科技与社会
S&T and Society
引用格式：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): 1521-1533, doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.20211024001.
Zhang Y, Yan Q. Dynamic mechanism of science based technological innovation and industrial evolution—Take semiconductor, digital computer and radio technologies as examples. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2023, 38(10): 1521-1533, doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.20211024001.
c语言如何去学(in Chinese)
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
张毅闫强*
北京邮电大学经济管理学院北京100876
摘要通过对半导体、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，对于中国进行科技创新与产业升级具有启示意义。
关键词以科学为基础的技术创新，产学研，大规模创新，链式反应，动力机制
DOI10.16418/j.issn.1000-3045.20211024001
CSTR32128.14.CASbulletin.20211024001
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
*通信作者
资助项目：国家社会科学基金重点项目（17AGL026）修改稿收到日期：2023年9月27日
科学与技术领域的领先地位[1]，尤其以美国陆军部研制计划（“曼哈顿计划”）、麻省理工辐射实验室①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[2]，加速推动科学理论发现、技术发明和产业诞生[3]；日本与欧洲等国家和地区采取大科学工程的方式完成了半导体和无线通信等技术的创新和产业的追赶，科技创新成为推动经济繁荣和发展的主要动力。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。然而，后发经济体应思考如何在科学和技术相对落后的情况下实现以科学为基础的产业技术升级，明确以科学为基础的技术创新和产业孵化的条件，并把握新一轮科技革命的机遇。本文对半导体、数字计算机、无线电领域的技术创新、产业化和扩散过程进行研究，分析了以科学为基础的技术创新及产业演化的动力机制，进一步完善了产学研协同创新理论，希望能为中国的科技创新和产业升级提供全新的发展策略。
1 以科学为基础的技术及产业的产生及演化
1.1 以科学为基础的技术
（1）半导体技术。1929年，晶体管专利就已经出现（图1），但直到1947年，美国贝尔实验室突破制造技术后，才正式发明锗晶体管[4]，而在此之前工业上大量使用真空电子管。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[5]。半导体的集成度以指数级递增，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。其中，设计环节主要依靠各种电子设计自动化（EDA）工具实现集成电路的逻辑设计；制造环节是根据集成电路逻辑在半导体材料上实现元器件的布局和构造；封装环节是对制造的集成电路固定在基板并使用保护材料封装的过程；测试环节是对制造完成的芯片进行逻辑验证。半导体设计和制造属于技术、资金、人才密集型产业，尤其半导体制造业，其设备复杂、材料众多、工艺流程繁杂。半导体设计、EDA 工具、关键制造设备及材料主要由美国、欧洲、日本公司垄断，相对于设计和制造，封装和测试的技术难度最低，最早扩散到发展中国家。
（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（ENIA
C），ENIAC具有17 840支电子管，每秒能运算5 000次加法。在ENIAC诞生之前，1938年，英国使用继电器成功研制出可自由编程使用二进制数的Z1计算机；1941年，美国爱荷华大学成功研制出第一台电子化的计算机阿塔纳索夫-贝瑞计算机（ABC）；1944年，美国万国商业机器公司（IBM）成功研制出采用继电器的“马克一号”计算机（MARK-1）（图1）。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。早期的计算机主要用于国防及大型科研部门的弹道和制导计算等领域；在电子管及晶体管时代，美国的计算机主要以战略需求为主，其技术水平和产业规模与苏联、英国等国接近，20世纪50年代苏联的“箭”计算机用更少的电子管实现了与美国大型计算机相当的性能，直到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[5]。随着多种操作系统和软件
①林肯实验室的前身是研制出雷达的麻省理工辐射实验室。
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。19世纪60年代，麦克斯韦提出电磁波理论，建立无线电技术的理论基础；1896年，马可尼发明无线电报；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。随着集成电路的大量采用，第二代移动通信技术（2G）凭借数字化和小型化优势推动通信市场高速发展，20世纪80年代，由欧洲的瑞典爱立信公司、芬兰诺基亚公司等主导的全球移动通信系统（GSM）成为最为广泛使用的2G，而美国高通公司、美国摩托罗拉公司、美国朗讯公司等企业推出的码分多址技术（CDMA）在竞争中处于落后状态。中国的无线通信产业在2G时代全面引进国外技术，并在第三代移动通信技术（3G）、第四代移动通信技术（4G）和第五代移动通信技术（5G）时期持续追赶，目前中国已经在全球通信领域取得领先地位。
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010（年）技术扩散
麻省理工学院雷达实验室
图1 美国半导体、数字计算机、无线电技术和产业的产生与演化
Figure 1　Generation and evolution of semiconductor, computer and radio technologies and industries of the United States
1.2 技术的产生与演化路径
由半导体、数字计算机、无线电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，不同技术在应用中互相组合、达到更好的效果[6]：半导体与电子计算机组合形成数字计算机、半导体与无线通信组合形成数字通信、通信与数字计算机融合形成互联网、移动通信与互联网组合形成移动互联网、数字计算机和操作系统与通信终端融合形成智能手机等。随着集成电路性能的提高，以及智能操作系统的普及，手机集成了通信、音乐、视频、游戏、办公、电子商务、学习等功能，通信设备产业规模远远超过数字计算机，通信设备与数字计算机的产业规模比例由1980年的3∶1增长到2000年的38∶1 。另外，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，只有少数技术适应市场需求得到幸存和发展[6-8]。
2 以科学为基础的技术创新及产业孵化的主要条件
2.1 战略需求
战略需求为美国的半导体、数字计算机和无线电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（图2）②。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，因此美国国家航空航天局（NASA）和美国军方是早期半导体企业的重要客户[10]。20世纪50年代末—70年代初，美国国防部承担了近50%的半导体研发费用。1959年，美国85%的电子研发费用由政府资助[5]；1949—1958年，美国贝尔实验室半导体研发费用的25%由美国军方资助[10]；由于国防订单量激增，1963年，美国仙童半导体公司的销售额达到13亿美元[10]。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2个关于美国一型八发动机远程战略轰炸机（B-52轰炸机）和防空系统的制导计算程序的项目[9]。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，其中无线通信已经得到大规模市场化应用，并依靠通信市场的巨额利润开展了大规模技术创新工作，美国摩托罗拉公司在移动通信市场获得巨大成功后进入半导体、太空通信与卫星通信领域，美国贝尔实验室则依靠美国国际电话电报公司的巨额研发投入成为美国最大的研发实验室，发明了晶体管、UNIX操作系统、C语言、光纤通信等众多变革性技术。可见，国家
战略需求能为前沿科技提供市场空间，对技术先进性的迫切需求加速了科学向技术的转化过程并推动其走向市场化。
2.2 资源聚集
美国大规模的战略需求形成了科学和技术资源的大规模聚集，包括研发投入总量、大科学工程、企业大规模研发投入及区域聚集4个方面。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、
②  National Science Foundation. Science & engineering indicators. [2023-09-29]. v/statistics/seind.
日本的投入之和才113亿美元[5]。② 大科学工程。由于美国麻省理工辐射实验室雷达计划、SAGE 工程、计划等一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。麻省理工辐射实验室雷达计划与SAGE 工程带动了美国雷神公司、IBM 、贝尔实验室、仙童半导体公司在电子、半导体及数字计算机相关产业的研发。1955年，IBM 有约8 000名员工为SAGE 工程工作[9]。大科学工程在知识探索和发现战略机会方面发挥了
超越组织和学科界限的核心作用，同时大科学工程的极端技术需求带动了企业的研发投入[11]。由此可见，大科学工程推动了科学理论发现、技术发明和产业诞生[3]。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。美国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，同时期欧洲只有德国西门子公司和荷兰皇家飞利浦公司的研发费用可以达到这种量级[5]，美国还有仙童半导体公司、德州仪器公司、
摩托罗拉公司、IBM 等公司的半导体研发投入同样巨大。数字计算机的诞生过程也是密集资源投入的过程，通用数字计算机系列S/360的总研发成本高达5亿美元，虽然美国政府承担近50%的研发费用，但巨额的研发投入几乎让IBM 破产，研发到最后阶段只能依靠紧急贷款维持经营[9]。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[10]，大科学工程进一步提高了资源的区域聚集度[8]。可见，聚集在大学研究机构所在地区域附近的大规模、高密度的创新资源为不同科技要素的充分交流和碰撞创造了必要条件。
2.3 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（图3）②，
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4 000
研发费用（亿美元）
百分比(%)
图2 1955—2015年美国研发投入费用及结构
Figure 2　Research and development expenses and structure of the United States from 1955 to 2015

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