熊 焰 張凌愷 陳 旭 江 瑤

(1.上海應用技術大學經濟與管理學院 上海 201418;2.上海工程技術大學管理學院 上海 201620)

0 引 言

顛覆性技術可以重設前沿技術路徑,重構科技競爭格局[1]。識別顛覆性技術,提前把握前沿科技發(fā)展方向,是國家實現“換道超車”的重要機會窗口[2]?，F有研究關于顛覆性技術識別方法主要分為兩類:一是技術預測法,如采用物種入侵模型[3]、Fisher-Pry模型[4]等來衡量信號強度[5]、發(fā)展?jié)摿6]等特征,以預測技術的顛覆時機,這類識別方法常將主題熱度等同于技術顛覆,而忽略對技術影響的評估;二是市場分析法,如采用消費者需求模型[7]、視覺模擬量表[8]等來評價顛覆作用的影響,這類識別方法受限于技術評估清單的來源,而忽視初期信號弱的技術。究其本質,上述研究方法在操作過程中未能全面把握顛覆性技術演進過程中的突變和演化規(guī)律,從而導致識別精度不高[9]。因此,本文基于顛覆性技術突變和演化視角,構建顛覆性技術“突變-演化”模型,形成一套操作性強、識別精準的顛覆性技術定量識別方法,并選取集成電路材料領域技術為應用案例,對模型的科學性和實用性加以驗證,批量形成該領域顛覆性技術主題。

1 基于“突變-演化”的顛覆性技術識別模型構建

“顛覆性技術”一詞最早由Christensen提出,是指從低端市場切入,不斷迭代,直至替代主流技術,形成新的市場格局與技術體系[10],其具有突變性和演化性雙重屬性[11]?；诖?本文嘗試從突變與演化的視角出發(fā),構建“突變-演化”模型,以實現顛覆性技術的精準識別(見圖1)。具體包括:首先,在構建顛覆性技術突變模型時,從顛覆性技術演進特征入手,設計特征指標體系并匹配突變模型,通過熵值法確定指標權重,計算出技術突變值;其次,在構建顛覆性技術演化模型時,結合技術主題發(fā)展態(tài)勢,選取各大技術主題的關鍵詞進行聚類,通過分析技術演化路徑得出技術演化值;最后,映射候選顛覆性技術到坐標系中,用政策報告等專業(yè)權威信息對比驗證,識別出顛覆性技術。

圖1 研究設計

1.1 顛覆性技術突變模型構建

為了有效測度技術突變性,本文基于突變理論構建顛覆性技術突變模型。突變模型是建立在突變理論基礎上的數理模型,可量化分析技術特征指標,已有研究使用突變模型來評估技術顛覆潛力[13]、識別技術機會[14]等,但現有突變模型需要依靠專家意見選定可計算的特征,客觀性不足且容易忽略技術演進的重要特征?；诖?本文從演進特征界定、指標體系設計等方面改進突變模型,實現顛覆性技術突變值的計算。

1.1.1 演進特征界定

與常規(guī)技術的演進范式不同,顛覆性技術演進過程具有三大典型特征:一是初期影響力小,顛覆性技術識別最困難的階段是在于技術初期,因為在技術初期信號弱,技術軌跡具有“不確定性”[15],外界對其關注度較低,但在技術演進中積極融合與擴張[16]。二是交叉耦合度好,顛覆性技術在發(fā)展過程中會根據政策、產業(yè)等需要不斷促進學科交叉與技術融合[9],并改變自身的技術形態(tài),發(fā)生“突變”并等待顛覆時機[17],具有“強適應性”[18]。三是技術涵蓋面廣,顛覆性技術在“突變”后,會替代主流技術[19],產生巨大影響,重新打造了一套涵蓋多種學科技術的技術格局和產品體系[20],見圖2。

圖2 顛覆性技術演進過程

1.1.2 指標體系設計

基于顛覆性技術演進特征,以專利表征技術方式,從初期影響力(T1)、交叉耦合度(T2)、技術涵蓋面(T3)3個維度出發(fā),設計顛覆性技術突變值測度指標體系。具體如下:

第一,初期影響力(T1)。初期影響力主要從即時信號強度、前向引用均值和初期擴張速率3個維度來表征顛覆性技術初期“信號弱、關注度低、擴張積極”的特點[20]:①即時信號強度TII側重于測量技術主題在特定時間跨度內對外界釋放信號的強度[20],顛覆性技術初期信號弱,故TII為負向指標;②前向引用均值TAC側重于說明外界在特定時間跨度內對技術主題的關注度。顛覆性技術常被視為“邊緣創(chuàng)新[21]”“離群專利[22]”,所以技術初期很少被關注,故TAC為負向指標;③初期擴張速率TER側重于說明在特定時間跨度內技術類別橫向擴張的速率[18],顛覆性技術無論在演化的任何階段,都有較強的擴張勢頭。

第二,交叉耦合度(T2)。交叉耦合度主要從類別相似程度和分布均勻程度2個維度來表征顛覆性技術“適應性好、交叉耦合好”的特點[20]:①類別相似程度TAD代表技術主題內不同技術方向間的平均距離,用技術間的相似程度來表征技術主題內各類技術的耦合情況;②分布均勻程度TGC使用“基尼系數”來反映技術主題下各類技術交叉的情況。

第三,技術涵蓋面(T3)。技術涵蓋面主要從技術多樣程度、科學關聯指數、學科覆蓋比率和引用分布指數四個維度來表征顛覆性技術“影響力大”的特點[11]:①技術多樣程度TAN表示技術主題內不同技術類別平均數目,反映技術類別多樣化程度[16];②科學關聯指數TSR的值越大,表明技術主題包含的科技文獻數量越多,影響的科學研究越多[18];③學科覆蓋比率TCR的值越大,表明技術主題涉及的技術類別越多,影響的學科覆蓋面越廣[18];④引用分布指數TCD的值越大,表明技術主題的前向引用專利所屬的技術類別數量越多,后續(xù)影響范圍越大。

基于上述分析,本文構建出顛覆性技術突變值測度指標體系,具體指標構成及計算方法如表1所示。

表1 顛覆性技術突變值測度指標體系

1.1.3 顛覆性技術突變值計算

顛覆性技術演進中可匹配突變現象的“多模態(tài)”“不可達”及“發(fā)散”等特征[23]。突變模型實質上是根據指標數量確定模型的歸一化公式,再結合已構建的指標體系層層向上,最終得到技術突變值[24]。主要突變模型及對應的勢函數、歸一化方程,見表2。

表2 不同突變類型對應的突變模型

本文采用熵權法確定指標權重。熵權法在計算的過程中沒有主觀的因素,若某指標的熵值越小,則表明該指標權重越大[25]。技術特征各子指標在突變模型勢函數中的排列順序由其對應的權重確定,某一子指標權重越大,則該子指標被開方的次數越少,由此可得到各子指標的分值[13]。

1.2 顛覆性技術演化模型構建

為了能夠客觀呈現技術的演化性,本文基于主題演化分析法構建顛覆性技術演化模型。主題演化分析充分考慮技術發(fā)展過程性[26],能展示技術演化過程的特征變化[9],而現有演化模型無法嚴格區(qū)分顛覆性技術與突變性技術等?；诖?本文在顛覆性技術突變模型基礎上,結合顛覆性技術演進特征及“主題挖掘模型”[4],構建顛覆性技術演化模型,實現技術演化值的計算(見圖3)。具體過程如下:

圖3 顛覆性技術演化模型

首先,構建技術主題詞庫,采用C-Value[27]算法處理數據集,抽取各文獻的候選術語,再采用TF-IDF[28]算法計算術語權重,選定高權重術語作為關鍵詞,結合技術領域知識篩選關鍵詞組成技術主題詞庫。其次,提取技術主題熱點,采用K-Means方法進行聚類,結合關鍵詞的數量和詞頻進一步融合聚類信息[28],提取不同時間段的熱點關鍵詞。再次,分析技術演化路徑,不同類別技術的演化路徑相異,漸進性技術的演化呈現為數量的增減,突變性技術的演化呈現為位次的升降,根據本文界定的顛覆性技術演進特征,若某技術有顯著的連續(xù)增長趨勢,或是由不同的技術演化得出,則可認為該技術具有潛在顛覆性。演化路徑中的圓圈大小表示熱度增減,圓圈起伏表示當年熱度位次高低。最后,計算技術演化值。根據演化路徑形態(tài)匹配技術類別,識別出匹配技術類別特征的技術點。借鑒李乾瑞等[16]的方法,若演化路徑呈現熱度連續(xù)遞增則賦值1,熱度遞減賦值-1,技術突現賦值3,技術后續(xù)無復現賦值-3,技術擴散賦值3,位次連續(xù)增高賦值2,位次降低賦值-2。選取演化路徑中表現顯著的技術點,分析各技術點賦值結果,標準化處理后按所屬技術主題累加,最后得出技術主題演化值。

1.3 基于“突變-演化”模型的顛覆性技術識別

基于突變模型與演化模型的計算結果,本部分將技術突變值及技術演化值映射到平面坐標系中,再根據技術類別特征將各技術主題分類。顛覆性技術兼具“突變顯著”[17]及“演化迅速”[29]等特點,表現為技術演化值與技術突變值都相對較高;突變性技術突變特征明顯,但演化較慢,表現為技術突變值較大而技術演化值較小;漸進性技術表現為兩項指標都較小。再經行業(yè)技術專家咨詢建議,將顛覆性技術判定閾值劃分為:技術突變值在0.655～0.955之間,技術演化值在0.155～0.355之間;突變性技術判定閾值劃分為:技術突變值在0.655～0.955之間,技術演化值在0.025～0.355之間;漸進性技術判定閾值劃分為:技術突變值在0.405～0.605之間,技術演化值在0.025～0.355之間。最終根據技術類別閾值區(qū)間在坐標系中將技術主題歸類,識別出顛覆性技術。

2 顛覆性技術識別模型應用:以集成電路材料為例

集成電路材料技術的突破是實現器件革新及工藝升級的前提。但是,當前學術界對集成電路材料領域的研究主要集中在材料的性能提高和應用拓展上,較少去挖掘該領域內潛在的顛覆性技術。因此,本部分以集成電路材料為例,運用“突變-演化”模型去識別該技術領域的顛覆性技術,識別結果將對未來集成電路材料顛覆性技術的前瞻布局具有指導意義。

2.1 專利數據采集

本文借鑒劉云等[30]的研究方法,首先從文獻資料中提取集成電路材料技術主題,初步建立技術分類體系;其次,參考《集成電路產業(yè)全書》、《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等資料制定各技術主題的專利檢索策略;最后,建立集成電路材料主題分類標準,包括硅片及硅基襯底材料、非硅基襯底材料、光刻膠、掩模版、拋光材料、靶材、電子特種氣體、工藝化學品以及封裝材料9類(見表3)。

表3 集成電路材料技術主題分類

本文以IncoPat專利數據庫的公開專利為基礎,考慮到專利數據的完整性,設定時間檢索區(qū)間為2014年1月1日到2022年12月31日,檢索日期為2023年4月1日,結合前文的技術主題分類進行專利檢索。通過人工去噪后,初步檢索得到9大技術主題的專利共計85 358項,經數據清洗與處理后,共獲得有效專利52 676項。

2.2 技術突變值計算結果

根據表1中的計算公式,分別計算9個集成電路材料技術主題的技術特征指標值,標準化處理后結果如表4所示。其中,在計算TAD時,由于每個技術主題內所含的IPC主分類號小類數量不一,需要選取每個技術主題下IPC小類專利數量排名靠前的10個小類進行類別相似度測算。在計算TCD時,選取每個技術主題下被引證次數由大到小排名前500的專利,檢索目標專利的施引專利,計算前向引用專利所包含的IPC小類類別總數量。

表4 標準化處理后各主題技術特征指標值

將各特征指標值代入到顛覆性技術突變模型中,先運用熵權法計算出底層指標權重并排序,再根據歸一化方程及指標相關性求取上層指標值(見表5)。

表5 演化特征指標權重及突變模型

以“非硅基襯底材料”主題為例,二級指標T1包含3個三級指標,匹配燕尾突變模型,指標排序為TER>TAC>TII,且指標數據之間有很強的相關性,可以使用“互補原則”,故:

二級指標T2包含2個三級指標,匹配尖點突變模型,指標排序為TAD>TGC,指標間存在相關性,故:

二級指標T3包含4個三級指標,匹配蝴蝶突變模型,指標排序為TAN>TSR>TCR>TCD,指標間存在相關性,故:

一級指標T包含3個二級指標,匹配燕尾突變模型,指標排序T2>T3>T1,因為顛覆性技術在其技術生命周期的不同時間段呈現的特征不一,所以用于表征顛覆性技術階段性特征的二級指標間無明顯相關性,采用“非互補原則”,大中取小,故:

按照以上步驟,計算出“非硅基襯底材料”的技術突變值為0.773,進而計算其他主題的技術突變值,計算結果如圖4所示,技術突變值越大則圓弧越完整,可得出突變顯著的技術主題為:A4(掩模版)、A3(光刻膠)、A5(拋光材料)、A7(電子特種氣體)、A2(非硅基襯底材料)。

圖4 集成電路材料各主題技術突變值

2.3 技術演化值計算結果

在突變模型數據處理的基礎上,本部分按顛覆性技術演化模型的步驟,利用科技文本分析軟件ITGInsight[31],對2014-2022年集成電路材料9大技術主題進行演化分析。

首先,提取各技術主題專利數據項,設置過濾器、停用詞表、字典,經數據清洗生成數據分析文件“.dataset”,再轉化為可視化文件“.itgn”。進一步地,分析技術術語,篩選TF-IDF相對值大于0.002作為技術關鍵詞,并由大到小排列(見表6),組成集成電路材料技術主題詞庫。

表6 集成電路材料技術關鍵詞庫

其次,采用K-Means算法對技術關鍵詞進行主題聚類,使用ITGInsight軟件輸出主題趨熱情況,可得出近10年集成材料領域的技術熱點主要集中在“光刻膠”“氮化物”“單晶硅”等主題。

再次,結合時間維度,繪制集成電路材料領域技術演化圖(見圖5)。由演化模型的分析方法可知,近10年間“光刻膠”“等離子體”等一直保持著熱度,再從演化路徑特征中可以推定“光刻膠”“納米材料”為候選顛覆性技術?！疤蓟琛薄把趸\”“磷化銦”等技術點的演化路徑中呈現技術突現、擴散的特點,可推定為潛在顛覆性技術。

圖5 集成電路材料技術演化圖

以“等離子體”為例,等離子體材料可引入選擇性氣體,在硅晶圓表面高精度刻蝕加工,也是薄膜沉積的關鍵材料,2014-2015年技術點在熱度和位次上都有明顯的遞增,賦值3;2015-2016年位次降低,賦值-2;2016-2017年熱度和位次都大幅降低,賦值-3;演化分析直至2022年,累加各年度賦值并除以總時間跨度,可得演化累積值為0.111。同樣的方法,可以計算各技術點賦值,見表7。

表7 集成電路材料技術演化分析

最后,結合演化路徑賦值規(guī)則,逐年判斷演化顯著的技術點形態(tài),按所屬技術主題歸類累加,再歸一化處理后可得各主題的技術演化值,見表8。

表8 集成電路材料各主題技術演化值

2.4 集成電路材料顛覆性技術識別結果及驗證

結合上述分析結果,將“突變-演化”模型的技術識別結果映射到平面坐標系中,橫軸為技術突變值,縱軸為技術演化值,繪制技術識別坐標圖。根據技術類別判定規(guī)則,將“非硅基襯底材料”“封裝材料”和“光刻膠”等主題歸類為顛覆性技術,將“電子特種氣體”“拋光材料”和“掩模版”等主題歸類為突變性技術,其余可歸類為漸進性技術(見圖6)。

圖6 集成電路材料技術識別坐標圖

相較于已有研究中僅采用突變模型的顛覆性技術識別結果[13],本文采用的基于“突變-演化”模型的顛覆性技術識別方法,不僅客觀測度了技術的突變性,還直觀呈現了技術的演化性,實現了顛覆性技術演進規(guī)律的充分把握。為了進一步驗證模型的識別結果,借鑒陳旭等[25]的驗證方法,本文將候選顛覆性技術與《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2021版)》《通過創(chuàng)新引領美國半導體研發(fā)》《美國創(chuàng)新、美國增長:國家半導體技術中心愿景》及《新材料產業(yè)發(fā)展指南》等政策報告進行比對。近幾年,西方國家加強了在“3D堆疊器件”“二維材料”等技術投資,優(yōu)先保障“先進光刻工藝”等材料供應鏈的安全自主。我國2021版的重點新材料目錄將“氮化鎵單晶襯底”等列為關鍵戰(zhàn)略材料;“十四五”規(guī)劃將“寬禁帶半導體”的發(fā)展列為科技前沿領域攻關任務,并要求加快“光刻膠”等高純材料關鍵技術突破。由此可見,各國政府都敏銳洞察到“光刻膠”“封裝材料”“非硅基襯底材料”等技術主題的顛覆性,并積極進行戰(zhàn)略布局,這也充分印證了本文提出的“突變-演化”模型在顛覆性技術識別上的有效性和實用性。

3 研究結論

精準識別顛覆性技術有助于國家錨定科研布局方向。本文基于對顛覆性技術突變特征及演化路徑的深刻理解,構建顛覆性技術“突變-演化”的識別模型,并結合2014-2022年的全球集成電路材料領域的專利數據展開應用研究。本文得到的主要研究結論如下:

第一,構建了顛覆性技術突變模型。本文基于顛覆性技術的演進特征,從初期影響力、交叉耦合度、技術涵蓋面三個維度出發(fā),構建特征指標體系,并結合熵值法計算指標權重匹配突變模型,計算出技術突變值,篩選出突變顯著的集成電路材料主題為:掩模版、光刻膠及拋光材料等。

第二,構建顛覆性技術演化模型。本文基于顛覆性技術演化過程中的特征變化,從技術主題詞庫、技術熱點演化兩個維度出發(fā),分析技術演化路徑的變化,并結合時間維度區(qū)分不同技術類別的技術路徑,計算出技術演化值,選出演化特征明顯的集成電路材料主題為:光刻膠、封裝材料及非硅基襯底材料等。

第三,我國集成電路材料產業(yè)長期受制于人,先進材料存在著被其他國家和地區(qū)“斷供”的風險。本文利用“突變-演化”顛覆性技術識別模型,基于集成電路材料九大技術主題的專利數據,識別出集成電路材料顛覆性技術主要存在于:一是光刻膠,包括納米壓印光刻膠,大分子自組光刻膠、極紫外光刻膠、電子束光刻膠等;二是非硅基襯底材料,包括化合物半導體、碳納米管、石墨烯、二維層狀材料等;三是封裝材料,包括聚酰亞胺、積層絕緣介質材料、熱固性環(huán)氧樹脂、有機基板材料等。該結果與目前集成電路材料領域技術發(fā)展情況較為一致,也證明了本文所構建“突變-演化”顛覆性技術識別模型具有一定的科學性和合理性。

相較于該領域的已有文獻,本文彌補了現有研究對于顛覆性技術演進特征界定、突變模型匹配及演化路徑分析的不足,實現了對顛覆性技術的精準識別,為后續(xù)相關研究提供了一定的借鑒。然而,受限于專利數據庫的影響,本文構建的識別模型在未來也需要進一步優(yōu)化:一是豐富突變模型的指標篩選,二是拓展演化模型的分析步驟。