《2012高技术发展报告》是中国科学院面向公众、面向决策人员的系列年度报告——《高技术发展报告》的第十三本。全书在综述2011年高技术发展动态的同时，以信息技术为主题，着重介绍了信息技术和信息化新进展、战略性新兴产业技术发展情况与方向、高技术产业创新能力与国际竞争力、高技术与社会等人们普遍关注的重大问题，提出了若干促进我国高技术及高技术产业发展的思路和政策建议。
本报告有助于社会公众了解高技术，特别是信息技术、信息化、战略性新兴产业技术的发展动态与思路，可供各级领导干部、有关决策部门和社会公众参考。
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存储传输方式不断革新，引领信息产业全新方向卫星导航系统重要性凸显，新型飞机将更小更快全新概念的量子电路有望引发新一轮的技术革命节能、环保、特种材料加速可持续发展时代到来不断发现致病基因，累积攻克重大疾病关键信息能源技术的不断突破，加速破解能源和环境危机基于云架构的新型网络体系结构已成为重要方向智能机器人将成为“第一生产力”体系的引领者。
2011年高技术发展综述
任中保
（中国科学院科技政策与管理科学研究所）
2011年，美国发布《美国创新战略：确保经济增长与繁荣》，日本围绕“绿色创新”和“生活创新”两个主题实施329项最尖端研究开发项目，俄罗斯总统令确定未来几年科技发展优先方向并出台《俄罗斯联邦2020年前创新发展战略》，德国实施《纳米技术2015行动计划》、《生物经济2030国家研究战略》、《面向环保、可靠和廉价的能源供应研究》和《可再生原料研究计划》等计划，韩国公布《2020年产业技术创新战略思路》和《云计算扩散和加强竞争力的战略计划》，巴西宣布实施《巴西更大计划》，这些都昭示着世界高技术研发掀起了新一轮的激烈竞争。2011年是我国“十二五”规划的开局之年，国家发布了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》和《国家“十二五”科学和技术发展规划》，为高技术研发指明了方向。回顾2011年世界高技术发展成就，总体呈现出一片生机盎然的景象，正在深刻地改变人类的生产生活方式。
一、信息技术
回顾2011年，信息技术仍在继续向国民经济和社会的各个领域渗透，石墨烯片集成电路、三维芯片结构、慢速内存和快速内存“合二为一”的新存储器、新的数据传输方式等重大成果的不断涌现，为开辟信息技术发展新空间提供了新思路，重要先进成果的应用也正在改变着信息产业的发展方向。
1.高性能计算机
2011年6月，国际TOP500组织网站上公布了全球超级计算机TOP500排行榜，日本超级计算机“京”以8162万亿次/秒的实测运算速度跻身榜首，中国的“天河一号”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开发，共用864座机柜，连接超过8.8万块CPU，运算速度可以达到1.051万万亿次/秒，是全球首款运算速度越过1万万亿次/秒大关的超级运算机器。11月，我国首台实测性能超千万亿次/秒的超级计算机曙光“星云”在国家超级计算深圳中心正式运行。该计算机的运算能力相当于20万台个人电脑运算能力的总和，能大大缓解我国华南地区乃至东南亚地区高性能计算能力紧张的局面，将在新能源开发、新材料研制、自然灾害预警分析、气象预报、地质勘探、工业仿真模拟等众多领域发挥重要作用。12月，美国普度大学研发出“无源光学二极管”，它由直径为头发直径1/10的两个微小硅质环状物制成，具有体积极小、无需外部能源就能传播信号的优点，有望大大提高超级计算机的信息处理速度和能力。12月，韩国高等研究院（KoreaInstituteforAdvancedStudy）利用“Tachyon二号”超级计算机完成了迄今为止规模最大的宇宙模拟，历时20天，对大约3740亿个颗粒进行了分析，涵盖区域相当于可观测宇宙的2/3左右。
2.量子通信
2011年1月，加拿大卡尔加里大学首次成功在一种特殊晶体中存入光量子纠缠态的编码信息。该项研究成果是量子网络发展的一个里程碑，有望在不久的将来使量子网络变成现实［1］ 。2月，美国国家标准与技术研究院的科学家首次在两个分隔的带电原子之间建立了直接运动耦合，实现了原子之间的单量子能量交换，简化了信息处理过程，这一技术有望用在量子网络中［2］ 。3月，美国加利福尼亚大学（简称加州大学）圣塔芭芭拉分校的科学家采用RezQu架构，研发出了一块6厘米×6厘米的芯片，该芯片中的9块量子设备均有4个量子比特执行运算。虽然距离100个量子比特执行运算的目标还很远，但这种具有很强可扩展性的架构有望让量子计算机问世。5月，德国马克斯普朗克协会量子光学研究所的科学家首次成功实现了单原子存储量子信息―
将单个光子的量子状态写入一个铷原子中，180微秒后将其读出。该项研究成果将有助于设计出功能强大的量子计算机，以及远距离联网构建“量子网络”。9月，英国剑桥大学的科学家实现了单个电子在两点间往返运动，有望解决电子携带的量子信息丢失问题。10月，美国莱斯大学的科学家研制出一种微型的“电子高速公路”―
量子自旋霍尔拓扑绝缘体。这种微型设备可用于制造量子计算机所需的量子比特，这一成果将大大促进量子计算机发展。
3.信息传输
2011年2月，美国英特尔公司推出了名为“雷霆”的新型高速连接技术。该技术将计算机和其他设备连接在一起，理论最大数据传输速率可达10Gbps，使用户方便地获得高速数据传输和高清屏幕显示服务。3月，德国弗朗霍夫协会海因里希-赫兹研究所与丹麦技术大学在长度为29千米的单一玻璃光纤线路上，创造了每秒传输10.2太比特（相当于240张DVD光盘存储的数据量）的光纤传输速率纪录。5月，美国加州大学伯克利分校的研究人员将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部，研制出能打开或关闭光的光调制器，目前的调制速度达到1吉赫兹，理论调制速度可达500吉赫兹。该项研究成果有望在实际应用中大幅提高数据包传输速度，实现超快数据通信。5月，德国卡尔斯鲁厄理工学院的科学家成功完成了在一秒钟内为26太比特的数据编码、输出50千米再成功解码的实验，这是迄今用单一激光束传输的最大数据量，每秒传输约700张DVD光盘的数据。7月，IBM公司演示了最新的多位相变存储器，使用4个不同的阻值区来存储字节组合“00”、“01”、“10”和“11”，具有速度快、耐用、非挥发性和高密度性等多种优点，读写数据和恢复数据的速度是现有闪存的100倍。
4.信息存储
2011年1月，美国北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出可使慢速内存和快速内存“合二为一”的新器件。它能同时执行易失性和非易失性器件的功能，将其用于主存储器中，有望彻底改变计算机内存技术。8月，南安普敦大学的科学家用激光使玻璃块中的原子重新排列，让其“变身”为新式存储器，其具有体积小、存储能力强、防水、耐高温等优点，寿命可达几千年，使海量信息长时间安全存储成为可能。8月，通用电气全球研发中心研发出500GB大容量全息光盘，达到了蓝光光盘相同的刻录速度，同时全息光盘的最高容量可以达到蓝光或DVD光盘的20～50倍，极大地提升了光盘存储容量。10月，新加坡科学家发现了一种新的硬盘制造方法，通过添加氯化钠即可将硬盘数据记录密度增加到每英寸记录3.3太比特，是现有存储密度的6倍。
5.集成电路
2011年4月，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制成功我国第一款具有自主知识产权的相变存储器（PCRAM）芯片，存储容量为8MB，有望被广泛应用于手机、射频识别等多种消费电子产品中。4月，西安交通大学研制成功集成度约350万门的高清立体显示处理芯片HMD100，具有体积小、功耗低、视场大（60～70英寸）、沉浸感强等特点，在消费电子、虚拟现实、国防、医疗、远程教育等领域都具有广阔的应用前景。5月，美国英特尔公司研发出可大规模生产的“三栅”晶体管，它是一种三维晶体管，不仅可以实现电子平面传导，而且还可以实现电子沿鳍状突起物三面传导。同时，英特尔公司还展示了采用该三维晶体管制成的22纳米微处理器―
常春藤桥，与目前处理器相比，它的运算性能可提高37%，耗电降低约一半，这是集成电路领域发展中十分重要的突破。6月，美国IBM公司在一块碳化硅晶圆的硅面上种植石墨烯，研制出了首款由石墨烯制成的集成电路，混频最多可达10吉赫兹，且可承受125℃的高温，把用石墨烯圆片来替代硅晶片制造计算机芯片的梦想推向了前进。8月，美国IBM公司公布了最新研究成果―
一种可以模拟人脑处理信息方式的认知计算机芯片。该芯片由两个没有任何生物成分、完全由硅电路组成的芯片构成，能够让计算机具有导航、机器视觉、模式识别、联系记忆及分类等功能。
6.互联网与移动通信
2011年1月，中国互联网地图服务网“天地图”正式上线运行。它集成了海量基础地理信息资源，可以向社会公众提供权威、可信、统一的在线地图服务，是中国区域内基础地理信息数据资源最全的互联网地图服务网站。8月，英国爱丁堡大学的科学家在普通灯泡中植入电子装置，研发出一种被称之为“lightfidelity”（Li-fi）的全新无线数据传输装置，它利用光线强度的微弱变化来传输数据，成本却比Wi-Fi（wirelessfidelity）廉价很多。8月，英国南安普敦大学的科研人员发布了一个零成本向万维网发送大型文件的新系统。该系统可以帮助用户把大型文件传送到网上，发送速度比通过电子邮件快很多。9月，美国莱斯大学的科学家通过改造多输入输出天线系统，研制出全双工（数据发送和接收同步进行）无线网络技术，能在不新建发射塔情况下使无线网络吞吐量增加一倍。10月，欧盟委员会决定整合各成员国资源，大力发展泛欧卫星移动通信服务，实现欧洲“无死角”通话、高速上网和收看电视。
二、生物和医药技术
2011年，合成生物领域的若干重大发明正在改变人们对世界的认识，多种致病基因的发现正在积累破解重大疾病难题的关键信息，癌症和艾滋病（人类获得性免疫缺陷综合征）等重大疾病防治研究取得了系列重要突破，疟疾、病毒性肝炎新的治疗手段的出现，以及广谱抗菌新药的发现和上市正在改变人们的生活，全球生物技术开发已经成为最为活跃的高技术研究领域。
1.致病基因发掘
2011年2月，我国医学免疫学国家重点实验室的研究人员通过深度测序技术进行人正常肝脏、病毒性肝炎肝脏、肝硬化肝脏和人肝癌肝脏微小RNA（microRNA）组学分析，发现了microRNA-199表达高低与肝癌患者预后密切相关，证明microRNA-199能够靶向抑制促肝癌激酶分子PAK4从而显著抑制肝癌生长，为肝癌的预后判断与生物治疗提供了新的潜在靶标［3］ 。2月，英国布里斯托尔大学的科学家通过数据分析发现，PLA2R1和HLA-DQA1基因与特发性膜性肾病密切相关，携有这两个基因的人发生特发性膜性肾病的可能性高达78.5%，这为治疗特发性膜性肾病提供了新信息。3月，英国剑桥大学和加拿大不列颠哥伦比亚大学的研究人员通过乳腺癌肿瘤细胞与正常健康细胞中基因活性对比，发现ZNF703基因在雌激素受体阳性乳腺癌肿瘤中极其活跃，该项发现对于乳腺癌的治疗具有重要意义。［4］ 8月，由英国和美国等国家组成的一个国际研究小组对9772名多发性硬化症患者以及17376名健康人群进行了DNA分析研究，确认了此前已知的23个与多发性硬化症有关的基因，并发现了29个与此疾病相关的新基因。8月，英国科学家通过基因对比发现，RAD51D基因有缺陷的女性患卵巢癌的几率为1/11。该发现对于寻找卵巢癌预防方法和治疗新药具有重要意义。［5］ 9月，由英国和美国等国家科学家组成国际研究小组发现，C9orf72［6］ 基因与运动神经元疾病密切相关，有近40%的运动神经元疾病由该基因变异引起。
2.基因组测序
2011年1月，英国帝国理工学院的科学家攻克了超快DNA隧道测序设备的关键技术，第一次证明能在纳米孔平台上同时进行隧道检测和DNA分子的离子电流检测，开发出了纳米孔测序原型装置，以此开发出的大装置理论上能在几分钟内完成个人基因组的测序，且测序成本将大大下降［7］ 。2月，美国印第安纳州大学科学家领导的国际研究小组完成了对水蚤的基因组测序，发现其基因数量比已知所有动物还要多，这是科学家第一次完成的甲壳类动物基因组测序［8］ 。7月，由中国科学家牵头，共14个国家97名研究人员组成的国际研究团队经过6年的努力，完成了马铃薯基因组测序，并通过比较基因组分析发现了影响薯块生长发育和病虫害抗性的重要基因，为进一步了解双子叶植物的进化路径提供了分子生物学新知识；8月，该国际研究小组共同完成了白菜全基因组测序。这项成果有助于白菜类作物和其他芸薹属作物的遗传改良。［9］ 9月，英国科学家完成了17个关键小鼠基因组的测序工作，发现了广泛的基因变异，为了解功能变异体的分子性质提出了新见解［10］ 。11月，马萨诸塞大学医学院的研究人员公布了帝王蝶基因组序列，分析了负责视图、生物钟和方向性飞行的基因，解析了蝴蝶能记住迁徙过程中的时间和空间的原因［11］ 。
3.生物合成
2011年1月，美国普林斯顿大学的科学家首次使用人造基因合成出了能维持活细胞生长的人造蛋白质，其功能同自然界中存在的蛋白质相同。这项成果有助于科学家研制出新的生物系统［12］ 。9月，美国约翰?霍普金斯大学的研究人员对酵母的两个染色体片段进行改造，在删除其中重复的部分基因序列后，添加了一些人工合成的基因序列，酵母仍能正常存活。这是人类首次人工合成真核生物部分基因组［13］ 。9月，美国加利福尼亚萨克生物研究所的科学家把非天然氨基酸整合入蛋白质的多处，成功制造出了一个可用的、拥有多处包含非天然氨基酸的蛋白质细菌菌株。该菌株可广泛应用于药物研发、药物合成、生物燃料等领域［14］ 。9月，英国格拉斯哥大学的科学家使用由钨（占大多数）和其他金属原子、氧、磷结合形成的巨型分子，成功地制造出了类似于细胞的气泡，其具有一些类似生命的特征。科学家还希望诱使这些气泡演变成完全无机的能自我复制的实体，以此证明存在着完全基于金属（无机物）的生命［15］ 。11月，美国能源部下属的联合生物能源研究所的科学家使用合成生物学方法，修改了大肠杆菌和一个酿酒酵母的菌株，制造出了没药烷的前体物没药烯，对没药烯进行加氢反应后生成的没药烷是一种绿色生物燃料，有替代D2柴油的潜力［16］ 。
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