以科学为基础的技术创新与产业演化的动力机制研究——以半导体、数字计算机及无线电技术为例

通过对半导体、数字计算机与无线电的技术创新研究和产业演化研究,分析以科学为基础的技术创新及其产业化路径、条件、动力,阐释建立大规模技术创新与产业演化的动力机制。研究发现科研机构与企业实验室的大规模聚集加快了技术创新速度,并推动技术创新沿“科研机构—企业”与“企业—企业”2条路径扩散,形成大规模技术创新的链式反应;大科学工程为该链式反应创造临界条件,区域资源和人才总量是创新规模的边界条件;战略需求为技术产业孵化提供了基本动力,市场需求推动新兴技术产业向规模产业演化,为产业大规模技术创新提供持续动力。研究结论进一步完善了产学研协同创新的动力机制,为中国的科技创新和产业升级提供了全新的发展策略。

科学前沿与工业技术的大规模融合,诞生了航空、航天、核能、半导体、数字计算机、无线通信、生物制药等技术和产业,并推动科技指数级发展。美国通过以科学为基础的大规模技术创新,确立了全球科学与技术领域的领先地位,尤其以曼哈顿计划、MIT雷达计划等大科学工程带动了科研机构与高科技公司之间的紧密合作,催生电子和数字计算机等产业,加速推动科学理论发现、技术发明和产业诞生。目前,中国经济进入了全面产业升级转型的关键阶段,迫切需要通过科技创新推动经济高质量发展。

一、以科学为基础的技术及产业的产生及演化

(一)以科学为基础的技术

1 半导体技术

1958年,美国仙童半导体公司与美国德州仪器公司分别发明了硅集成电路和锗集成电路,但早期集成电路主要应用在火箭、数字计算机等战略领域,随着技术的不断成熟和价格的下降才得以广泛应用,催生出美国国家半导体公司、美国英特尔公司、美国超威半导体公司等一批集成电路公司。半导体的集成度以指数级数递增,电路尺寸由毫米级向微米级和纳米级缩小,集成电路的设计和制造越来越复杂,由纵向一体化演化为设计、制造、封装及测试等环节。

图1  美国半导体、计算机、无线电技术和产业的产生与演化

2 数字计算机技术

1946年,美国宾夕法尼亚大学成功研制了第一代电子计算机埃尼阿克。电子管的发明使计算机由机械化向半机械化和电子化转变,晶体管和集成电路的发明使电子计算机进一步数字化。1965年IBM研制出世界上首个大规模采用集成电路的通用数字计算机系列S/360并应用于国防、金融、航空等领域,美国计算机技术和产业才开始领先其他国家。随着多种操作系统和软件的发明,数字计算机进一步向小型化和微型化发展,并广泛应用到各种行业及消费市场。

3 无线电技术

二战期间,雷达和步话机的应用标志着无线电技术大规模应用的开始,而这距无线电理论基础建立的时间已过去将近100年。随后,无线电技术由定向和测量领域向无线通信、电视广播等领域加速发展,形成无线通信、卫星通信、全球定位系统(GPS)、无线电望远镜、相控阵雷达、广播电视等技术和产业,其中以无线通信的产业规模和技术影响最为深远。美国在第一代移动通信技术(1G)领域居于绝对的主导地位,当时美国摩托罗拉公司在无线通信领域市场占有率高达70%以上。

(二)技术的产生与演化路径

由半导体技术、数字计算机、无线电技术等以科学为基础的技术发明和创新过程可见,这些技术主要以固体物理、逻辑数学、电磁学等近现代科学理论为基础,最早从美国芝加哥大学、哈佛大学、麻省理工学院等科研机构向产业扩散,大量企业实验室也同时参与其中。以科学理论为基础的研究开发,结合产业需求优化更新现有技术。技术之间组合关系形成树形拓扑结构,创新技术由半导体、操作系统、通信网络等基础技术组合生成,技术之间的组合关系同时形成技术上的依赖关系,而基础技术通过新组合的技术实现价值;同时,技术组合的数量以几何级数增长,而市场以相对较慢的幂函数增长,大量新技术在市场竞争中退出。

二、以科学为基础的技术创新及产业孵化的主要条件

(一)战略需求

战略需求为美国的半导体、数字计算机和无线电技术等新兴技术提供了早期市场环境。美国政府同时也对企业及研究机构展开资助,1980年,政府研发投入占据美国总研发费用50%以上,战略防务占政府研发费用50%以上。集成电路发明后主要应用在导弹和飞机的制导系统,直到1965年才开始在商业计算机系统使用。计算机研发需求主要来自导弹、机载导航、核武器仿真计算等领域。20世纪50年代,IBM近50%的收入来自远程战略轰炸机和防空系统的制导计算程序的项目。基于无线电技术的雷达和通信技术是制导和通信的关键技术,在半自动地面防空系统(SAGE)、载人航天等大科学工程中得到了广泛应用。

(二)资源聚集

1. 研发投入总量。1969年,美国研发投入高达256亿美元,且始终保持全球最高的研发投入,同期德国、法国、英国、日本的投入之和才113亿美元。

2. 大科学工程。由于MIT雷达计划、SAGE工程、阿波罗计划等系列大科学工程不计成本地投入,大学、科研机构、企业实验室的大量聚集,产学研的紧密合作促进了科学和技术的结合。

3. 企业大规模研发投入。大规模研发投入促使美国科技公司不断创新,使公司快速崛起并持续扩大规模。贝尔实验室用于晶体管和半导体设备的研发费用快速增长,由1953年的270万英镑,到1960年的2 800万英镑,再增长到1964年的5 700万英镑。

4. 区域聚集。大规模战略需求促进了科学研究与产业的结合,大科学工程进一步促进了高技术产业与大学研究机构的聚集,美国的半导体与数字计算机产业主要集聚在波士顿128号公路和硅谷地区。

(三)人力资本

在战略需求的推动下,美国主要研究机构及企业实验室的大规模扩张还需要充足的人才资源,除技术人才移民外,美国麻省理工学院、斯坦福大学等高校是重要的人才来源。1940年10月,麻省理工辐射实验室雷达计划只有12位研究人员;1940年11月,增加到30位物理学家;1945年,增加到4000人左右。产业的研究规模也快速增长,美国通用电气公司、国际电话电报公司、IBM、施乐公司等企业的实验室的研发人员规模从500到30000人不等。企业通过参与大科学工程不断提高研发投入,建立企业实验室开展基础研究、进行科学创新,深刻改变了科学研究和人才培养的模式。20世纪50年代,IBM通过参与麻省理工学院林肯实验室与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的高性能数字计算机研制任务,企业研发规模不断扩大,在10个国家拥有12个研究中心,并将研究内容扩展到基础科学领域,截至2000年,IBM实验室中先后超过21人获得诺贝尔奖、美国国家科学奖、图灵奖和凝聚态物理最高奖。

(四)技术扩散

新技术沿2条主要路径扩散:

1.科研机构—企业。大学通过向企业输送人才实现科学知识的扩散,科学知识与已有技术的结合形成技术创新。早期的半导体技术、数字计算机和无线电技术由芝加哥大学、麻省理工学院、斯坦福大学等高校向企业扩散,与产业技术结合重组后不断演化。20世纪60年代,麻省理工学院至少孵化了175家新企业,其中50家来自林肯实验室,30家来自仪器仪表实验室。

2.企业—企业。技术由高科技企业进一步扩散并进行再创新。雷神公司孵化了包括DEC公司在内的150家初创公司,喜万年的电子部门孵化了39家企业;1956年,贝尔实验室工程师肖克利离开后,成立了晶体管实验室,之后晶体管实验室的主要员工离开后成立了仙童半导体公司,并与美国德州仪器公司同时发明集成电路。由仙童半导体公司进一步衍生出了国家半导体公司、英特尔公司、超威半导体公司、阿尔特拉公司等系列著名半导体公司。

(五)临界条件

美国的战略需求为以科学为基础的技术创新及产业孵化提供了强大的市场动力,为科学、技术、产业的大规模合作创造了条件。然而,技术创新的链式反应并不会自然发生,美国大规模创新的科研机构和企业的人才规模基本在1000人以上,而区域聚集的人才至少在10000人以上,科研机构和企业均具备充足的技术和人才积累,即人才的数量和质量是开展任何大规模创新项目的前提。以科学为基础的大规模技术创新链式反应既需要科学、技术、产业等不同创新要素大规模聚集,还需要不同背景的要素聚集后有效合作,才能实现科学向技术的转化以及大规模的组合创新,同时也需要迫切需求和强大压力。大科学工程为科学、技术、产业的大规模创新同时提供了充足的资源支持和压力条件,形成了大规模技术创新链式反应的临界条件。

三、以科学为基础的技术产业的规模扩张与演化

(一)技术创新的链式反应

美国的国家战略对先进技术的迫切需求,推动了大学、研究机构、企业等创新资源的大规模聚集,形成了链式反应的外在动力(图2);大科学工程使资源进一步聚集,并形成了强大的外部压力,使大规模创新达到了临界条件,涌现出革命性的技术创新;在半导体技术、数字计算机与无线电技术等的革命性创新后,人才和技术由大科学工程向科研机构和企业扩散,并在新组织中继续聚集资源、创新技术,推动技术不断升级,人才流动和技术合作构成该链式反应的2种主要技术扩散方式;在大规模创新中实现了技术创新、产业孵化及人力资本的增值,科研机构与企业均提升了创新能力并得到了有效激励;但随着链式反应的不断聚集和扩散,资源需求总量成几何级数增长,1个国家和地区的人才及创新资源总量也成了链式反应规模的边界条件,即使美国也只形成了128号公路附近地区及硅谷2个聚集区。

图2  大规模技术创新的链式反应

(二)技术产业规模扩张

半导体、数字计算机、无线电等技术创新规模的持续扩张和指数增长,推动了技术集成度的增加和相关产品的小型化,企业之间的创新竞争进一步降低相关技术产品价格,加速了新市场的形成以及市场规模的增长。随着半导体制造工艺由毫米级向微米级和纳米级演进,计算机运算速度计量由千次/秒提高到亿次/秒,处理器的集成晶体管数量以指数级数量增长。计算机由体积巨大向机柜式和箱式发展,无线通信由车载、背包式向手持式演化。同时,相关技术产品的价格以指数函数下降,推动了新市场的涌现及市场规模的大幅增加。计算机先后形成了大型机、小型机、微型机及笔记本市场,市场规模由1970年的32亿美元、1980年的201亿美元增长到2000年1787亿美元。半导体广泛应用到各领域,全球市场规模由1974年的24亿美元增长到2010年的3 170亿美元,涨幅约132倍。

(三)以科学为基础的技术创新的路径依赖

战略需求推动以科学为基础的技术大规模应用,加快了科学向技术、产品的转化,同时孵化了新的科技产业,但是也形成相关产业对战略需求和大规模研发需求的路径依赖,战略需求并不能代替市场需求。冷战期间战略需求是美国硅谷和128号公路附近地区大量中小科技公司的主要收入来源,并产生IBM、美国雷神公司等一批大型企业。由于半导体和数字计算机技术的持续发展,形成微型机、互联网、智能手机等民用产品市场,并快速成长为主导市场。在数字计算机产业向小型化转型过程中,由于硅谷更加倾向于市场化,在20世纪70年代后持续繁荣,而128号公路附近的企业由于对战略需求的过度依赖,没有及时转型,在与硅谷企业的竞争中逐渐衰败。日本半导体和数字计算机产业主要根据市场需求进行技术创新,采用大科学工程的方式加速数字计算机和半导体的技术追赶,日本半导体和数字计算机产业的快速发展给硅谷造成了毁灭性打击。

四、主要政策建议

(一)大规模技术创新的链式反应模型角度

增加大科学工程建设规模,为大规模技术创新创造临界条件,促进科研机构与产业在人才密集区域汇集团聚、融合创新、相互促进,进而带动企业扩大创新规模,形成技术创新、人力资本、产业以及经济增长的增强回路;提高对中小型科技企业的支持力度,在大科学工程中引入和孵化中小企业,促进链式反应的展开;中国正处在高速发展的时期,且每年有超过800万的高校毕业生,这初步形成了全球最大规模的科学家和工程师队伍,以及超大规模的市场,这为大规模技术创新提供了较高的人力资本和市场动力的边界条件。

(二)技术产业演化的动力机制角度

加大战略性科学与技术的研发规模,提高科学向技术转化的速度以及技术创新的先进性,增加战略核心技术研发投入以及原始创新的供给,培养和孵化新兴战略创新产业,弥补对于依赖市场导致的技术创新动力不足的缺陷;增加大科学工程的建设,推动大型企业建立大型联合实验室,解决产业关键技术难题,促进产业规模的快速升级。

(三)以科学为基础的技术创新与扩散机制角度

针对创新扩散形成的复杂技术网络体系,根据技术依赖关系甄别其中薄弱环节,采用新型科技创新举国体制,加快大科学工程建设以突破核心技术壁垒,避免市场化创新的技术先进性和动力不足等问题,降低企业大规模创新的技术风险,提高产业技术的稳健性,实现企业高水平的技术创新和技术独立。

作者:张  毅  北京邮电大学博士研究生。主要研究领域:大规模技术创新管理。 
闫  强  北京邮电大学教授。主要研究领域:电子商务与网络经济、人机交互与决策行为、企业数字化转型、创新管理等。

文章源自:张毅, 闫强. 以科学为基础的技术创新与产业演化的动力机制研究——以半导体、数字计算机及无线电技术为例. 中国科学院院刊, 2023, 38(10)

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