中国未来十大科技突破口

(中国)《瞭望新闻周刊》  (2005-12-14)
文 / 本刊记者 浦树柔

《瞭望新闻周刊》记者最近走访了科技部技术前瞻研究组项目执行组组长程家瑜,他向记者展示了最新的研究成果 《中国技术前瞻报告》。课题组上千名专家近3年来深入分析了未来10年我国经济社会发展的大趋势和对科技的需求,系统调查了信息、生物、新材料三大领域国内外的发展状况和趋势,课题组认为,未来10年我国在这三大领域最有可能的科学突破与技术突破集中在以下10个方面:下一代移动通信技术、下一代网络体系、纳米级芯片技术、中文信息处理技术、人类功能基因组学、生物制药技术、生物信息学、蛋白质组学、农作物新品种培育技术、纳米材料与纳米技术。

信息、生物、新材料是21世纪前30年发展最快、最热门的三大领域,它们集结了当今世界最强势的研究力量。但在这些关系未来发展的关键领域中,我国许多核心技术仍依赖追踪、模仿和引进国外技术,原始创新能力明显不足。

从更宽的视野来看,不仅仅是这三个领域的发展需要高扬“自主创新”的信心与勇气。实际上,整个中国科技正面临着前所未有的发展压力:对外要适应国际科技竞争的紧迫形势,对内要满足经济社会发展进程中的重大战略性需求。而原始创新能力和技术创新能力的薄弱,已成为当前和未来相当长时期内影响我国整体竞争力的极大障碍。

面向未来15年的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》即将发布,科技部等有关部门正在着手制定科技“十一五规划”——关于中国科技“未来”的探讨与关注,在最近一年多来达到了前所未有的程度。就是在这样带着几分焦灼、几分期待、几分信心的探讨氛围中,“自主创新”成为人们关于中国科技发展的共识。

带着这个共识,再来看中国科技发展面临的“压力”,在很大程度上已经变成了未来发展的重大机遇。未来10年,中国在这三大领域中最有可能实现自主创新的关键技术群究竟有哪些?有限的科技经费究竟应当投入到哪些突破口?

下一代移动通信技术

移动通信是人类社会发展中的一大奇迹。2004年12月,全球(蜂窝)移动通信用户总数已达17亿以上,超过已有百年发展历史的固定通信用户数。过去10年,移动通信技术完成了由第一代模拟通信技术向第二代数字通信技术的过渡,当前正处于由其巅峰状态向第三代(3G)移动通信技术过渡的进程中。

目前,世界发达国家纷纷投入力量进行第三代及下一代移动通信标准、技术和产品的开发。  

  • 3G移动通信:国际电信联盟(ITU-T)批准为3G的三大标准分别是欧洲的WCDMA,美国高通公司的CDMA2000和中国大唐电信的TD-SCDMA。3G已在全球30多个国家开始商用。   

  • 增强型3G(Enhanced 3G):为了克服3G技术不能很好支持流媒体等业务的不足,国际电信联盟已在制定增强型3G技术标准。专家预测,增强型3G技术将进入商用。   

  • 4G(或Beyond 3G):下一代移动通信即所谓超3G(以下统称Beyond 3G)技术的研究是国际上的热点。Beyond 3G具有更高的速率与更好的频谱利用率。欧盟、日本、韩国等国家已开始4G框架的研究,预期Beyond 3G技术可望在2010年后开始商用。  

中国移动用户总数已达3.34亿,居世界第一,总体技术水平与国际同步,处于由第二代向第三代的过渡时期。我国3G移动通信技术已经具备了实现产业化的能力,我国大唐电信2000年5月提出的TD-SCDMA标准已成为国际电信联盟正式采纳的三大标准之一。此外,在国家“863”计划的支持下,开展了Beyond 3G技术的研究,预期该技术可望在2010年后开始商用。

Beyond

3G技术对我国经济社会发展和国防建设具有十分重要的意义。德尔菲专家调查统计结果显示,我国研发水平比领先国家落后5年左右,通过自主开发或联合开发,在未来5年可能形成自主知识产权。以华为、中兴为代表的一批高技术通信设备制造业公司,在第三代移动通信设备(3G)等研发方面紧跟国际前沿,打破了国外公司对高技术通信设备的垄断,开始参与国际通信标准的制定,开发具有自主知识产权的核心技术,具备了参与国际竞争的能力,具备实现技术和产业跨越式发展的契机。

中国下一代网络体系

下一代网络(NGN)泛指以IP为核心,同时可以支持语音、数据和多媒体业务的因特网、移动通信网络和固定电话通信网络的融合网络。

世界各国和国际通信标准化组织都在积极开展下一代网络的研究开发工作。国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)、欧洲电信标准化协会ETSI 、互联网工程任务组(IETF)、第三代伙伴组织计划(3GPP)等,都在致力于下一代网络体系的研究。目前,美国、日本、韩国、新加坡以及欧盟都已启动了下一代互联网研究计划,全面开展各项核心技术的研究和开发。

我国在下一代网络的研究方面已取得了较大进展。“九五”期间,863计划建成了 “中国高速信息示范网”(CAINONET)、国家自然科学基金委支持的“中国高速互连研究试验网NSFCNET”等重大项目,目前已开始基于NGN的软交换技术在移动和多媒体通信中的应用研究。中兴、华为等企业还推出了基于软交换的NGN解决方案;在下一代互联网研究上,中兴、港湾网络等推出的高端路由交换机,可应用于国家骨干IP网络建设,以及大中型宽带IP城域网核心骨干和汇聚。国内公司还开始自行设计高端分组交换定制ASIC芯片。我国已成为少数几个能够提供全系列数据通信设备的国家之一。

下一代网络技术对促进我国高新技术的发展,以及对改造和提升我国传统产业具有举足轻重的作用,对国家安全至关重要。从总体上看,我国互联网技术跟随国外发展,在技术选择上缺乏系统研究,走过一些弯路,至今与国外仍存在较大差距。无论网络用户规模、网络应用、网络技术或网络产品都尚有很大的发展空间。从全局着眼,应不失时机地开展中国下一代网络体系的研究、应用试验、关键技术研究和产品开发。不能像第一代互联网那样,技术、标准都是外国的,给国家安全造成隐患。

纳米级芯片技术

当前,集成电路的发展仍遵循“摩尔定律”,即其集成度和产品性能每18个月增加一倍,按照器件特征尺寸缩小、硅片尺寸增加、芯片集成度提高和设计技术优化的途径继续发展。

自上世纪90年代以来,全球集成电路制造技术升级换代速度加快。当前国际上CMOS集成电路大规模生产的主流技术是130nm,英特尔等部分技术先进的芯片制造公司已在用90nm进行高性能芯片生产。2005年,美国AMD公司已开始量产90nm的高性能芯片,国际上对65nm技术的开发也已成功。伴随130nm到90nm技术的升级,考虑到扩大生产规模和降低成本,大多数公司将使用12英寸替代8英寸硅基片,这也必将带来半导体设备的大量更新。

近年来我国一些先进集成电路制造公司的崛起,使国内集成电路制造工艺技术与国际先进水平的差距有了显著的缩小,但整体水平仍与先进国家相差2~3代。目前,我国集成电路设计公司年设计能力已超过500种,主流设计水平达到180nm,130nm技术正在开发中,90nm技术的研发也开始着手进行。从产业发展看,我国集成电路已初步形成由十多家芯片生产骨干企业、十多家重点封装厂、二十多家初具规模的设计公司、若干家关键材料及专用设备仪器制造厂组成的产业群体,设计、芯片制造、封装三业并举的蓬勃发展态势。以中科院计算所为代表的研究机构和企业在CPU研发方面所取得的新进展,标志着我国集成电路设计具有较强能力,与国际先进水平的差距进一步缩小。目前我国芯片业大多集中在低端的交通、通信、银行、信息管理、石油、劳动保障、身份识别、防伪等领域,IC卡芯片所占比重一直占据芯片总体市场的20%左右。

今后的IC是纳米制造技术的时代,而纳米级芯片技术是我国赶超国际的关键,它的成功将会是我国IC工业发展史上的重要里程碑和持续发展的动力,专家认为应优先发展。

中文信息处理技术

包括汉字和少数民族文字在内的中文信息处理技术,是汉语言学和计算机科学技术的融合,是一门与语言学、计算机科学、心理学、数学、控制论、信息论、声学、自动化技术等多种学科相联系的边缘交叉性学科。

随着互联网的发展,中文信息处理技术已渗透到社会生活的各个方面。1994年,微软开始进入中文软件市场,微软的WORD把国产WPS挤出了市场,继而Windows中文版又把国产中文之星挤垮。微软凭借其强大的优势地位,使国产的中文信息处理软件举步维艰。中文版的Windows、Office等占据了大部分的中文软件市场,使中文信息处理逐渐丧失了其特殊地位。

经过二三十年的努力,我国的中文信息处理,包括中文的编码、字型、输入、显示、输出等的基本处理技术已经实用化,目前正在逐渐摆脱“字处理”阶段,处于向更高级阶段快速发展的时期。包括中文的文字识别机和手写文字识别、语音合成、语音识别、语言理解和智能接口等技术的研究已获得进展。中文的全文检索、内容管理、智能搜索、中文和其他文字之间的机器翻译等技术也正在开发、研制,并取得了较大进展,涌现了联想、方正、四通、汉王、华建等公司。

随着中国加入WTO与世界各国交流的逐渐扩大以及网络信息时代的来临,中文信息处理技术越发显得重要,其自动化水平的提高,将大大促进我国科技、国民经济和社会发展,同时使中华民族的文化在信息时代得到新的发展。未来无疑应当加强中文信息处理技术的研发投入与政策倾斜。

人类功能基因组学研究

20世纪末启动的人类基因组计划被公认为生命科学发展史上的里程碑,其规模和意义超过了曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划。随着人类基因组、水稻基因组以及其它重要微生物等50多种生物基因组全序列测定工作的完成,国际基因组研究进入到功能基因组学新阶段。

功能基因组学已成为21世纪国际研究的前沿,代表基因分析的新阶段。它是利用结构基因组所提供的信息和产物,发展和应用新的实验手段,通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能,使生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究,是在基因组静态的碱基序列弄清楚之后转入对基因组动态的生物学功能学研究。从1997年迄今已发表的有关功能基因组学的论文数以千计,其中不少发表在《细胞》《自然》《科学》等国际著名刊物上。

目前功能基因组研究的重点集中在四个方面:一是基因测序技术研究。预计今后几年内,测序技术将继续发展,特别是有一些重要的改进将直接用于功能基因组的研究;二是单核苷多态性(SNP)以及在此基础上建立的SNP单体型研究;三是基因组有序表达的规律研究。主要包括基因的深入鉴定、基因表达与转录组研究、蛋白和蛋白质组研究、代谢网络和代谢分子研究、基因表达调控研究等;四是计算生物学和系统生物学研究。

近几年来,在国家“863”计划、国家重大科技专项等的资助下,我国功能基因组学研究取得了一系列进展。中华民族占世界人口的1/5,有丰富的遗传疾病家系资源,这是我国发展功能基因组研究的有利因素。“十五”期间,我国参与国际蛋白质组计划、国际人类基因组单体型图计划,高质量按时完成了项目中所承担的21号染色体区域的任务,建立并完善了中华民族基因组和重要疾病相关基因SNPs及其单倍型的数据库的建设,在国际一流杂志上发表了一批高水平学术论文,申报了一批国家专利,收集、保存了一批宝贵的遗传资源,并初步建立了遗传资源收集网络和资源信息库的采集管理系统,组建了一批国家级基地,培养了一支队伍,建立了一批技术平台。但总体而言,我国在功能基因组研究及应用方面的原始创新成果数量较少,还不能为医药生物技术产业的发展提供足够的知识和产品。

未来研究重点包括:  

  • 功能基因组研究。重点开展植物功能基因组研究、人类功能基因组研究和重要病原微生物及特殊微生物功能基因组研究;  

  • 蛋白质组学研究。蛋白质组学是一个新生领域,目前还处于初期发展阶段,仍有许多困难有待克服。我国应选择具有特色的领域开展研究;  

  • 生物信息技术。我国的研究重点应集中在生物信息数据库的构建、生物信息的开发、加工、利用及生物信息并行处理方面;  

  • 生物芯片技术及产品。通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。常用的生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、生化反应芯片和样品制备芯片等。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。我国生物芯片研究紧跟国际前沿,它将对我国生命科学研究、医学诊断、新药筛选具有革命性的推动作用,也将对我国人口素质、农业发展、环境保护等作出巨大的贡献。

专家认为,我国人类功能基因组学研究的研发水平比领先国家落后5年左右,若能高度重视,充分利用我国已有的技术和资源优势,未来10年我国可能实现人类功能基因组学研究的跨越发展。

蛋白质组学研究

随着被誉为解读人类生命“天书”的人类基因组计划的成功实施,生命科学的战略重点转移到以阐明人类基因组整体功能为目标的功能基因组学上。蛋白质作为生命活动的“执行者”,自然成为新的研究焦点。以研究一种细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白质为特征的蛋白质组学自然就成为功能基因组学中的“中流砥柱”,构成了功能基因组学研究的战略制高点。

目前蛋白质组学的主要内容是建立和发展蛋白质组研究技术方法,进行蛋白质组分析。为了保证分析过程的精确性和重复性,大规模样品处理机器人也被应用到该领域。整个研究过程包括样品处理、蛋白质的分离、蛋白质丰度分析、蛋白质鉴定等步骤。

自1995年蛋白质组一词问世到现在,蛋白质组学研究得到了突飞猛进的发展。我国的蛋白质组研究也在迅速开展,并取得了许多有意义的成果,中国科学家已经在重大疾病如肝癌,比较蛋白质组学的研究等方面取得了重要成就,在“973”计划的资助下,我国已经开始了二维电泳蛋白组分离研究、图像分析技术和蛋白质组鉴定质谱技术研究等。

如何抓住国际上蛋白质组学研究刚刚启动的时机,迅速地进入到蛋白质组学研究的国际前沿,是摆在我国生命科学研究发展方向上的一个重要课题。

目前我国在该领域的研发基础较好,只比先进国家落后5年左右。蛋白质组学属科学前沿,专家建议结合我国现行的基因组研究及其他有我国特色或优势的领域开展研究,不要重复或追随国际已有的工作,而应走自己的路,未来10年内有可能取得重大科学突破。

生物制药技术

生物制药被称为生物技术的“第一次浪潮”,其诱人前景引起了全世界各国政府、科技界、企业界的高度关注。

在过去的30年间,全球生物技术取得了令人瞩目的成就。据美国著名咨询机构安永公司2004年和2005年发表的第十八和第十九次全球生物技术年度报告分析,2003年全球生物技术产业营收达410亿美元。目前已有190余种生物技术产品获准上市,激发起投资者对生物技术股与融资的兴趣。

近20年来,我国医药生物技术产业取得了长足的进步,据《中国生物技术发展报告2004》统计,我国已有25种基因工程药物和基因工程疫苗,具有自主知识产权的上市药物达9种,重组人ω-干扰素喷鼻剂2003年4月获得国家临床研究批文,可用于较大规模高危人群的预防。但总体上与世界先进水平相比还存在很大的差距,医药生物技术产品的销售收入仅占医药工业总销售额的7.5%左右。

为加快我国生物制药技术的发展,今后的研究开发重点是:  

  • 生物技术药物(包括疫苗)及制备技术。围绕危害人民健康的神经系统、免疫系统、内分泌系统和肿瘤等重大疾病和疑难病症的防治与诊断,应用基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程等技术,开发单克隆抗体、基因工程药物、反义药物、基因治疗药物、可溶性蛋白质药物和基因工程疫苗,拓宽医药新产品领域;  

  • 高通量筛选技术。目前,国外许多制药公司已把高通量筛选作为发现先导化合物的主要手段。典型的高通量筛选模式为每次筛选1000个化合物,而超高通量筛选可每天筛选10万多个化合物。随着分析容量的增大,分析检测技术、液体处理及自动化、连续流动以及信息处理将成为未来高通量筛选技术研究的重点;  

  • 天然药物原料制备。目前,已经发现人类患有3万多种疾病,其中1/3靠对症治疗,极少数人能够治愈,而大多数人缺乏有效的治疗药物。以往多用合成药物,随着科技的进步,人们自我保健意识增强,对天然药物的追求与日俱增。当前世界各国都在加强天然药物的研发。

生物信息学研究

在生命科学的研究中,以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析,对基因组研究相关生物信息获取、加工、储存、分配、分析和解释——上世纪80年代一经产生,生物信息学就得到了迅猛发展。其研究一方面是对海量数据的收集、整理与服务;另一方面是利用这些数据,从中发现新的规律。

具体地讲,生物信息学是把基因组DNA序列信息分析作为源头,找到基因组序列中代表蛋白质和RNA基因的编码区;同时,阐明基因组中大量存在的非编码区的信息实质,破译隐藏在DNA序列中的遗传语言规律;在此基础上,归纳、整理与基因组遗传信息释放及其调控相关的转录谱和蛋白质谱的数据,从而认识代谢、发育、分化、进化的规律。另外生物信息学还利用基因组中编码区的信息进行蛋白质空间结构的模拟和蛋白质功能的预测,并将此类信息与生物体和生命过程的生理生化信息相结合,阐明其分子机理,最终进行蛋白质、核酸的分子设计、药物设计和个体化的医疗保健设计。

生物信息学的发展已经将基因组信息学、蛋白质的结构计算与模拟以及药物设计有机地连接在一起,它将导致生物学、物理学、数学、计算机科学等多种科学文化的融合,造就一批新的交叉学科。

科学家们普遍相信,本世纪最初的若干年是人类基因组研究取得辉煌成果的时代,也是生物信息学蓬勃发展的时代。据预测,到2005年生物信息的全球市场价值将达到400亿美元。

我国生物信息学研究起步较早。20世纪80年代末,国内学者就在《自然》上报道了免疫球蛋白基因超家族计算机分析的工作。目前,多家大学和研究机构也相继成立了生物信息中心或研究所,各种原始数据库、镜像数据库和二级数据库也已经逐步建立,同时我国还建立了相关的工作站和网络服务器,实现了与国际主要基因组数据库及研究中心的网络连接,开发了用于核酸、蛋白结构、功能分析的计算工具以及蛋白质三维结构预测、并行化的高通量基因拼接和基于群论方法开发的基因预测等多种软件。中国学者还运用自主开发的电脑克隆程序,开展了大规模EST数据分析,建立了一系列基因组序列分析新算法和新技术,并在国内外著名科学杂志上发表了一系列论文,取得了引人注目的进展,尤其在人类基因组基因数目的预测上获得了与目前的实验事实相当吻合的结果,在国际上获得普遍认可。

农作物新品种培育技术

最近几年,农业生物技术的发展对农业产业结构调整产生的巨大影响,已引起各国政府和科学家的高度重视。农业生物技术领域研究中最活跃的是育种技术——应用现代分子生物学和细胞生物学技术进行品种改良,创造更加适合人类需要的新物种,获得高产、优质、抗病虫害新品种。这使得新品种层出不穷,品种在农业增产中的贡献率将由现在的30%提高到50%。国际水稻研究所已经培育出每公顷7500公斤的超级水稻,非洲培育出增产10倍的超级木薯。

我国该领域的基础研究和高技术研究取得了一批创新成果:如植物转基因技术、细胞培育技术、籼稻的全基因组测序、花粉管通道转基因方法等,使研制具有自主知识产权的转基因农作物新品种成为现实和可能。目前,已培育出亩产达到807.4公斤的超级杂交稻;2004年转基因抗虫棉的种植面积已占全国棉花种植面积的50%左右;利用细胞工程技术培育的抗白粉病、赤霉病和黄矮病等小麦新品种已累计推广1100多万亩;植物组织培养和快繁脱毒技术在马铃薯、甘蔗、花卉生产中发挥了重要的作用。

专家认为,我国农作物新品种培育的研发基础较好,整体科研技术与国外处于同等水平,只要充分利用资源,发挥优势,很可能在该领域取得突破。

纳米材料与纳米技术

纳米科技是上世纪末才逐步发展起来的新兴科学领域,它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础,许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑,传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。

近年来,科技强国在该领域均取得了相当重要的进展。

在纳米材料的制备与合成方面,美国科学家利用超高密度晶格和电路制作的新方法,获得直径8nm、线宽16nm的铂纳米线;法国科学家利用粉末冶金制成了具有完美弹塑性的纯纳米晶体铜,实现了对纳米结构生长过程中的形状、尺寸、生长模式和排序的原位、实时监测;德国科学家巧妙地利用交流电介电泳技术,将金属与半导体单壁碳纳米管成功分离;日本用单层碳纳米管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料。

在纳米生物医学器件方面,科学家用特定的蛋白质或化合物取代用硅纳米线制成场效应晶体管的栅极用以诊断前列腺癌、直肠癌等疾病,成百倍地提高了诊断的灵敏度。另外,纳米技术在医学应用、纳米电子学、纳米加工、纳米器件等方面也有新进展。与此同时,国外大企业纷纷介入,推动了纳米技术产业化的进程。

当前纳米材料研究的趋势是,由随机合成过渡到可控合成;由纳米单元的制备,通过集成和组装制备具有纳米结构的宏观试样;由性能的随机探索发展到按照应用的需要制备具有特殊性能的纳米材料。

纳米材料和技术很可能在以下四个领域的应用上有所突破:一是IT产业(芯片、网络通讯和纳米器件);二是在生物医药领域应用纳米生物传感的早期诊断和治疗,到2010年将给人类带来新的福音;三是在显示和照明领域的应用已有新的进展,纳米光纤、纳米微电极等已产生极大影响;四是纳米材料技术与生物技术相结合,在基因修复和标记各种蛋白酶等方面蕴育新的突破,预计2010年纳米技术对国际GDP的贡献将超过2万亿美元。

我国纳米材料研究起步较早,基础较好,整体科研水平与先进国家相比处于同等水平,部分技术落后5年左右。目前有300多个从事纳米材料基础研究和应用的研究单位,并在纳米材料研究上取得了一批重要成果,引起了国际上的广泛关注。据英国有关权威机构提供的调查显示,我国纳米专利申请件数排名世界第三位。

国内目前已建成100多条纳米材料生产线,产品质量大都达到或接近国际水平。与发达国家相比,我国的差距一是在纳米材料制备与合成方面尚处于粗放阶段,缺乏应用目标的牵引,集成不够;二是纳米材料计量、测量和表征技术明显落后于国外,对标准试样和标准方法的建立重视不够,对表征手段的建立投资不足;三是纳米材料的基础研究、应用研究和开发研究出现脱节,纳米材料研究缺乏针对性;四是学科交叉、技术集成不够。  

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