升（大型系统研制能力），部分基础科学技术已达世界先进水平（高水平论文发表）。二是严重制约依然存在。以前面临的问题仍然存在，基本盘面没有变，只是可能层次上有一些变化。特别是使能技术、基础技术仍是瓶颈（材料、工艺、器件、物理基础），高端自主品牌产品及体系寥寥，产业生态堪忧。

为了分析我们信息技术的制约到底在哪里，我把这个问题分为底层、中间层、上层三层。

我们的硬件主要卡在“使能技术、基础技术”等底层，主要是“材料、工艺、器件、硬件基础”等相关基础薄弱。比如说微处理器能设计，但体系架构参照国外，高端生产靠国外，部分IP核靠国外，基于物理基础的优化设计能力薄弱；一些大型高端系统能设计、制造，但其中核心材料、器件、控制软件仍受制于人，领域专用的设计工具软件主要靠引进；新材料、新器件总是落后一步，导致“巧妇难为无米之炊”。

上层应用软件主要卡在“领域科技水平及跨领域交叉研究”。大型领域专用工具软件基本靠引进（如辅助设计软件），大型领域应用软件主要靠引进，可以注意到，这类软件基本无开源。“应用软件”主导的生态环境又严重制约了自主研制的计算机系统的应用与开发。

中间层软件难在“概念创新、应用积累、成体系竞争、用户体验”。信息领域一大特点是“创新概念”，用新概念引导用户、引领市场，让用户“先入为主”。在这个层次上的软件很多“不是做不到，而是想不到”，缺少应用、缺少反馈，改进无方向。大量第三方软、硬件产品报团成体系竞争，自主产品往往陷入“不兼容是死路、兼容无出路”境地。该领域大量“开源”有助于后进者起步，但制约了后进者的创新思维和能动空间。

下面举三个例子加以说明：

第一个是忆阻器和DNA晶体管（使能技术）。忆阻器，将可能变革计算机体系结构。1971年，伯克利大学蔡少棠教授理论推断，应存在一个与磁通量和电荷相关的第四种无源器件；2008年，HP研究人员首先在实验室造出忆阻器原型；2010年，HP宣布基于忆阻器的闪存2013年上市，虽计划推迟，但仍在攻关。忆阻器做存储器具有非易失、尺度小、功耗低等特点，单个忆阻器物理尺寸3nm2，速度与DRAM相当，每立方厘米容量可达1000TB，并且可以完成逻辑计算。HP公司2014年6月宣布基于忆阻器的“The machine”计划，定义了全新的计算机架构，计划10年内推出，届时将颠覆传统计算机层次存储结构，功耗相对传统技术降低近2个量级。DNA晶体管，使廉价基因测序成为可能。DNA晶体管原理是在一块类似计算机芯片上，钻众多纳米尺度小孔，孔中埋有金属电极，以控制DNA运动；DNA流经小孔时，密布于芯片上的反应孔立即成为上百万个微反应体系，读出所含基因编码。所以我们注意到，使能技术依赖于科技基础和工业基础，研究时间长、技术风险大、显示度小，但一旦突破，往往是颠覆性的。IBM最近宣布脑计算芯片TrueNorth又是一例。我国在这方面短板突出，导致系统研制总是落后一步，受制于人。

第二个是Gordon Bell奖。该奖项由美国ACM与IEEE联合授予，始于1987年，主要目的是奖励“并行计算”方面取得的成就。美国世界技术评估中心（WTEC）评估多年得奖项目，结论是：尽管获奖程序的应用领域各不相同，但共同点是算法的改进（线性代数、图剖分、区域分裂、高阶离散）使应用程序对计算能力提高的贡献超过摩尔定律。我国计算机性能已经夺冠，也有很重要的应用，但Gordon Bell奖却还是空白，期待解决领域问题计算方法上的重大改进。

第三个是IBM深蓝和沃森计算机的应用。IBM深蓝计算机拥有32个power2 CPU 节点，5.7 Tflops，1997年5月11日战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫，意味着计算机在该领域对人类逻辑推理能力的超越。IBM沃森计算机拥有2880个power7 CPU核，80 Tflops，15 TB存储，2011年2月17日，沃森计算机在美国最受欢迎的智力竞猜电视节目《危险边缘》中以高比分击败该节目历史上两位最成功的选手，代表着计算机理解能力的新飞跃。我们的计算机系统按其性能应能完成“沃森”任务，但目前还做不到的原因在于人工智能、机器学习、自然人机接口、大数据应用等技术方面的研究能力不足。

总结起来，我们一定要聚焦应用，跨领域协同攻关。“数字鸿沟”根本是在信息应用能力的差距上。应用能力反映国家科技综合实力，否则，“信息基础平台”再好，也难出效益。特别是要抓住“以应用为主导的产品生态环境”，才能持续发展。所以讲到颠覆性创新，大多数颠覆性创新都是“杀手应用”创新畅想再加上信息技术使能，要以“杀手应用”为纲，跨领域协同，带动体系群体突破。

四、高水平计算机人才培养

基础研究能力、科技创新能力不足已成为国家心头之患，其中高水平人才队伍是关键。这就对我们提出了一个问题：当前高水平大学教授的知识结构、培养方式，能否为学生未来成为“基础研究的奉献者、前沿技术的攻坚者、颠覆性概念和技术的开拓者、跨领域融合的探索者”打下坚实的基础？

目前国内IT人才结构失衡。过去30多年，我国主要依赖国外软硬件系统和技术体系，应用开发型人才充足，核心技术研发人员却极度匮乏。用国外IP做SoC的人才充足，研制自主CPU核的人才极度缺乏；有几十万JAVA程序员，很少具备JAVA虚拟机的研发能力；从事浏览器应用的团队数以千计，很少去掌握浏览器底层JS引擎研发技术。总体上表现为局部改进的能力很强，系统整体设计能力弱（包括软件和硬件）。

产生的原因是多方面的，其中大学生的培养尤其需要我们深入思考。我们的课程体系、教学方法等需要我们不断改进、认真研究。

习近平2014年在中国科学院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会上提出：不能总是用别人的昨天来装扮自己的明天。不能总是指望依赖他人的科技成果来提高自己的科技水平，更不能做其他国家的技术附庸，永远跟在别人的后面亦步亦趋。我想对于我们这样一个大国，一定要有自己的核心竞争力。

毛泽东曾提出：坐在指挥台上，如果什么也看不见，就不能叫领导。坐在指挥台上，只看见地平线上已经出现的大量的普遍的东西，那是平平常常的，也不能算领导。只有当着还没有出现大量的明显的东西的时候，当桅杆顶刚刚露出的时候，就能看出这是要发展成为大量的普遍的东西，并能掌握住它，这才叫领导。我想，颠覆性创新的本质就在于此。

[责任编辑：余大品]