美德英法等重大科技基础设施布局特点及发展趋势丨趋势观察

重大科技基础设施(以下简称“重大设施”)作为重要的公共研究支撑平台,通常分成作为技术平台的“硬设施”和作为数据平台的“软设施”两类。

硬设施包括支撑各个学科研究的各类大型装置,如可控核聚变设施、种质资源库、加速器、同步辐射光源等,其为科学技术研究在微观化、宏观化、复杂化方面不断深入提供极限研究手段。

软设施则是支撑海量科研数据存储、交换、分析、计算的数据资源与计算平台,包括网络、系统架构、支撑平台建设与应用软件和算法工具,以及相关的存储器、数据库等,其有力支撑数据密集型科学研究生态系统。

硬设施和软设施一起,全面支撑了能源科学、生命科学、地球系统与环境科学、材料科学、空间与天文学、粒子物理与核物理、工程科学技术等多个学科的基础研究、应用研究和技术研发全创新价值链的各个环节;同时,在解决前沿科学问题、服务国家和社会重大需求等方面发挥着重要作用。

 

世界主要经济体重大科技基础设施布局特点

从在运行重大设施的年度累计分布情况来看,各国重大设施的数量稳步增长,其中法国和德国近 20 年来重大设施运行数量增长迅速。中国规划的重大设施总数与英国相近,但目前中国在建的数量居多、在运行的数量较少。

 

美国:长期规划与年度规划并行,依托重大设施保持科技创新领先地位

美国重大设施的主要管理部门是美国能源部(DOE)和美国国家科学基金会(NSF),粒子物理、核物理和天文学等学科委员会也会对设施的发展提出建议。

DOE 重大设施管理采用长期规划的方式,规划覆盖时段为 20 年,并根据重大设施规划建设的优先顺序进行资源配置。DOE 管理的重大设施以粒子物理和核物理、材料科学研究设施为主。

NSF 重大设施的规划方式相对灵活,以年度规划为主,并且会针对学科的重大进展调整设施的建设目标;NSF 管理的设施主要集中在空间和天文科学、地球系统与环境科学。

美国目前在建的重大设施主要集中在粒子物理和核物理,以及空间和天文学方面。美国依托重大设施的重点研究方向包括:粒子物理和核物理、超快科学、磁体科学、自适应光学、原子分子物理学与光学等学科。

在已有布局优势的基础上,美国还通过对重大设施的更新,提升研究能力,拓展研究方向;同时,继续前瞻部署新的重大设施,探索和发现新的学科方向,以确保美国在基础研究领域的国际领先地位。

在规划新设施时,美国非常重视预研究,预研时间很充分,并且还会选择多个技术路线进行竞争性预研。例如,电子离子对撞机(EIC)的概念设计就包括布鲁克海文实验室提出的环环概念、直线环概念,以及杰斐逊实验室的八字环概念;NSF 最新的管理文件也明确提出重大设施的预研时间通常应该在 10 年以上。

 

德国:构建长期“研究伙伴”关系,重大设施带动产业技术升级

德国由其联邦教育与研究部负责对重大设施进行长期投资。亥姆霍兹联合会负责管理重大设施,弗劳恩霍夫协会、马普学会、莱布尼兹联合会及综合性大学等重要研究机构则作为重大设施的用户与亥姆霍兹联合会形成了长期“研究伙伴”关系。

德国重大设施布局的一个显著特点是将产业技术研发和示范平台也作为重大设施,并从国家层面支撑产业的发展。同时,作为欧盟的科技领头羊,德国还积极牵头欧盟层面的重大设施建设。

 

法国:近期优先布局生命健康和环境方向,新增数字基础设施类别

依托法国国家科学研究中心(CNRS)、法国国家健康与医学研究院(INSERM)等国立科研机构,法国对重大设施进行规划和管理。法国将生命健康和环境领域作为重大设施的重点布局方向,此外还关注大数据、气候变化、人类行为研究等主题。

值得强调的是,法国 2018 年“重大设施规划路线图”新增了“数据基础设施”类别,并将原来归类于“数学”领域的若干重大设施重新纳入这一新增类别单独管理;其目的是响应欧洲“地平线 2020 计划”提出的数据管理计划,实现设施的安全互连,更好地管理重大设施产生的海量数据。

 

英国:重大设施能力建设应对再崛起和“脱欧”挑战,对接工业战略需求

在英国研究和创新署的投资和英国科学技术设施委员会的统一运营下,英国的重大设施围绕探索宇宙奥秘、发展先进技术、解决现实世界挑战三大目标,开展从学术研究到产业研发的全链条创新。为应对第四次工业革命和“脱欧”挑战,英国尤其注重对数据重大设施的建设。

英国还期望通过重大设施来支撑创意、人才、基建、区域发展和营商环境等经济发展要素,以对接工业战略需求,应对建设最具创新活力经济体的挑战。在布局方面,英国强调发展先进探测技术、数据和计算能力、资源访问能力及风险管控能力,并计划在未来 10 年建设世界级的百亿亿次超级计算设施。

 

欧盟:ESFRI统筹规划,灵活性与稳定性相互平衡

欧洲科研基础设施战略论坛(ESFRI)代表欧盟统筹协调多边关系,规划布局重大设施,并根据欧盟各国投入水平进行权益分配。ESFRI 规划的设施项目都是单个国家在成本和技术复杂度方面压力较大,需要在欧盟层面合作建设、达成共识的重大设施。

欧盟重大设施规划具有稳定性和灵活性相互平衡的特点。欧盟尤其关注数据基础设施的建设,提出要建设世界级的欧洲数据基础设施(EDI),并于 2018 年投入 9 890 万欧元启动相关工作,以期通过该重大设施为欧洲“科学云”提供高质量的数据产品和服务;此外,欧盟还提出协调并集成科技基础设施和信息化基础设施的整合愿景。

 

重大科技基础设施发展趋势

 

空间集群化、功能集成化成为重要布局模式

集群化已经成为各国重大设施的主要布局模式。平台型重大设施与材料/生物研究重大设施、数据计算重大设施具有天然的“互补性”,因此各类先进光源和中子源、纳米和材料研究中心,以及数据计算中心经常协同布局。

此外,再从历史来看,单个重大设施往往会发展成重大设施集群,进而发展为多学科综合性科学基地,最后发展成为综合性国家科创中心。例如,德国汉堡、英国哈维尔、法国格勒诺布尔、日本东京湾等均是由重大设施建设起步,最后发展成为国家科创中心。重大设施集群化布局将产生综合集成的放大效应,降低了技术成本,加速了技术转化和产品研发的进程。

 

软设施将成为未来科技布局的战略重心

1各国加强对科学数据、模型和计算资源的战略部署。大多数研究领域呈现出对长期观测、数据存储和传输、多源数据综合分析等的强烈需求。因而,数据和计算平台等软设施成为发达国家规划布局的重点。

2. 科研数据成为国家战略资源,数据主权成为关注焦点。科研活动每天产生大量的数据,海量的科学数据推动“大数据 + 大计算 = 大发现”成为科学研究新范式。在大数据时代,科研数据成为国家战略资源。同时,发达国家还在继续着力打造新一代数据基础设施,以保障科研数据安全和科研数据主权。而我国目前大量生物研究的数据上传到美国、日本、欧盟三大生物数据中心、地理科学数据上传到 4TU.ResearchData 等国外数据平台,存在科研数据流失和数据受制于人的风险。

3.网络化的数据中心成为新型软设施。科研数据基础设施呈现出机构数据网络化、学科数据网络化、区域数据网络化的特征。基于数据的整合提供了一个网络环境,进一步促成了跨机构合作、学科交叉融合和国家科学数据集成,使人才、装置、创新思想等科技创新要素链接起来。从而,科研数据可以被更多科研人员利用,同时促进了科学发现的最大化。

 

重大设施对产业、经济问题的支撑能力不断强化

各国积极规划建设支撑特色产业发展的重大设施,助力战略性新兴产业发展。

英国 75% 的重大设施支撑了企业研发活动,其散裂中子源设施为全球有机电子领域创造了累计 130 亿英镑的市值。

近期,德国布局了下一代列车、汽车研究重大设施,法国、美国等在工业生物技术、神经科学创新疗法、人工智能产业等领域布局了一批产业技术研究和转化平台。德国政府还规定柏林同步加速器(BessyⅡ)应为企业用户分配 33% 的机时。

此外,设施运营机构还与企业建立灵活多样的合作机制,如共建先进实验仪器、签订合作备忘录、设立创新基金等,从而促进知识流动和成果转化。

本文由中国科学院文献情报中心空间光电与重大科技基础设施团队、中国科学院成都文献情报中心数据计算平台团队共同撰稿,团队成员包括:李泽霞、郭世杰、董璐、李宜展、魏韧、张娟

文章源自:趋势观察:国际重大科技基础设施布局特点及发展趋势.中国科学院院刊,2021,36(4):514-516.

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