2023年世界前沿科技发展态势及2024年趋势展望

全球君2024-02-28 云阿云智库•前沿科技

来源：全球技术地图

作者：全球君

引言

2023年，前沿技术进步对人类社会产生深刻影响，对传统科技体系产生重大冲击，科学家预言的技术奇点时刻似乎已有迹可循。世界进入了以科技为核心的战略竞争时代。为在这场世纪博弈中占据主导地位，美西方进一步深化科技对华竞争。2024年，智能科技革命将持续深入进行，而地缘政治局势不确定性将进一步加剧，科技变革与大国博弈相互交织，全球技术权力争夺和秩序构建会更加复杂。

一、2023年前沿科技发展与竞争态势总结

（一）人工智能引领前沿技术加速进步，产业应用一触即发，技术奇点苗头出现

人工智能技术进入新阶段，人机交互出现新范式。生成式人工智能（AI）方面，OpenAI、谷歌等公司产品加速迭代，在多项人类测试中表现不断刷新纪录。具身智能方面，谷歌DeepMind、斯坦福大学李飞飞研究团队、特斯拉等已开始将多模态大语言模型和机器人数据结合训练人形机器人，正在开发可自主感知决策、执行的具身智能系统。类脑计算方面，英国剑桥大学证明AI系统发展出类人脑特征。美加州理工学院、德克萨斯大学以及日本科研团队分别开发出可无创读取脑电波技术，将大脑活动可视化或将信息转化为语言文字。

算法重塑科研范式，一些具有强渗透力、影响既深且广的技术获得指数级加速。DeepMind开发的新算法重塑生物、材料等技术科研范式，指数级加速研发。例如，DeepMind推出AlphaFold 3，可预测蛋白质数据库中的几乎所有分子，精度达原子级；推出的GNoME，预测出220万种新晶体。卡内基梅隆大学基于GPT-4构建的“Coscientist”系统在4分钟内即成功复现了获2010年诺贝尔奖的化学实验。

一些颠覆性技术趋于成熟，走向应用。无人驾驶方面，瑞士苏黎世大学自动驾驶系统Swift驾驶无人机能力可战胜人类对手。中国百度、华为无人驾驶汽车已开始商业运营。美国谷歌已在旧金山投放无人驾驶出租车。能源技术方面，德国H2FLY公司、美国环球氢能公司和ZeroAvia公司均实现了氢动力飞机试飞。加拿大Cellula公司的超大型氢能无人水下航行器开始海上试验。得益于超级计算机和3D打印技术进步，可控核聚变发展也极大提速。美国氦核能源公司与微软签署了历史首份核聚变能源商业合同。量子技术方面，美国IBM、中国科学院等机构加紧推进量子计算商业化。中俄科学家已建立了借助中国量子卫星传输的安全密钥进行加密的量子通信。美加紧部署向抗量子密码转型。

（二）科技之变引发战争形态之变，军事科技成为关注焦点，主要经济体加紧国防工业转型

俄乌和巴以冲突成为军事科技创新“试验场”，战争形态向无人智能和高效费比转变。一方面，加速强化智能无人作战趋势。乌克兰第五代无人水面艇成功偷袭俄巡洋舰；“爱国者”导弹拦截算法通过历次实战效果持续优化。俄罗斯对“马克”等无人战车进行算法升级，首次组建包含无人战车、无人机和自行火炮群的“机器人部队”；在“柳叶刀”巡飞弹上安装自动制导系统，内置算法对乌实施自动攻击。另一方面，俄乌和巴以冲突持续催生低成本军事技术创新实战应用。乌克兰使用“科尔沃”纸板无人机发动袭击。哈马斯使用简易滑翔装置开展突击。以色列使用制导降落伞精确补给。

军事科技发展成为全球关注焦点，进一步驱动国防战略调整和军事装备升级。从战略层面看，各国加大国防科技投入，从科技角度设计、部署战争。美国正式启动“复制者”计划，“小型化、低成本、大规模”部署无人装备；发布国防科技领域首部纲领性指南《2023国防科技战略》以及《2023年国防部网络战略》《太空军综合战略》文件，并首次修订《自主武器系统指令》《信息环境作战战略》。澳大利亚启用“先进战略能力加速器”机制。日本发布《国家安全保障战略》《国家防卫战略》《2023防卫技术指南》等文件；韩国通过《2023年-2037年国防科学技术革新基本计划》。从战术层面看，科技应用深刻改变技战术模式。一是有/无人协同作战模式趋于成熟。例如，美海军首支无人舰队第59特遣队已具备作战能力。AI武器进入实战化。例如，美国正进行自主系统语音操控武器及装备技术研究；已将“多诺万”军事决策辅助系统、Hermes军事规划大语言模型等智能决策模型引入联合全域指挥系统中。二是量子计算和量子传感应用有机会颠覆传统通信和导航模式。例如，美军测试全球首个基于量子接收器的远程无线电通信系统。美国空军量子地磁导航系统、英国海军量子加速计、澳大利亚国防科技集团的量子钟均完成测试，实现拒止环境下的高精度无源导航。三是高能激光武器系统将重塑战场导弹防御系统。例如，以色列拉斐尔公司的“铁束”激光防空系统生成激光功率持续提升。四是发展战术级核武器支撑战略级任务。美国宣布研发B61-13钻地型核炸弹，其钻地和内爆能力相当于同级别当量地面爆炸核弹三倍；俄罗斯“海燕”核动力巡航导弹凭借“无限航程”和超低空飞行构建新型战略核威慑。

国防战略和军事技术升级带动国防工业建设向跨域生产、快速生产和先进生产转型。在生产合作上，采用“民参军”和“友商采办”模式。一方面，美通过国防创新部门（DIU）、国家安全创新网络（NSIN）加强与企业对接。另一方面，美深化与澳大利亚、韩国、日本、乌克兰等国的国防生产合作。美国通过AUKUS框架支持澳潜艇工业；帮助澳建立导弹制造工业基础；与韩国防部达成供应安全安排；推动日本修订防务装备转移政策。在技术上，加快采用数字孪生技术和3D打印技术进行生产，提高生产速度和性能。美国防部采办与保障副部长办公室设立“联合生产加速器”（JPAC）小组，负责弹药生产线扩建和先进制造技术应用。

（三）新疆域竞争烈度进一步上升，美强化战略部署，抢占制高点

当前，太空、深海、极地、网络等新疆域战略意义进一步凸显。以美为首的西方体系泛化国家安全概念，将霸权思维渗透到新疆域。围绕新疆域的地缘博弈进一步加剧。

主要国家持续强化太空作战能力建设，掀起新一轮太空竞赛。美国发布《太空军综合战略》，明确太空军事力量建设重点；启动“分布式太空作战人员架构”建设，推进新一代国防太空系统建设；通过在高轨部署“沉默巴克”和X-37B等先进太空装备，进一步提升太空感知动态作战能力；通过两次“星舰”试飞快速推进技术迭代。俄罗斯宣布2024年前建成新的太空导弹预警系统梯队，航天器将在统一太空系统框架内部署。法国公布《2024年至2030年军事规划法案》法案，将启动全新轨道空间监视项目。印度成为第四个在月球软着陆国家。日本批准《太空安全构想》文件，并深化与美太空军事合作。另一方面，美试图在太空交通规则、太空行动指导原则、月球资源管理等议题上掌握国际主导权。美持续推行其主导的月球倡议“阿尔忒弥斯计划”；参议院通过《2023轨道可持续性法案》，提升全球太空环境监管话语权。欧空局公布《零碎片宪章》倡议，将低轨卫星处置阶段期限由25年缩至最多5年。

深海空间战略竞争开启，成为大国竞争新高地。一方面，海底基础设施价值进一步凸显。2022年底发生的海底电缆被破坏事件凸显海底基础设施安全重要性。拜登政府当前正在修改2013年21号总统令“关键基础设施安全与弹性”（PPD-21），进一步“强调”基础设施作用。PPD-21将关键基础设施分为16部分，其中4部分包含海底。另一方面，海底富含大量未开发的稀土矿床，但深海采矿技术仍处于相对早期阶段，新技术商业化尚存不确定性。各国竞相研发部署。中国建造的全球首制227米深海采矿船“鹦鹉螺新纪元”出坞。法国首次实现无人机在海下3000-4100米的深海探测。日本正在开发可潜至7千米深海的国产水下无人机。

北极科学研究停滞，资源争夺白热化。欧洲与北约成员国已暂停或大幅限制与俄学术研究合作。缺乏俄罗斯的地区数据，北极和全球气候科学研究成效下降。在全球能源结构转型下，极地资源成为各方争夺关键目标之一。美国、俄罗斯、加拿大、挪威和丹麦近年均曾提出对北极地区大陆架的主权要求。12月24日，美国单方面宣布扩大对北极和白令海大片区域大陆架的主权要求，达100万平方公里。彭博社称，美此举目的是获得关键矿产和油气资源。俄称美缺乏国际法律依据，国际社会有权不承认其所主张的“新边界”。

网络空间阵营化、军事化、碎片化趋势显著。美利用网络技术优势，扩散进攻性网络技术，将网络空间变为地缘竞争新战场，全力塑造霸权地位，网络空间治理博弈加剧。美网络司令部下属网络国家任务部队（CNMF）去年底升格为次级统一司令部后，进一步集中资源，强化对外网络攻击行动。2023年，美加合作在第三国开展“前出狩猎”行动。美国防部《2023网络战略》首次提出美将与“全球盟友及合作伙伴共同建设网络能力，增强抵御网络攻击的集体复原力”。

（四）科技安全问题愈加突出，国际治理体系面临变革，各主要经济体抢抓话语权

前沿技术应用引发诸多风险，对现有生产关系、法律制度、社会伦理、战场形态带来不同程度冲击。科技治理成为迫在眉睫的时代挑战，各主要经济体抢抓未来治理话语权。一是AI治理迫在眉睫，各主要经济体积极部署。生成式AI应用日渐普及，引发信息造假、网络安全问题指数级增加；AI军事应用加速推进，自主武器失控风险高企。美国颁布《安全、可靠和值得信赖的人工智能的行政命令》；发布《关于负责任地军事使用人工智能和自主技术的政治宣言》，目前已获47个国家支持。中国在全球率先专门立法算法治理，并发布《全球人工智能治理倡议》。英国召开首届全球人工智能安全峰会，签署《布莱奇利宣言》。七国集团领导人发布“人工智能治理原则和行为准则”。欧盟公布《人工智能法案》，作为全球首部人工智能领域的全面监管法规。二是传统生物安全问题和新型生物安全风险交织，各国加强生物安全管控。脑机接口、干细胞、基因编辑、合成生物学等技术进展引发伦理道德争议；机器学习、ChatGPT等AI技术极大降低了基因编辑、合成生物学知识门槛，非科学家也可操纵生化反应、设计制造生化武器。生物技术被滥用、恶意使用概率大幅增加。英国颁布《基因技术法案》，建立新的科学授权程序；中国印发《科技伦理审查办法（试行）》，明确规定生物领域技术开发等科技活动的伦理审查工作；俄罗斯成立应对生物安全威胁委员会，评估生物安全威胁。三是量子信息技术极大威胁现代密码安全，美加快后量子密码规则制定。量子计算算法加速迭代，将对使用公钥密码学的网络和通信等领域的安全造成严重威胁。抗量子密码部署紧迫性高企。美国选定四种后量子密码学算法，并公布了三种算法的标准草案，抢抓量子密码国际标准制定权。

（五）各主要经济体强化前沿科技部署，聚焦新能源与芯片产业竞争，全球产业链供应链加速重塑

一方面，各主要经济体将前沿技术发展视为国家实力的重要基石，进一步强化战略部署，加大资金投入，增设新机构，意图抢抓新一轮科技革命和产业变革机遇。美国推出《量子互连路线图》《人工智能研究和发展战略计划：2023更新版》《国家近地轨道研究与发展战略》《“生物技术和制造目标”时间表》《国家创新路径》等；发布《保障美国的未来：关键技术评估框架》；设立31个区域创新与科技中心；总统科学技术顾问委员会成立生成式人工智能工作组；国家基金会宣布成立七个新国家人工智能研究所。欧盟制定《新欧洲创新议程》，提出引领新一轮“深科技创新”。英国公布新的《科学技术框架》《无线基础设施战略》，成立科学、创新和技术部；启动《2023国家量子计划》，未来10年将在量子领域投资25亿英镑。德国发布《未来研究与创新战略》《量子技术行动计划》《人工智能行动计划》。日本发布《统合创新战略2023》，从战略高度推动尖端技术研发。韩国发布《第一次国家研究开发中长期投资战略(2023-2027)》，投入25万亿韩元发展12大战略产业。

另一方面，新能源和芯片产业成为各主要经济体争相布局的焦点领域。美西方持续推动关键供应链中“去中国化”，打造本土供应链。半导体方面，美国加紧落实《芯片与科学法案》，支持本土芯片制造。欧盟正式宣布《欧洲芯片法案》生效，预计到2030年将为欧洲半导体产业提供158亿欧元资金支持，目标是将欧盟2030年在全球市场份额由10%提升至20%。新能源方面，美欧加快温室气体减排与技术研究，意图主导全球气候治理格局。美国启动“迅速推进能源研究和知识的刺激计划”。欧盟签署《欧洲风电宪章》。

（六）科技领域大国博弈烈度持续上升，美进一步强化对华“竞争”部署，全球科技体系日趋分化

拜登政府进一步强化对华科技打压，锁定关键领域，以全政府之力持续打造“小院高墙”。一是进一步强化先进技术出口管制。一方面，丰富政策工具箱；发布《先进计算芯片更新规则》及《半导体制造物项更新规则》；持续加长管制清单；联合日本与荷兰共同实施对华管制，荷兰ASML公司先进DUV光刻机已无法对华销售。另一方面，加强出口管制执法。美发布《保护美国知识产权法》，给予政府充足自由裁量权认定“知识产权问题”并直接实施制裁；多部门联合成立“颠覆性打击部队”。二是阻断科技创新要素向中国流动。美签署行政令，限制AI、量子等领域对华投资。三是抢占竞争制高点。美发布《新兴和关键技术标准国家战略》，加速抢夺新兴领域国际标准主导权。四是强力开展科技外交，以“去风险”为名构建新的“去中国化”科技创新体系。例如，G7科技部长会议通过若干条构建新科研秩序的举措。

二、2024年前沿科技发展趋势展望

2024年，世界将继续在动荡中前行。全球经济分裂与下行压力加大，地区冲突更加激烈。而科技革命将愈加深入。世界现有格局与国际秩序将面临更大冲击。

（一）新一轮科技革命汹涌推进

人工智能爆发式发展，非人类行为体将出现。一方面，AI技术持续向上突破，按目前速度迭代，可能很快就会在很多领域替代人类。在更强大的生成式AI加持下，人形机器人将进化成能够理解、推理并与物理世界互动的智能系统。另一方面，AI应用将向普及化、大众化发展。OpenAI新推出的GPT-4 Turbo将API价格降到1000输入/美分，且支持用户个性化定制并分享至GPT Store。AI模型将在小型设备上部署运行，英特尔、高通、AMD等将推出AI芯片，实现AI本地处理。人型机器人商业应用条件逐渐成熟，或将深度融入经济社会。亚马逊已开始测试应用Digit机器人，每小时运行成本仅为10-12美元。斯坦福大学开源机械臂ALOHA可执行复杂精细家务，成本仅3.2万美元。西北大学开发AI系统可在数秒内从零开始自主设计制作机器人。非人类行为体将出现，对其责权利界定将成为科技治理新挑战。

量子技术走向商业化，研发重点倾向于应用。量子计算方面，IBM量子“Heron”已支持用户通过云平台访问，2024年，IBM会投入更多“Heron”处理器到市场。美国Atom Computing公司将于2024年推出1225量子位的量子计算机，这将是全球首个量子位超1000的量子计算机。量子通信方面，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发出新型光子偏振器，有望加速技术实用化。随着技术成熟度提升，美已下调量子研发投入。2024财年国防授权法案将量子研究预算从2023年1.51亿美元削减至9300万美元，研发重点放在离子阱量子计算机等应用层面，并提出研发用于AI增强的量子计算。

颠覆性技术交叉融合效应进一步释放，对传统科技体系冲击加大。颠覆性技术交叉应用进一步向基础层面延伸，将不断引发出新的可能性。英特尔发布新玻璃基板，“重新定义芯片封装边界”，推动摩尔定律在2030年后继续延续。IARPA启动生物组学分析仪器项目研究，监测分析仪器将突破现有范式。而一些颠覆性技术的融合影响甚至无法预测。例如，量子计算与AI结合。若美成功开发出用于增强AI的量子计算，将推动机器学习和算法领域出现重大突破，届时AI预测能力将变得十分强大。

（二）军事科技向高科技创新和低成本生产方向发展

2024年，主要国家国防预算持续加码。例如，美国国防预算为8860亿美元，创历史新高；德国将超过800亿欧元，几乎是2019年的两倍。法国2024年至2030年国防预算总额将增至4000亿欧元；日本军费开支将达创纪录的7.7385万亿日元（约560亿美元）。

以美为首的西方国家进一步调整军事科技创新研发布局。一方面，主要国家加速对颠覆性国防技术的战略部署。军备现代化程度大幅提升，未来战场规则将持续更新。美国2024财年将重点投资高超声速武器、AI等颠覆性技术；全面更新核武器系统，推进舰艇、战机和导弹现代化；计划2024财年在印太和欧洲地区建立两个BRAVO人工智能战斗实验室；启动部署数千个全域、可消耗、自主集群机器人。澳大利亚将重点加强远程精确打击能力建设，提升远程弹药制造能力。日本将聚焦高超声速武器、海军战舰、F-35战斗机等能力建设，并将“尽早部署‘防区外’导弹”。韩国将加快构建“三轴”系统，包括杀伤链系统、导弹防御系统以及“大规模惩罚报复作战计划”。另一方面，主要经济体加紧推进国防工业转型。美国将通过“加速器计划”等创新机制加强国防工业基础，建设能大规模、快速、低成本生产的国防工业能力；加大与日本、印度、台湾的国防生产关系。法国公布《2024年至2030年军事规划法案》。日本通过新版“防卫装备转移三原则”和运用指针，进一步放宽防卫装备出口限制。

（三）围绕新疆域博弈将愈发激烈

太空方面，资源和规则将是争夺焦点。例如，频谱资源。国际电信联盟（ITU）已将月球通信列入2027年世界无线电通信大会议程，届时，各国将就《无线电规则》修改进行讨论。美国联邦通信委员会已为Intuitive Machines公司颁发了首个月球通信许可。网络空间方面，将开启新一轮军备竞赛。美在网络空间的霸权野心、具有攻击性色彩的作战理念，将引发新一轮网络空间军备竞赛，威胁网络空间战略稳定。美2024财年国防授权法案批准美军网络空间活动总预算为135亿美元；美陆军计划2030年前将网络部队规模扩大一倍。北极方面，紧张局势将进一步加剧。目前，北极地区相关合作机制已陷入瘫痪。现任理事会主席国芬兰2023年10月并未将轮值主席权移交俄罗斯，俄宣布退出该机制。美国正在整合北极地区军事力量，已与挪威、冰岛、瑞典等环北极国家签署防务协议，其军事基地向美开放。美单方面宣布大陆架主权的举动可能导致紧张局势加剧。俄罗斯国家杜马远东和北极发展委员会主席哈里托诺夫称美举动“不可接受”。叠加北极地区的资源争夺与航道问题，北极地区地缘博弈势必升级，或将出现军事冲突。深海空间方面，竞争将上升为争夺海洋主权的国家战略博弈。围绕深海的资源争夺战已经展开。日本已明确将于2024年开始开采南鸟岛附近的海底稀土矿床。各国加快发展深海探测能力，既可攫取资源又可用于海底基础设施“攻防”。

（四）科技治理趋于碎片化

新技术发展将进一步冲击传统全球治理架构和规则边界。一方面，现有治理能力局限性将进一步凸显。通用人工智能、量子计算、脑机接口等技术发展将持续呈现爆发式增长，出现更多的监管盲区。另一方面，科技治理碎片化。美等发达国家意图主导科技治理制定，将阻碍全球治理变革。美对华科技遏压也将严重影响中美推进科技治理合作。同时，各国科技治理理念分歧也将进一步扩大，“不监管”和“双重监管”问题将严重阻碍科技治理效果。例如，美欧对于AI监管要求不同，导致政府治理和公司运营双面失衡。

（五）各主要经济体科技投入更注重精准与实效

2024年，全球经济下行压力加大，各经济体科技投入更加注重效率。一方面，涉基础研发投入减少。美国国防预算中早期研发阶段资金被削减，基础领域研发强度将降至2019年水平线；国家科学基金会2024财年研发减少43亿美元；《芯片法案》设立的全国技术中心2024财年资金大幅下降。韩国2024财年预算研发部分33年来首次下降，24财年将削减8%以上的研发支出，特别是减少基础研究经费。另一方面，各主要经济体应用研发和产业投入增长。美国国防部高级研究计划局年度预算增加8%，高于国防预算增长水平；国家标准与技术研究院重点落实《芯片法案》，首要优先扩大国内制造项目规模。欧盟2024财年研发预算重点集中至绿色化与数字化，向超级计算机、AI、网络安全投资7.627亿欧元，其他研究预算缩减。

（六）中美科技博弈烈度进一步升级

2024年11月，美国将举行新一轮总统选举，国内政治极化现象日益严重。为转移国内矛盾，拜登政府对华科技遏压措施将更趋极端。一是继续尝试收紧芯片管制。一直以来，美芯片管制政策并未取得预期效果。下一步，美或继续采取更极端措施打压中国芯片产业发展。美国安全中心建议美国政府要求科技企业配合，使用片上机制对AI和先进计算芯片进行出口管制。二是进一步推动关键供应链重塑。美已成立供应链韧性委员会，以供应链“去风险”为名“去中国化”。例如，在医疗、关键矿物、半导体、新能源等供应链中以“去风险”为名“去中国化”。三是推动盟友形成管制协调机制。美决策层和智库普遍认为缺少国际协作是对华出口管制效果不佳的重要原因。2023年，美持续施压荷兰、日本，要求日荷出口管制政策与其同步。未来，美或将继续对盟友施压，要求与其政策协调。