突破關鍵核心技術“卡脖子”困境的路徑研究

王敏 銀路

經過改革開放40年的發展，我國建立起了全球最為完整的工業體系，但長期“反向工程”主導的科技創新模式，一方面導致產業創新系統碎片化，科技創新政策體系存在“孤島效應”，科技與產業“兩張皮”的問題沒有得到有效改善；另一方面導致科技創新過程中普遍存在“重工程輕基礎、重集成輕部件、重引進應用輕消化吸收”的現象，進而造成工業體系“基礎不牢”，極大制約了產業升級的路徑選擇。中美貿易摩擦標志著我國與主要發達國家的關系進入以科技競爭為核心的全面競爭階段，關鍵核心技術領域受制于人、嚴重依賴進口的情況則需要引起格外的重視。突破關鍵核心技術的“卡脖子”困境已成為我國確保關鍵核心技術自主可控，實現大國崛起的必然選擇。

雖然政府、科技和產業界對“卡脖子”問題高度關注并展開了廣泛討論，但對“卡脖子”問題突破的實現機制和具體路徑等問題，還存在較大分歧。因此，本文以鏈接科技與產業的關鍵核心技術為研究對象，對關鍵核心技術“卡脖子”困境的概念內涵和成因進行分析，進一步結合我國產業創新體系的多樣性，對關鍵核心技術“卡脖子”困境進行分類，在此基礎上，從技術和產業兩個層面針對不同的場景，提出解決“卡脖子”困境的技術突破機制和產業創新突破路徑，以期為國內產業關鍵核心技術突破“卡脖子”困境提供啟示。

關鍵核心技術是指在生產系統或技術系統中起關鍵或核心作用的技術，具有知識基礎密集默會、產業支撐帶動作用強的特征，是產業技術系統的共性基礎或是鏈接耦合的瓶頸環節。根據影響范圍和戰略意義的不同，關鍵核心技術可以分為“國家-產業-企業”三個層面。對企業來講，關鍵核心技術是指企業能夠進入某一領域并能在競爭中獲取優勢所必須擁有或掌握的技術；從產業層面來講，關鍵核心技術是支撐產業活動的關鍵技術環節的鏈接，是由關鍵制造技術、核心元件技術和產品構架技術鏈接而成的技術群，關鍵核心技術水平是決定產業國際競爭力的關鍵指標之一。國家層面的關鍵核心技術不僅要支撐經濟社會發展、國家安全對技術的需求，在新時期還要考慮發達國家對我國高新技術發展的遏制。

所謂“卡脖子”困境，是指國外對我國的專利壁壘、技術封鎖、投資限制、產品進出口限制和市場準入限制等導致關鍵核心技術被“卡脖子”的風險，以及由此引發的企業生存、技術發展、產業發展甚至是國防安全遭遇重大挑戰。關鍵核心技術“卡脖子”困境的成因有三：一是核心技術受制于人；二是技術引進渠道和技術合作伙伴單一；三是技術替代和儲備不足。

針對上述成因，本文提出破解“卡脖子”困境的兩條基本思路：一是提升自主創新能力，實現關鍵核心技術的進口替代；二是提高創新主體在開放條件下的全球科技資源配置能力。無論是通過自主創新還是全球開放合作實現關鍵核心技術創新突破，都必須充分考慮產業創新體系的差異。因為在科技創新鏈與產業價值鏈全球化分工不一致的背景下，我國不同產業領域關鍵核心技術創新突破的“機會窗口”和“產業化瓶頸”存在顯著差異：例如在航空發動機、光刻機等我國在全球處于“跟跑”的產業領域，全球產業鏈分工高度專業化、技術鏈耦合非常緊密，關鍵核心技術創新突破的機會主要在于“進口替代”，產業化瓶頸主要在于嵌入全球技術鏈所需要的知識積累門檻太高。而在5G和人工智能等處于“領跑或并跑”的戰略性新興產業領域，全球產業鏈和技術鏈正在形成和鏈接過程中，關鍵核心技術創新突破的主要“機會窗口”來自兩個方面：一是技術底層的科學基礎出現不連續性躍遷。二是“殺手級”應用領域的探索和發展；而實現產業帶動效應的主要瓶頸也來自兩個方面：一是技術范式和產業標準的不確定；二是新興技術商業化落地的配套環境不完善。

對應以上兩種情形，本文將關鍵核心技術“卡脖子”困境劃分為兩個基本類型：第一類稱之為傳統“卡脖子”困境。這類“卡脖子”困境主要存在于傳統產業、尤其是制造業領域，主要制約我國傳統產業升級的路徑選擇。傳統“卡脖子”困境是后發國家在產業追趕過程中普遍存在的，反映出發達國家與后發國家在產業國際競爭力方面的差距：顯性的差距主要表現為雙方在產業技術體系中的雙邊依賴程度是不對稱的、進而對全球產業鏈的控制和影響程度不同；而背后隱性的差距是雙方在相同產業部門的創新體系存在巨大差距（積累基礎、專業人才、產業配套等）。例如全球光刻機領軍企業荷蘭的ASML，其背后有10萬多訓練有素的產業專業技術人才的支撐，而三星等國際領先半導體企業的資本投入和股東身份，不僅可以保證AMSL持續的研發投入，也促進了技術研發更好地與市場需求相結合。而產業創新體系的“碎片化”，導致技術研發與客戶需求的脫節，技術研發成果難以實現產業轉化，進一步拉大了與國際領先水平的技術差距。

第二類“卡脖子”困境主要是針對新一代信息技術、生物技術等新興產業領域，本文稱之為 新興技術“卡脖子”陷阱。中美重點發展的新興產業中近半數相近，例如生物醫藥、信息技術產業、高端裝備制造業、新能源產業等4個產業均是中美重點發展的新興產業。對比來看，我國新興產業的規模比較大，但美國的技術比較強。中國主要在應用和模式創新方面取得了重大進展，在部分底層技術領域也有重點突破（例如人工智能），但基礎研究與領先國家還有一定的差距。2018年9月，美國通過《出口管制改革法案》，該法案明確了將新興關鍵技術納入到出口管理中。該法案為美國技術出口的清單式管理提供了開放的空間，出口管理部門有權將不在限制出口清單上的新興技術納入到出口管制范疇內。實施后中國通過并購獲取新興技術的通道變窄，進口新興技術的難度也將增加。因此在新興技術領域，要謹防由于基礎研究不足而陷入新的“卡脖子”困境。

關鍵核心技術突破典型情境劃分

托馬斯·庫恩（Thomas Kuhn）認為知識積累的任何進展都是由“困惑”、研究問題（關于困惑形成的共識）和方法促進的，這些研究問題和方法界定了科學范式。但是關于某個現象的“困惑”和理解該現象的方法之間存在張力：在我們將“困惑”抽象為研究問題的過程中包含著一些假設，這些假設引導我們選擇特定的方法。知識“突破”的挑戰在于，我們所選擇的方法可能會限制我們對現象的理解、或者產生偏見。相反地，選擇一個新的方法會有助于我們揭示潛在的假設或偏見，從而引導我們精煉或者重新定義問題。受這一觀點的啟發，結合技術的“模塊化”與“遞歸”特征，本文提出技術突破的本質是知識的重新組合，涉及兩類重要的知識：一類是與方法相關的知識，另一類是與問題相關的知識。根據這兩類知識的不確定性程度，我們將關鍵核心技術創新突破劃分為四種主要的知識重組情境：應用型、發明型、發現型和原創型（見圖1）。在應用型情境中，技術突破要解決的問題和方法相關的理論基礎都是明確的，突破的主要挑戰在于穩定性、可靠性、經濟性等產業鏈后端技術層面（光刻機、航空發動機等屬于此類）；在發明型情境中，要解決的問題是明確的，但解決方法的底層科學原理還處于不確定性之中，突破的挑戰在于方法知識不明確（基因和細胞療法）；發現型情境與發明型情境剛好相反，關于方法的科學原理和技術知識已經確定，但方法能夠解決的問題是不明確的，因此突破的挑戰在于發現合適的需要解決的問題（5G）；在原創型情境中，關于方法和問題的領域都是前沿的、新的，都面臨高度不確定性（AI，區塊鏈），因此創新突破的挑戰來自兩個方面：一方面是科學和技術原理知識創造積累，另一方面需要定義需要解決的問題，創造可能的需求。

技術突破的知識重組機制

技術創新的本質是知識的重新組合（Recombination），既包括不同領域科學知識的交叉融合，也包括對原有知識建立新的鏈接關系，或是新舊知識的再結合，而技術突破是通過尋找更好的知識組合方式形成的。建立在全新知識基礎上的突破性創新只是少數，更多的突破性創新是對現有科學知識的重新組合和集成。因此，本文提出“跨界組合”和“深度積累”是關鍵核心技術突破創新的兩個基礎性機制：“跨界組合”強調打破專業邊界，通過連接跨領域和多樣性的知識實現創造性的知識重新組合；“深度積累”強調在狹窄領域的深度探索，通過該領域新舊知識的重新組合發現實現技術突破的訣竅。

關鍵核心技術突破的知識重組策略組合

基于3.1部分技術突破的典型情境，本文構建了針對不同情境的知識重組策略組合模型（見圖1）。

在應用型情境中，要解決的問題和方法從理論上來說都是明確的，例如：在航空發動機領域，要解決的核心問題就是高壓渦輪葉片的制備，解決手段就是提高材料的耐高溫、耐高壓和強度極限，只有對每個領域的制約因素有充分的了解，并熟悉作用原理才可能實現突破，因此深度積累主導是技術突破的主要策略。

在發明型情境中，要解決的問題是明確的，但解決問題的方法是不明確的，例如：治療眼睛黃斑病變的生物抗體藥的創新，要解決的關鍵問題是抑制眼底新生血管的生成，但解決方法不明確，需要在所有相關知識領域跨界搜索，因此需要采取跨界組合主導（方法）的策略。

在發現型中，關于方法的知識是明確的，但要方法能夠解決的問題是不明確，例如，5G技術，其技術特性已經是完全明確的，但它到底能解決哪些問題（應用場景）是不明確的，需要跨越不同的領域邊界進行搜索，因此也應以跨界組合主導（問題）的策略為主。

在原創型中，方法和問題都存在著不確定性。以人工智能為例，現階段實現強人工智能的科學基礎和技術路線都是面臨不確定的，人工智能可以用來解決哪些問題、應用的主戰場在哪里，也還是不確定的。在這種情景下的關鍵核心技術突破創新，需要采取“跨界搜索”與“深度積累”的混合主導策略。

傳統“卡脖子”困境主要存在于成熟產業，全球產業鏈和技術鏈的分工已經穩定。由于產業技術軌道發展的路徑依賴和網絡效應，被“卡脖子”主要體現在兩個方面：一是高質量核心技術專利往往掌握在各產業領域的先發國家手中。以互聯網產業為例，上世紀90年代初剛興起時，全國發明專利授權數量僅1000件左右，而美國國內發明專利授權數已達到5萬件左右。產業基礎技術能力存在巨大差距，導致我國在互聯網底層技術領域受制于人。近年來我國專利申請數量雖然快速攀升，但高質量專利數量遠低于美國：美國三方專利數量占全世界比重超過1/4，2015 年為26.7%。中國三方專利數量僅為美國的1/5 左右（數據來源：戰略研究參考（中美貿易爭端專刊），中國科學技術發展戰略研究院，2019）。二是關鍵技術“進口替代”不足。例如東汽集團研發的新一代燃機輪機，其中已成功實現85%的進口替代，但15%的核心葉片技術卻無法實現進口替代。主要的難點在于不能很好解決極端條件下的精確和穩定。同樣的問題也存在于飛機發動機制造領域。從產業層面來看，產業關鍵核心技術的突破涉及“研發”和“產業化”兩個關鍵環節，因此要針對這兩個不同環節尋找合適的創新突破路徑：在研發環節，這類“卡脖子”困境主要覆蓋“應用型”和“發明型”場景，因此創新突破主要采用“深度積累主導”和“跨界組合（方法）主導”的知識整合策略。例如在航空發動機制造領域，突破技術瓶頸的關鍵是通過深度積累，獲取讓技術能夠實現高可靠性、高穩定性、高精度等應用目標的技術訣竅，在此過程中，可以通過方法知識的“跨界組合”，實現創新的效率，例如在尋找關鍵合金添加材料方面，可以引入“材料基因”新興技術，提高技術研發的效率。在產業化環節，這類“卡脖子”困境解決的主要思路是進口替代，因此主要覆蓋的場景是“發明型”場景，即通過尋找合適的利基市場，明確要解決的問題，為技術創新找到“用武之地”，進而通過需求拉動產業鏈的培育，例如i5數控機床的創新，就是以沈陽機床集團生產的機床為應用目標，通過互聯網技術與機床控制軟件的“跨界組合”實現數控技術的突破。

“卡脖子”陷阱主要存在于新興技術產業，全球的科技創新鏈和產業鏈格局還遠未形成。由于不同國家創新系統中研發投入結構及市場需求的巨大差異，“卡脖子”陷阱主要體現在兩個方面：一專利數量和質量的差距。從數量來看，以重點前沿技術領域專利為例，來自國家知識產權局的數據顯示，2016 年，涉及《中國制造2025》的十大技術領域中，美國發明專利授權數為8.8 萬件，占據世界總數的42%，中國發明專利授權數為5.5 萬件，雖然排名世界第二位，但也僅為美國的60%左右（數據來源：戰略研究參考（中美貿易爭端專刊），中國科學技術發展戰略研究院，2019）。從專利的質量來看，根據我們對石墨烯領域的專利導航研究也發現，我國在石墨烯領域的專利申請量已經位列全球第一，但產業化應用重點主要集中在復合材料、涂料、儲能等低端應用領域，而歐、美、日、韓等發達國家的專利布局則主要集中在半導體、晶體管、傳感器、集成電路等高端應用領域。二是企業的創新主體地位有差距，制約了新興技術的產業化潛力。即使在人工智能這樣的新興技術領域，中國企業的創新主體地位也遠為呈現，在全球AI高水平論文產出最多的20個機構中，中國的大學和研究院所表現亮眼，占據5席，美國有7家；而在全球AI高水平論文產出最多的13個企業中，中國沒有一家企業上榜（數據來源：《中國人工智能發展報告2018》，清華大學中國科技政策研究中心）。因此，從產業層面來看，新興技術產業發展過程中要避免 “卡脖子”陷阱，其在“研發”和“產業化”兩個環節也面臨不同的創新突破情境：在研發階段，主要覆蓋“原創型”場景，創新突破主要采用“跨界組合-深度積累混合主導”的知識整合策略。例如在人工智能、區塊鏈等新興技術產業領域，不僅其底層的技術原理還處于變化發展中，面臨著不確定性，關于這些技術能夠解決現有（或潛在）生產生活中哪些問題，仍然處于探索中，缺乏共識（明確定義的問題）。因此要避免這類領域被發達國家通過知識產權“卡脖子”的潛在瓶頸，不僅要加強底層科學原理的研究，從知識基礎深化和跨領域搜索兩個方面擴大“方法知識”重新組合的供給；也要加強技術應用落地的工程化和產品化技術開發，通過工程經驗積累和跨場景組合，擴大“問題知識”的供給，通過“方法-問題”兩方面知識供給的豐富來拓展新興技術產業創新爆發的“跨界組合”機會空間，引領新興技術產業發展方向。在新興技術產業化環節，創新突破要解決的挑戰主要面臨“發現型”和“發明型”兩種場景。前者主要面向不同行業領域展開大量的應用性解決方案探索，進而找到合適的應用場景為新興技術創造新的需求，并通過示范性應用打造產業創新生態系統（例如，AI+、區塊鏈+等概念所示），這一場景創新突破的驅動力主要是來自新興技術企業。后者主要是針對特定應用領域的需求，尋找合適的技術解決方案。例如，上汽集團在明確“最后一公里自動泊車”這一需求后，在全球范圍內尋找合適的解決方案供應商，這一場景創新突破的驅動力往往是來自傳統產業的在位企業。無論是“發現型”還是“發明型”場景，創新突破的主導策略都是“跨界搜索”，前者主要跨越的是行業邊界，而后者主要跨越的是技術邊界。

本文受國家自然科學基金資助項目資助（71772027）；廣東省軟科學項目（2020A1010020008）資助；中央高校基本科研業務費項目（ZYGX2016J245）資助