《硬科技-大国竞争的前沿》

这是一篇关于《硬科技-大国竞争的前沿》的思维导图，这本书主要讲述了硬科技的发展历程和现状，以及它在现代社会中的重要性和应用。

硬科技、大国竞争的前沿

• 总论
  • 人类历史是科技发展史
    • 华夏农业文明霸主
      • 中国
        • 一千年前的中国经济总量占当时世界的60%，东京（宋朝都城）一个看城门的兵吏，都要比西方同期任意一个君主的生活强”。
    • 机器驱动的电气化
      • 欧洲
    • 计算机的信息中心
      • 美国
    • 新一轮的科技革命
      • 突破领域
        • 物质
        • 能源
        • 信息
        • 交通
        • 生命
      • 科技革命和经济周期
      • 科技革命和金融行业
  • 硬科技应运而生
    • 历次工业革命中的核心技术都呈现出关键性的特点。比如蒸汽机、内燃机、集成电路、原子能技术等，这些关键核心技术最终都深入社会的各个领域，其他的技术创新很多都是在这些关键技术基础上产生的，经过不断组合和演化，最终创造出巨大的生产力，广泛推动着社会和经济的发展
  • 硬科技主导全球变革
    • 康波理论
      • 1783-1842（59年）
        • 蒸汽机
      • 1842-1896（54年）
        • 钢铁铁路
      • 1896-1949（53年）
        • 电能、内燃机
      • 1949-2004（55年）
        • 信息技术的推广应用
  • 中国崛起靠硬科技驱动
    • 迈克尔波特认为
      • 生产要素导向阶段
      • 投资导向阶段
      • 创新导向阶段
      • 财富导向阶段
    • 在科技创新中，硬科技是骨头，实体经济是肌肉，虚拟经济是脂肪，金融是血液。
• 科技篇
  • 信息技术
    • 光刻机
      • 意义
        • 光刻技术是使微电子和纳米电子器件在过去半个世纪中不断微缩的基础技术之一，光刻制造是晶圆制造最关键、最复杂和时间占比最高的环节。
      • 产业情况
        • 全球光刻机已由荷兰ASML、日本尼康和佳能公司完全垄断
          • ASML
            • 20年销量258台
              • 63%
          • 尼康
            • 20年销量31台
              • 8%
          • 佳能
            • 20年销量122台
              • 30%
        • ASML则背靠荷兰飞利浦，以欧洲精密机床和仪器为基础，以美国先进技术为核心，与台积电等制造公司紧密合作，坚持互利共赢、开放合作的发展模式。在10纳米节点以下，ASML稳稳占据100%的市场，佳能和尼康等同业竞争对手已无力追赶。如果芯片制造商想要生产10纳米节点以下的芯片，必须得有ASML供应的EUV光刻机及相应的支持服务。
      • 我国进展
        • 2020年6月，上海微电子设备有限公司透露将在2021—2022年交付首台国产28纳米工艺浸没式光刻机。这意味着国产光刻机工艺从以前的90纳米一举突破到28纳米。
    • 5G技术
      • 意义
        • 5G将以人为中心的通信扩展到同时以人和物为中心的通信，从消费型互联网转向生产型互联网，为社会的生活与生产方式带来巨大变革。
        • 5G技术被认为是第四次工业革命中全球竞争的新基础，其建设和发展是一项长期过程。
      • 我过进展
        • 我国5G网络于2019年11月正式商用。至2020年11月，我国5G基站建设数量已超过70万个，占全球比重近7成，连接超过1. 8亿个终端。预计到2023年，5G基站数量将超过300万个。
    • 人工智能
      • 意义
        • 赋予机器类人的感知、学习、思考、决策和行动能力
        • 算力、算法、数据作为人工智能成功发展的三大要素
        • 人工智能系统朝着高算力、低功耗和迅速反应等方向演进，性能日渐强大。
      • 产业情况
        • 2020年5月，美国非营利组织Open AI发布超大型自然语言理解模型GPT-3，该模型拥有强大的语言处理功能。该模型拥有1 750亿个参数，其训练所用数据集容量达到45太字节。开发人员仅需输入文本提示，GPT-3即可根据指令完成写作、翻译、问答、完形填空和推理等语言任务，且准确度极高。该成果证明，使用大量文本进行预训练，并针对特定任务进行微调，可以使语言处理模型的性能获得巨大提升。
        • 2020年11月，谷歌旗下公司Deep Mind推出“AlphaFold2”模型，可通过蛋白质的氨基酸序列高精度地预测其3D结构。AlphaFold2通过对专用数据集中超过17万种蛋白序列与结构进行学习，以利用氨基酸片段结构预测蛋白质完整结构。Deep Mind公司凭借AlphaFold2在国际蛋白质结构预测竞赛（CASP）上击败了其余的参赛选手，能够精确地基于氨基酸序列预测蛋白质的3D结构。其准确性可以与使用冷冻电子显微镜（Cryo-EM）、核磁共振或X射线晶体学等实验技术解析的3D结构相媲美。该研究被认为是“首个证明人工智能研究可以驱动和加速科学新发现的重要里程碑”。
      • 我国进展
        • 我国的人工智能发展最早由国家级基金和科研计划推动，如今的研发主力包括国有企业、高校院所、互联网平台企业和人工智能开发企业等。
        • 我国在数据方面有着最为突出的优势。凭借着众多的人口、机构和复杂的应用场景，以及多年来数字经济发展奠定的基础，我国有大量的数据可供训练人工智能算法与系统
  • 智能制造
    • 概念
      • 基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，涵盖设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。
    • 工业机器人
      • 概念
        • 工业机器人是集合了机械原理、系统动力学、机构运动学、计算机技术、控制理论、传感和人工智能等多种先进技术于一体的综合性装备。
        • 减速器、伺服器、控制器是工业机器人的三大核心零部件，成本占总体比例超过70%，其中减速器系统占36%，伺服器系统占24%，控制器系统占12%。
          • 减速器是连接动力源与执行机构之间的传动机构，能将发动机的转速降低，并让转矩提升。它的性能直接决定了机器人的控制精度和运行平稳性，是三大关键核心零部件中技术壁垒最强的。减速器要求高可靠度、高精度、高刚性，是一类重资产、高投入、慢回报的产品。全球减速器市场上，日本纳博特斯克及哈默纳科两大巨头占据了70%以上的市场份额。
          • 伺服器是工业机器人的动力系统，通过运用机电能量变换、驱动控制技术、检测技术、自动控制技术、计算机控制技术实现精准驱动与系统控制。伺服系统市场外资企业占据绝对优势，日系品牌占据大部分市场份额，主要有安川电机、松下、三菱电机、三洋
          • 控制器是机器人的大脑，负责发布和传递动作指令。包括硬件和软件两部分：硬件就是工业控制板卡，包括一些主控单元、信号处理装置等电路元件；软件部分主要是控制算法、二次开发等。主要厂商有贝加莱、倍福、安川电机、三菱、西门子等。
      • 产业情况
        • 第一代机器人是一种“遥控操作器”； 第二代机器人可以按人事先编好的程序自动重复完成某种操作； 第三代机器人是智能机器人，这种机器人对通过各种传感器、测量器获取的环境的信息，利用智能技术进行识别、理解、推理，并最后做出规划决策，是能自主行动、实现预定目标的高级机器人。
    • 3D打印
      • 概念
        • 控制器是机器人的大脑，负责发布和传递动作指令。包括硬件和软件两部分：硬件就是工业控制板卡，包括一些主控单元、信号处理装置等电路元件；软件部分主要是控制算法、二次开发等。主要厂商有贝加莱、倍福、安川电机、三菱、西门子等。
        • 成本低、设计领域广和加工流程简化
        • 颠覆了传统的减材与等材制造技术的生产模式。传统的制造技术一般是在原材料基础上，通过车铣刨磨等工艺，将多余部分去除，得到零部件，进而通过焊接、拼装等装配组合技法形成最终产品，整个生产研制过程需消耗大量的人力、物力和财力。而在3D打印技术的整个生产研制过程中不再需要模具和机床等设备，通过快速自动成型硬件系统与CAD软件模型结合，采用逐层堆叠累积的方法制造出各种形状复杂的产品，大大缩短了产品的设计和生产周期，生产成本也因此大幅下降。
  • 新能源
    • 氢能
      • 氢能是指氢和氧进行化学反应所释放出的化学能，是一种清洁的二次能源。只要有水，有太阳能、光能、核能、电能等一次能源或者二次能源，就可以制成氢气。
      • 来源广，不受地域限制；可储存，适应中大规模的储能；是可再生能源的桥梁，可以将其变成稳定能源；零污染，零碳排放，是控制地球温升的主要能源；是全能的能源，可发电、可发热，也可用作交通燃料。氢能还有燃烧热值高和能量密度大等特点，被誉为21世纪控制地球温升、解决能源危机的“终极能源”。
    • 太阳能
      • 太阳能具有永久性、储量大、清洁无污染等特点，是目前应用技术比较成熟、资源分布最为广泛的可再生能源。太阳能发电的利用方式分为光伏发电和光热发电两种，其中光伏技术在全球范围内已得到规模化应用。
      • 从光伏电池材料来看，光伏技术可分为三代。第一代材料为单晶硅和多晶硅，具有寿命长和转化率高等优点，但存在成本高、污染大、受环境影响大等缺点。第二代材料主要包括非单晶硅、碲化镉和铜铟镓硒等，具有成本低、弱光性能好和制备简单等优点，但也存在转化率低和污染大等缺点。钙钛矿电池被认为是下一代光伏发电技术，目前已取得了一定突破。
      • 美国已在天基太阳能方面取得突破。天基太阳能系统主要由空间段系统和地面段系统组成：空间段系统在外层太空捕获太阳能，将太阳能转换为电能，再将电能转换为微波或激光等其他形式，以无线方式传输到地球或其他太空设施；地面段系统将接收到的微波或激光等转换为电能，供人类使用。天基太阳能的优势在于太空接收太阳能不受地球大气、天气和昼夜影响，太阳能利用率高，能源环保清洁，可持续提供电能。
      • 中国光伏制造业已经连续多年在全球光伏产业链各环节上占据一半以上（部分环节占据90%以上）的产量和产能。
    • 核能（核裂变）
      • 核能作为清洁、低碳、安全、高效的基荷能源，在应对全球气候变化中起到了积极的正面作用，并有望实现对传统化石能源的替代
      • 核能发电以核反应堆及蒸汽发生器代替了火力发电的锅炉，以核燃料裂变能代替了矿物燃料的化学能。核反应产生的热能通过蒸汽系统转化为蒸汽动能，带动发电机发电
      • 优点：清洁、环保、低耗、占地小
      • 截至2021年8月11日，全球在运核电机组数量排名前五位的国家分别为美国（93台）、法国（56台）、中国（51台）、俄罗斯（38台）、日本（33台）。
      • 核聚变
        • 一是原料来源丰富，核聚变的原料是重水，可以直接从海水中提炼
        • 二是核聚变的过程及其产物均不会对环境造成污染，也不会造成核泄漏；
        • 三是安全可靠，只要去掉核聚变反应条件中的任何一项，反应就会彻底停止，不会发生像日本福岛核电站的核裂变反应堆那种因地震而停止运行后核燃料还继续发热引起爆炸的事情。
        • 可控核聚变因具有资源丰富、固有安全性、环境友好等优点，可以彻底解决人类社会的能源问题与环境问题。
  • 生物技术
    • 基因编辑技术
      • 基因编辑技术是一种能够对生物体的基因组及其转录产物进行定点修饰或者修改的技术，可对特定DNA片段进行敲除、加入和替换等，从而在基因组水平上进行精确的基因编辑。
    • 合成生物学
      • 在系统生物学的基础上，借鉴工程学思想和现代生物学技术方法来设计和构建新的生物元件、网络和体系，重构新型的生命体。合成生物学采用工程学“设计—合成—测试”的研究方法，在学习抽象自然生命系统的基础上，或对自然生物系统“重编程”，或从头设计具有全新特征的人工生命体系；然后，利用“基因编辑”“基因合成”等“工具包”，用实验方法来构建，再对构建出来的生物系统进行测试。如此反复循环优化，形成了一个正向可靠的科学闭环。建筑在如此大规模通用化工程平台基础上的合成生物学，往往也被称为“工程生物学”
    • 脑科学
      • 脑科学是以脑为研究对象的多学科汇合的新型研究领域，其研究方向主要包括“仿脑”“控脑”“强脑”三方面
  • 新材料
    • 化合物半导体
    • 量子显示
  • 航空航天
    • 军用无人机
      • 线遥控设备或者预先编写好的程序，实现自主或者半自主控制，可执行侦察、打击、通信及干扰等作战任务的无人飞行器。
    • 重复使用运载器
      • 从地面起飞完成预定发射任务后，全部或部分返回并安全着陆，经过检修维护与燃料加注，可再次执行发射任务的火箭。
    • 低轨小卫星星座
      • 美国SpaceX公司计划部署由4. 2万颗卫星组网的“星链”星座，截止到2021年3月已发射22批共1260颗“星链”卫星，已具备为北美提供初步天基通信服务的能力，并计划于2021年年底开始为美国和其他低纬度区域提供初期网络服务。
      • “星链”网络的下载速度为35~60兆比特/ 秒，上传速度为5~18兆比特/秒，网络延迟为20~94毫秒，基本能满足用户在线观看4K高清视频和下载大型文件等需求。
      • 2020年10月，该公司在发送给潜在用户的邮件中公布了“星链”网络的使用费用。据悉，该卫星网络的定价为每月99美元，并且用户还需要支付499美元购买“星链”设备，包含终端接收设备、三脚架和WiFi路由器。“星链”项目团队表示，“星链”网络的数据传输速度将达50~150兆比特/秒，网络延迟将控制在20~40毫秒。
  • 海洋科技
    • 无人船
      • 无人船隐蔽性好、可长期水面航行、活动区域广，与有人水面艇相比，具有无人值守、无人员伤亡、使用灵活、成本低等优势，能执行海上情报监视侦察、海洋调查、反水雷、电子战、反潜战及反舰战等任务，是可广泛应用于海洋军民领域的一项硬科技
    • 深海潜水器
      • 深海潜水器可以将科学研究人员、工程技术人员和各种机械电子装置快速且精确地运载到目标海底环境，是深海进入、探测、开发和保护的重要技术手段和装备
      • 2018年7月，俄罗斯国防部展示了“波塞冬”无人潜水器。该潜水器是目前世界上最先进的潜水器，配备了专门研制的核动力装置，巡航距离超过6 000千米，下潜深度可达1 000米，且航行噪声小、机动性强。此外，“波塞冬”潜水器航速近60节，大大超过现有同类武器装备的航速，甚至还超过某些新式鱼雷和水面舰船的速度。在武器搭载上，“波塞冬”可携带常规和核弹头鱼雷，在锁定攻击目标后，能攻击航母舰队、海防工事和其他海上设施；如果在海域引爆核鱼雷，其能够完全摧毁就近城市，威力极大。
    • 极地破冰船
      • 全球气候变暖加剧，北极地区持续出现罕见高温，冰雪加速融化，生态环境正发生重大变化，这为各国利用北极航道和开发北极资源提供了绝佳机遇。随着北极开发时代的来临，破冰船因其重要的战略地位受到美加俄等国的重视，已成为大国北极资源开发、航道建设及军事扩张的重要抓手。
• 金融篇
  • 硬科技将金融带向何方
    • 多层次的资本市场在一定程度上为硬科技企业的发展提供了多重选择和渠道，股权融资尤其是包括天使轮、种子轮等在内的早期创业投资对于助力硬科技企业健康起步和持续发展起到关键作用。
  • 脱虚向实：金融与硬科技
    • 对一个国家而言，硬科技是支撑躯干的骨骼，实体经济是提供动力的肌肉，金融则是运送能量的血液。金融为科技发展和实体经济建设源源不断输送动力，支持骨骼和肌肉的健康成长
  • 促进金融与硬科技协调发展
    • 金融要“脱虚向实”，服务于科技发展。要从金融与科技两方面入手，强化支持实体经济的功能。
  • 科技投资2. 0时代
    • 海外国家投资硬科技的典型生态模式
      • 市场主导型
        • 美国
          • 美国的科技融资模式以风险投资和纳斯达克股票市场为主，同时以硅谷银行和政府政策优惠支持等方式为辅助。
      • 银行主导型
        • 日本
      • 政府主导型
        • 以色列·
    • 我国硬科技领域投资
      • 政府引导型基金近年围绕硬科技加速布局
      • 风险投资对硬科技的支持
        • 从风险投资的行业分布来看，对信息技术行业的投资仍占较大比重，为34. 34%。除此之外，风险投资较青睐的行业有金融业、可选消费业、医疗保健业
      • 科创板启航，硬科技企业上市迎来新窗口
        • 从行业分布角度来看，新一代信息技术产业占据绝对优势，合计上市67家，此后排名靠前的行业有生物产业39 家，高端装备制造产业28家，新材料产业23家
  • 硬科技与资本市场
    • 央行公布融资数据
      • 贷款融资，占比为68. 65%
      • 直接融资，占比为13. 41%
        • 债券融资占比9. 98%
        • 股票融资占比3. 43%
      • 股票融资占比3. 43%
    • 上市条件
      • 主板、中小板上市
        • 最近三年经营活动现金流量净额累计超过5 000万元或者最近三年营业收入累计超过3亿元（实际执行：最后一年净利润8 000万元）。
      • 创业板
        • （1）最近两年净利润均为正，且累计净利润不低于5 000万元； （2）预计市值不低于10亿元，最近一年净利润为正，且营业收入不低于1亿元； （3）预计市值不低于50亿元，且最近一年营业收入不低于3亿元
      • 科创板
        • （1）预计市值不低于10亿元，最近两年净利润均为正且累计净利润不低于5 000万元；或者预计市值不低于10亿元，最近一年净利润为正且营业收入不低于1亿元。（2）预计市值不低于15亿元，最近一年营业收入不低于2亿元，且最近三年累计研发投入占最近三年累计营业收入的比例不低于15%。 （3）预计市值不低于20亿元，最近一年营业收入不低于3亿元，且最近三年经营活动产生的现金流量净额累计不低于1亿元。 （4）预计市值不低于30亿元，且最近一年营业收入不低于3亿元。 （5）预计市值不低于40亿元，主要业务或产品须经国家有关部门批准，市场空间大，目前已取得阶段性成果。
      • 统一要求
        • 若发行后总股本超过4亿股，公开发行比例不低于10%；若发行后总股本在4亿股以下，公开发行比例不低于25%。
• 政策篇