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《2012高技術(shù)發(fā)展報(bào)告》是中國科學(xué)院面向公眾、面向決策人員的系列年度報(bào)告——《高技術(shù)發(fā)展報(bào)告》的第十三本。全書在綜述2011年高技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)的同時(shí)，以信息技術(shù)為主題，著重介紹了信息技術(shù)和信息化新進(jìn)展、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展情況與方向、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力與國際競爭力、高技術(shù)與社會(huì)等人們普遍關(guān)注的重大問題，提出了若干促進(jìn)我國高技術(shù)及高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思路和政策建議。
本報(bào)告有助于社會(huì)公眾了解高技術(shù)，特別是信息技術(shù)、信息化、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)與思路，可供各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)干部、有關(guān)決策部門和社會(huì)公眾參考。

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2011年高技術(shù)發(fā)展綜述
任中保
（中國科學(xué)院科技政策與管理科學(xué)研究所）
2011年，美國發(fā)布《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略：確保經(jīng)濟(jì)增長與繁榮》，日本圍繞“綠色創(chuàng)新”和“生活創(chuàng)新”兩個(gè)主題實(shí)施329項(xiàng)最尖端研究開發(fā)項(xiàng)目，俄羅斯總統(tǒng)令確定未來幾年科技發(fā)展優(yōu)先方向并出臺(tái)《俄羅斯聯(lián)邦2020年前創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，德國實(shí)施《納米技術(shù)2015行動(dòng)計(jì)劃》、《生物經(jīng)濟(jì)2030國家研究戰(zhàn)略》、《面向環(huán)保、可靠和廉價(jià)的能源供應(yīng)研究》和《可再生原料研究計(jì)劃》等計(jì)劃，韓國公布《2020年產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略思路》和《云計(jì)算擴(kuò)散和加強(qiáng)競爭力的戰(zhàn)略計(jì)劃》，巴西宣布實(shí)施《巴西更大計(jì)劃》，這些都昭示著世界高技術(shù)研發(fā)掀起了新一輪的激烈競爭。2011年是我國“十二五”規(guī)劃的開局之年，國家發(fā)布了《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》和《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，為高技術(shù)研發(fā)指明了方向�；仡�2011年世界高技術(shù)發(fā)展成就，總體呈現(xiàn)出一片生機(jī)盎然的景象，正在深刻地改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)生活方式。
一、信息技術(shù)
回顧2011年，信息技術(shù)仍在繼續(xù)向國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域滲透，石墨烯片集成電路、三維芯片結(jié)構(gòu)、慢速內(nèi)存和快速內(nèi)存“合二為一”的新存儲(chǔ)器、新的數(shù)據(jù)傳輸方式等重大成果的不斷涌現(xiàn)，為開辟信息技術(shù)發(fā)展新空間提供了新思路，重要先進(jìn)成果的應(yīng)用也正在改變著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。
1.高性能計(jì)算機(jī)
2011年6月，國際TOP500組織網(wǎng)站上公布了全球超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500排行榜，日本超級(jí)計(jì)算機(jī)“京”以8162萬億次/秒的實(shí)測運(yùn)算速度躋身榜首，中國的“天河一號(hào)”排名降至第二。“京”由日本富士通公司和日本理化研究所合作開發(fā)，共用864座機(jī)柜，連接超過8.8萬塊CPU，運(yùn)算速度可以達(dá)到1.051萬萬億次/秒，是全球首款運(yùn)算速度越過1萬萬億次/秒大關(guān)的超級(jí)運(yùn)算機(jī)器。11月，我國首臺(tái)實(shí)測性能超千萬億次/秒的超級(jí)計(jì)算機(jī)曙光“星云”在國家超級(jí)計(jì)算深圳中心正式運(yùn)行。該計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力相當(dāng)于20萬臺(tái)個(gè)人電腦運(yùn)算能力的總和，能大大緩解我國華南地區(qū)乃至東南亞地區(qū)高性能計(jì)算能力緊張的局面，將在新能源開發(fā)、新材料研制、自然災(zāi)害預(yù)警分析、氣象預(yù)報(bào)、地質(zhì)勘探、工業(yè)仿真模擬等眾多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。12月，美國普度大學(xué)研發(fā)出“無源光學(xué)二極管”，它由直徑為頭發(fā)直徑1/10的兩個(gè)微小硅質(zhì)環(huán)狀物制成，具有體積極小、無需外部能源就能傳播信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，有望大大提高超級(jí)計(jì)算機(jī)的信息處理速度和能力。12月，韓國高等研究院（KoreaInstituteforAdvancedStudy）利用“Tachyon二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)完成了迄今為止規(guī)模最大的宇宙模擬，歷時(shí)20天，對(duì)大約3740億個(gè)顆粒進(jìn)行了分析，涵蓋區(qū)域相當(dāng)于可觀測宇宙的2/3左右。
2.量子通信
2011年1月，加拿大卡爾加里大學(xué)首次成功在一種特殊晶體中存入光量子糾纏態(tài)的編碼信息。該項(xiàng)研究成果是量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)里程碑，有望在不久的將來使量子網(wǎng)絡(luò)變成現(xiàn)實(shí)［1］。2月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的科學(xué)家首次在兩個(gè)分隔的帶電原子之間建立了直接運(yùn)動(dòng)耦合，實(shí)現(xiàn)了原子之間的單量子能量交換，簡化了信息處理過程，這一技術(shù)有望用在量子網(wǎng)絡(luò)中［2］。3月，美國加利福尼亞大學(xué)（簡稱加州大學(xué)）圣塔芭芭拉分校的科學(xué)家采用RezQu架構(gòu)，研發(fā)出了一塊6厘米×6厘米的芯片，該芯片中的9塊量子設(shè)備均有4個(gè)量子比特執(zhí)行運(yùn)算。雖然距離100個(gè)量子比特執(zhí)行運(yùn)算的目標(biāo)還很遠(yuǎn)，但這種具有很強(qiáng)可擴(kuò)展性的架構(gòu)有望讓量子計(jì)算機(jī)問世。5月，德國馬克斯普朗克協(xié)會(huì)量子光學(xué)研究所的科學(xué)家首次成功實(shí)現(xiàn)了單原子存儲(chǔ)量子信息―
將單個(gè)光子的量子狀態(tài)寫入一個(gè)銣原子中，180微秒后將其讀出。該項(xiàng)研究成果將有助于設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，以及遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建“量子網(wǎng)絡(luò)”。9月，英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了單個(gè)電子在兩點(diǎn)間往返運(yùn)動(dòng)，有望解決電子攜帶的量子信息丟失問題。10月，美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家研制出一種微型的“電子高速公路”―
量子自旋霍爾拓?fù)浣^緣體。這種微型設(shè)備可用于制造量子計(jì)算機(jī)所需的量子比特，這一成果將大大促進(jìn)量子計(jì)算機(jī)發(fā)展。
3.信息傳輸
2011年2月，美國英特爾公司推出了名為“雷霆”的新型高速連接技術(shù)。該技術(shù)將計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備連接在一起，理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10Gbps，使用戶方便地獲得高速數(shù)據(jù)傳輸和高清屏幕顯示服務(wù)。3月，德國弗朗霍夫協(xié)會(huì)海因里希-赫茲研究所與丹麥技術(shù)大學(xué)在長度為29千米的單一玻璃光纖線路上，創(chuàng)造了每秒傳輸10.2太比特（相當(dāng)于240張DVD光盤存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量）的光纖傳輸速率紀(jì)錄。5月，美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員將石墨烯鋪展在一個(gè)硅波導(dǎo)管的頂部，研制出能打開或關(guān)閉光的光調(diào)制器，目前的調(diào)制速度達(dá)到1吉赫茲，理論調(diào)制速度可達(dá)500吉赫茲。該項(xiàng)研究成果有望在實(shí)際應(yīng)用中大幅提高數(shù)據(jù)包傳輸速度，實(shí)現(xiàn)超快數(shù)據(jù)通信。5月，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的科學(xué)家成功完成了在一秒鐘內(nèi)為26太比特的數(shù)據(jù)編碼、輸出50千米再成功解碼的實(shí)驗(yàn)，這是迄今用單一激光束傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量，每秒傳輸約700張DVD光盤的數(shù)據(jù)。7月，IBM公司演示了最新的多位相變存儲(chǔ)器，使用4個(gè)不同的阻值區(qū)來存儲(chǔ)字節(jié)組合“00”、“01”、“10”和“11”，具有速度快、耐用、非揮發(fā)性和高密度性等多種優(yōu)點(diǎn)，讀寫數(shù)據(jù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)的速度是現(xiàn)有閃存的100倍。
4.信息存儲(chǔ)
2011年1月，美國北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員開發(fā)出可使慢速內(nèi)存和快速內(nèi)存“合二為一”的新器件。它能同時(shí)執(zhí)行易失性和非易失性器件的功能，將其用于主存儲(chǔ)器中，有望徹底改變計(jì)算機(jī)內(nèi)存技術(shù)。8月，南安普敦大學(xué)的科學(xué)家用激光使玻璃塊中的原子重新排列，讓其“變身”為新式存儲(chǔ)器，其具有體積小、存儲(chǔ)能力強(qiáng)、防水、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，壽命可達(dá)幾千年，使海量信息長時(shí)間安全存儲(chǔ)成為可能。8月，通用電氣全球研發(fā)中心研發(fā)出500GB大容量全息光盤，達(dá)到了藍(lán)光光盤相同的刻錄速度，同時(shí)全息光盤的最高容量可以達(dá)到藍(lán)光或DVD光盤的20～50倍，極大地提升了光盤存儲(chǔ)容量。10月，新加坡科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的硬盤制造方法，通過添加氯化鈉即可將硬盤數(shù)據(jù)記錄密度增加到每英寸記錄3.3太比特，是現(xiàn)有存儲(chǔ)密度的6倍。
5.集成電路
2011年4月，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研制成功我國第一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相變存儲(chǔ)器（PCRAM）芯片，存儲(chǔ)容量為8MB，有望被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、射頻識(shí)別等多種消費(fèi)電子產(chǎn)品中。4月，西安交通大學(xué)研制成功集成度約350萬門的高清立體顯示處理芯片HMD100，具有體積小、功耗低、視場大（60～70英寸）、沉浸感強(qiáng)等特點(diǎn)，在消費(fèi)電子、虛擬現(xiàn)實(shí)、國防、醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。5月，美國英特爾公司研發(fā)出可大規(guī)模生產(chǎn)的“三柵”晶體管，它是一種三維晶體管，不僅可以實(shí)現(xiàn)電子平面?zhèn)鲗?dǎo)，而且還可以實(shí)現(xiàn)電子沿鰭狀突起物三面?zhèn)鲗?dǎo)。同時(shí)，英特爾公司還展示了采用該三維晶體管制成的22納米微處理器―
常春藤橋，與目前處理器相比，它的運(yùn)算性能可提高37%，耗電降低約一半，這是集成電路領(lǐng)域發(fā)展中十分重要的突破。6月，美國IBM公司在一塊碳化硅晶圓的硅面上種植石墨烯，研制出了首款由石墨烯制成的集成電路，混頻最多可達(dá)10吉赫茲，且可承受125℃的高溫，把用石墨烯圓片來替代硅晶片制造計(jì)算機(jī)芯片的夢想推向了前進(jìn)。8月，美國IBM公司公布了最新研究成果―
一種可以模擬人腦處理信息方式的認(rèn)知計(jì)算機(jī)芯片。該芯片由兩個(gè)沒有任何生物成分、完全由硅電路組成的芯片構(gòu)成，能夠讓計(jì)算機(jī)具有導(dǎo)航、機(jī)器視覺、模式識(shí)別、聯(lián)系記憶及分類等功能。
6.互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信
2011年1月，中國互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)網(wǎng)“天地圖”正式上線運(yùn)行。它集成了海量基礎(chǔ)地理信息資源，可以向社會(huì)公眾提供權(quán)威、可信、統(tǒng)一的在線地圖服務(wù)，是中國區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)資源最全的互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)網(wǎng)站。8月，英國愛丁堡大學(xué)的科學(xué)家在普通燈泡中植入電子裝置，研發(fā)出一種被稱之為“l(fā)ightfidelity”（Li-fi）的全新無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，它利用光線強(qiáng)度的微弱變化來傳輸數(shù)據(jù)，成本卻比Wi-Fi（wirelessfidelity）廉價(jià)很多。8月，英國南安普敦大學(xué)的科研人員發(fā)布了一個(gè)零成本向萬維網(wǎng)發(fā)送大型文件的新系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以幫助用戶把大型文件傳送到網(wǎng)上，發(fā)送速度比通過電子郵件快很多。9月，美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家通過改造多輸入輸出天線系統(tǒng)，研制出全雙工（數(shù)據(jù)發(fā)送和接收同步進(jìn)行）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能在不新建發(fā)射塔情況下使無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量增加一倍。10月，歐盟委員會(huì)決定整合各成員國資源，大力發(fā)展泛歐衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)歐洲“無死角”通話、高速上網(wǎng)和收看電視。
二、生物和醫(yī)藥技術(shù)
2011年，合成生物領(lǐng)域的若干重大發(fā)明正在改變?nèi)藗儗?duì)世界的認(rèn)識(shí)，多種致病基因的發(fā)現(xiàn)正在積累破解重大疾病難題的關(guān)鍵信息，癌癥和艾滋�。ㄈ祟惈@得性免疫缺陷綜合征）等重大疾病防治研究取得了系列重要突破，瘧疾、病毒性肝炎新的治療手段的出現(xiàn)，以及廣譜抗菌新藥的發(fā)現(xiàn)和上市正在改變?nèi)藗兊纳�，全球生物技術(shù)開發(fā)已經(jīng)成為最為活躍的高技術(shù)研究領(lǐng)域。
1.致病基因發(fā)掘
2011年2月，我國醫(yī)學(xué)免疫學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過深度測序技術(shù)進(jìn)行人正常肝臟、病毒性肝炎肝臟、肝硬化肝臟和人肝癌肝臟微小RNA（microRNA）組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了microRNA-199表達(dá)高低與肝癌患者預(yù)后密切相關(guān)，證明microRNA-199能夠靶向抑制促肝癌激酶分子PAK4從而顯著抑制肝癌生長，為肝癌的預(yù)后判斷與生物治療提供了新的潛在靶標(biāo)［3］。2月，英國布里斯托爾大學(xué)的科學(xué)家通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，PLA2R1和HLA-DQA1基因與特發(fā)性膜性腎病密切相關(guān)，攜有這兩個(gè)基因的人發(fā)生特發(fā)性膜性腎病的可能性高達(dá)78.5%，這為治療特發(fā)性膜性腎病提供了新信息。3月，英國劍橋大學(xué)和加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的研究人員通過乳腺癌腫瘤細(xì)胞與正常健康細(xì)胞中基因活性對(duì)比，發(fā)現(xiàn)ZNF703基因在雌激素受體陽性乳腺癌腫瘤中極其活躍，該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于乳腺癌的治療具有重要意義。［4］ 8月，由英國和美國等國家組成的一個(gè)國際研究小組對(duì)9772名多發(fā)性硬化癥患者以及17376名健康人群進(jìn)行了DNA分析研究，確認(rèn)了此前已知的23個(gè)與多發(fā)性硬化癥有關(guān)的基因，并發(fā)現(xiàn)了29個(gè)與此疾病相關(guān)的新基因。8月，英國科學(xué)家通過基因?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，RAD51D基因有缺陷的女性患卵巢癌的幾率為1/11。該發(fā)現(xiàn)對(duì)于尋找卵巢癌預(yù)防方法和治療新藥具有重要意義。［5］ 9月，由英國和美國等國家科學(xué)家組成國際研究小組發(fā)現(xiàn)，C9orf72［6］基因與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病密切相關(guān)，有近40%的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病由該基因變異引起。
2.基因組測序
2011年1月，英國帝國理工學(xué)院的科學(xué)家攻克了超快DNA隧道測序設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，第一次證明能在納米孔平臺(tái)上同時(shí)進(jìn)行隧道檢測和DNA分子的離子電流檢測，開發(fā)出了納米孔測序原型裝置，以此開發(fā)出的大裝置理論上能在幾分鐘內(nèi)完成個(gè)人基因組的測序，且測序成本將大大下降［7］。2月，美國印第安納州大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組完成了對(duì)水蚤的基因組測序，發(fā)現(xiàn)其基因數(shù)量比已知所有動(dòng)物還要多，這是科學(xué)家第一次完成的甲殼類動(dòng)物基因組測序［8］。7月，由中國科學(xué)家牽頭，共14個(gè)國家97名研究人員組成的國際研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過6年的努力，完成了馬鈴薯基因組測序，并通過比較基因組分析發(fā)現(xiàn)了影響薯塊生長發(fā)育和病蟲害抗性的重要基因，為進(jìn)一步了解雙子葉植物的進(jìn)化路徑提供了分子生物學(xué)新知識(shí)；8月，該國際研究小組共同完成了白菜全基因組測序。這項(xiàng)成果有助于白菜類作物和其他蕓薹屬作物的遺傳改良。［9］ 9月，英國科學(xué)家完成了17個(gè)關(guān)鍵小鼠基因組的測序工作，發(fā)現(xiàn)了廣泛的基因變異，為了解功能變異體的分子性質(zhì)提出了新見解［10］。11月，馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員公布了帝王蝶基因組序列，分析了負(fù)責(zé)視圖、生物鐘和方向性飛行的基因，解析了蝴蝶能記住遷徙過程中的時(shí)間和空間的原因［11］。
3.生物合成
2011年1月，美國普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家首次使用人造基因合成出了能維持活細(xì)胞生長的人造蛋白質(zhì)，其功能同自然界中存在的蛋白質(zhì)相同。這項(xiàng)成果有助于科學(xué)家研制出新的生物系統(tǒng)［12］。9月，美國約翰?霍普金斯大學(xué)的研究人員對(duì)酵母的兩個(gè)染色體片段進(jìn)行改造，在刪除其中重復(fù)的部分基因序列后，添加了一些人工合成的基因序列，酵母仍能正常存活。這是人類首次人工合成真核生物部分基因組［13］。9月，美國加利福尼亞薩克生物研究所的科學(xué)家把非天然氨基酸整合入蛋白質(zhì)的多處，成功制造出了一個(gè)可用的、擁有多處包含非天然氨基酸的蛋白質(zhì)細(xì)菌菌株。該菌株可廣泛應(yīng)用于藥物研發(fā)、藥物合成、生物燃料等領(lǐng)域［14］。9月，英國格拉斯哥大學(xué)的科學(xué)家使用由鎢（占大多數(shù)）和其他金屬原子、氧、磷結(jié)合形成的巨型分子，成功地制造出了類似于細(xì)胞的氣泡，其具有一些類似生命的特征。科學(xué)家還希望誘使這些氣泡演變成完全無機(jī)的能自我復(fù)制的實(shí)體，以此證明存在著完全基于金屬（無機(jī)物）的生命［15］。11月，美國能源部下屬的聯(lián)合生物能源研究所的科學(xué)家使用合成生物學(xué)方法，修改了大腸桿菌和一個(gè)釀酒酵母的菌株，制造出了沒藥烷的前體物沒藥烯，對(duì)沒藥烯進(jìn)行加氫反應(yīng)后生成的沒藥烷是一種綠色生物燃料，有替代D2柴油的潛力［16］。

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