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李林莉, 李佼阳, 汤娟, 尹湘凡, 张建. 美国国防高级研究计划局近5年国防科研经费预算活动的趋势与特点[J].世界科技研究与发展, doi:10.16507/j.issn.1006-6055.2022.11.009.
李林莉 李佼阳 汤娟 尹湘凡 张建
（四川九洲电器集团有限责任公司）
摘要：本文以美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）发布的2019—2023财年研究、开发、试验与鉴定预算申请文件为依据，对近5年DARPA的经费预算总体情况和各科研活动阶段投向趋势进行了数据统计和可视化呈现，并进一步探究了项目变化情况，以及DARPA国防科研活动的特点。研究认为，DARPA近5年以来的国防科研经费预算资金重点投向了微电子、高超声速和人工智能等新兴领域，希望凭借这些领域的技术突破，实现美军现代化高端军事能力建设的目标。除了注重颠覆性技术研发以外，DARPA国防科研活动的另一个特点在于，注重新兴技术领域知识链、创新链和产业链的无缝集成，加强与工业界与军兵种的结合，实现研究成果向军兵种快速过渡，以期大力提升美军的未来作战能力。
关键词：国防科研预算；微电子；人工智能；超高声速
研究国内外某个科研资助机构历年的经费资助情况是获取科学技术领域发展动向和趋势的一种常用手段。比如，谢敏通过分析2015-2019年我国国家自然科学基金预防医学领域项目资助数据，得出我国预防医学的研究热点及主要方法；姜维通过分析德国研究基金会近50年来在地球科学领域的资助布局，发现气候研究和海洋研究是最受关注的研究重点和前沿领域；赵倩通过分析美国国防部历年导弹采办预算，探讨了当前美国导弹的发展特点及趋势等等。许多战略研究都采用科研预算统计分析法得出了科学的结论。
美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）是美国国家科技创新的典型代表，长期致力于探索美国国防技术新概念，感知军方未来的潜在需求，从事前瞻性高科技关键技术研发和“危难险重”科研任务，素有“美军颠覆性技术研究的风向标”之称。透过DARPA国防科研经费预算文件，可以洞察美军网络安全、数据智能、高超声速技术等领域的研发方向、项目进展情况，甚至对美军未来武器装备能力做出研判。
本文采用机构经费投入统计分析方法，对DARPA 2019—2023财年的国防科研经费预算文件进行统计，全面分析其各科研阶段、各技术领域活动，希望从这一角度洞察美军未来技术趋势和军事能力。
1 国防科研经费预算总体情况
2019—2023财年，DARPA国防科研经费预算从34.26亿美元增加到41.19亿美元，总体增长额达到近7亿美元。其中，2019财年执行经费为34.26亿美元，2020财年执行经费为35.71美元，2021财年执行经费为35.04亿美元，2022财年批准经费为38.68亿美元，2023财年申请经费为41.19亿美元（图1）。统计表明，除2021财年经费略有下降以外，其余年份均有所增长，并且2022和2023财年经费增幅较大。2021财年经费略有下降，是由于生物医学技术、战术技术和材料与生物学技术等应用研究领域的投入缩减；2022和2023财年经费增长明显，是由于数学和计算科学、基础作战医学、超越摩尔定律科学等基础研究领域，以及信息与通信技术、电子技术和材料与生物学技术等应用研究领域的投入明显增加。
DARPA国防科研经费分布在基础研究、应用研究、先期技术发展和管理保障4个经费预算活动阶段。每个经费预算活动阶段分为3个层次，分别为计划单元、项目和子项目，其中计划单元代表大的技术领域分类（固定用于机构管理保障的计划单元除外），项目代表技术领域内具体技术发展方向，项目下设若干子项目，定义明确的需求、成本、项目起始点，从多种路径开展具体研究工作，切实推动技术发展。2019—2023财年DARPA科研活动阶段平均经费如图2所示。
从经费配比来看，应用研究和先期技术发展两个阶段的经费之和约占总经费的82%。由此可见，DARPA国防科研的最主要任务是开展与实际应用结合更为紧密的应用研究和先期技术发展研究。其中，应用研究阶段探索基础研究成果在军事上应用的可能性和技术可行性，瞄准的技术成熟度（Technology Readiness Level，TRL）为3~6级；先期技术发展则通过实物试验和演示，验证基础研究和应用研究的成果在装备研制中的可行性和实用性，瞄准的TRL为3~7级。
2 科研活动阶段预算趋势及项目变化分析
2.1 基础研究预算趋势及项目变化分析
2019—2023财年，DARPA在基础研究阶段的平均经费投入约5亿美元，设置2个计划单元——国防研究科学和基础作战医学（图3）。其中，国防研究科学计划单元包含6个项目，基础作战医学计划单元包含1个项目（表1）。
统计表明，2019—2023财年，DARPA基础研究阶段的绝大部分经费（超4亿美元）投向了国防研究科学计划单元，2021年达到最大值（4.49亿美元），此后呈逐渐下降趋势，项目变化包括：1）网络科学项目。其下设的3个子项目（透明计算、网络安全的空间/时间分析以及安全战），均于2019财年完成，导致此后不再有经费投向网络科学项目。2）数学和计算科学项目在2023财年的投入下降明显，这是因为其下2个子项目（世界建模师和高级建模与仿真工具）已于2019财年完成，5个子项目（基础人工智能科学、备选计算、人类社会系统、安全文件以及较少标签学习）完成了技术研发工作，开始进入技术验证阶段。3）变革性科学和电子科学两个项目的投入随着子项目研发工作的推进，总体经费投入逐年下降。
基础研究阶段的另一个计划单元——基础作战医学计划单元，包含1个同名项目，即“基础作战医学”项目。DARPA在“基础作战医学”方向的总体预算较少，但近5年来呈逐渐上升趋势，项目变化包括：2019—2023财年间，子项目的数量逐年递增，从2019财年的4个子项目（含1个结题子项目）增加到2023财年的7个子项目，其中，2020财年新增“增强型干预”子项目，2021财年新增“生理超配”和“抗击微生物病原体”子项目，2023财年新增“评估免疫记忆”子项目。
从子项目的设置来看，2019—2023财年，DARPA在基础研究阶段共列编56个子项目。基础人工智能科学子项目投量最多，约为2.4351亿美元。在近5年经费投入排名前10的子项目中（图4），人工智能技术项目有4个。由此可见，人工智能技术是DARPA基础研究阶段的重点，印证了美国先进赋能技术项目重点关注人工智能技术领域的规划。
2.2 应用研究预算趋势及项目变化分析
2019—2023财年，DARPA在应用研究阶段的平均经费投入约14.5亿美元，分布到6个计划单元：生物医学技术、信息与通信技术、生物战防御、战术技术、材料与生物技术以及电子技术（图5）。各计划单元下设的项目及经费分布如表2所示。
从经费配比来看，信息与通信技术和电子技术两个计划单元的经费投入较高。其中，2019—2022财年间，信息与通信技术的经费预算一直高于电子技术，但2023财年被电子技术反超。战术技术和材料与生物技术两个计划单元的经费投入居中。其中，2019—2020财年，战术技术的预算略高于材料与生物技术；2021财年两个计划单元的预算相同；但2022—2023财年，材料与生物技术的预算超过了战术技术的预算。生物医学技术和生物战防御两个计划单元投入较少且较为平稳。
从预算增长趋势来看，电子技术计划单元在2022—2023财年间增长最为迅猛，近5年以来的投入增加了超过2亿美元，约68%，体现了先进电子技术对军事应用和重大国家安全问题的重要性。随着军用小型化系统的需求与日俱增，先进的微电子设备将对提高武器装备的效能、情报能力和信息优势将起到至关重要的作用。因此，美军亟需在电子设备、光电设备、微机电系统和半导体设备的设计与制造，以及新材料和材料结构等微电子技术领域取得突破。尤其是，未来10年间，传统的硅晶体管尺寸将开始遇到基本物理性质的限制，进而限制电子器件性能的持续进步。因此，DARPA大大增加了在“超越摩尔定律”项目上的投入，甚至该项目2023财年申请经费比2022财年批准经费高出接近一倍，以便迎接电路专业化时代的到来。
从子项目的设置来看，2019—2023财年，DARPA在应用研究阶段共列编165个子项目。在近5年经费投入排名前10的子项目中（图6），前5名子项目均属于微电子技术领域，并且其中3个项目属于材料科学领域。由此可见，DARPA近几年重点开展后摩尔时代应用技术研究，而研究新材料是突破路径之一。此外，排名前10的子项目中，有2个子项目属于人工智能技术领域，可见人工智能技术同样是应用研究阶段的重点。
2.3 先期技术研究预算趋势及项目变化分析
2019—2023财年，DARPA在先期技术研究阶段的平均经费投入约16亿美元，分布到6个计划单元：先进航空航天系统、空间项目与技术、先进电子技术、指挥控制与通信系统、网络中心战技术和传感器技术（图7）。各计划单元下设的子项目及经费分布如表3所示。
从经费配比来看，网络中心战技术计划单元的经费投入最高，其近5年总投入占先期技术研究阶段总投入的约36.48%，这与美军近年来提出并实施的“分布式作战”“马赛克战”等协同作战概念有关。协同作战要求美军利用先进的网络技术、自主技术和信息技术，实现各军种之间、军种内各级部队之间的无缝链接。为此，DARPA在网络中心战技术单元投入较大资金，启动“联合战场系统”“海上系统”“网络中心战技术”等预研项目，聚焦武器系统作战协同能力提升，不断突破协同关键技术、研制协同节点装备并演练协同作战技术。
从预算增长趋势来看，先进电子技术计划单元增长最快，2023财年预算相比2019财年增长了约1.5倍。该计划单元是电子技术领域基础研究和应用研究工作的延续，致力于对适用于各种两用电子设备、微电子设备、传感器系统以及光子和电子集成元件的先进制造与处理技术进行演示验证，以便实现微电子器件领域知识链、创新链和产业链的无缝集成，使商用技术快速满足军用需求。
从子项目的设置来看，2019—2023财年，DARPA在先期技术研究阶段共列编93个子项目（不含机密项目）。在近5年经费投入排名前10的子项目中（图8），涉及高超声速技术领域的子项目有3个，是排名前10的子项目中经费投入最多的领域。其中，“吸气式高超声速武器概念”和“战术助推滑翔”2个子项目聚焦高超声速打击武器演示验证；“作战火力”子项目则聚焦陆基高超声速武器系统演示验证。此外，排名前10的子项目中，“超越摩尔定律-访问”和“下一代微电子原型——公私合作”两个子项目表明，DARPA已经开始探索微电子基础技术在产业链中的实现。
3 国防科研活动特点分析
从上文2019—2023财年DARPA在各科研活动阶段的重点投向和子项目设置情况可以看出，DARPA近5年的国防科研活动呈现出以下3个特点。
3.1 持续加大微电子、高超声速和人工智能等新兴技术领域经费投入
随着美国战略中心转向大国竞争，美国高度重视微电子、高超声速和人工智能技术等现代化高端军事能力建设，在战略规划和资源投入方面大幅倾斜。美国参议院提交的2023财年国防授权法案执行摘要文件，拟向微电子供应链、高超声速测试和原型制造、赛博空间作战效应和人工智能技术开发应用追加投资，但未明确经费数目。该法案能够向美国以及欧洲和印太地区盟国提供重要支持，应对持续存在的威胁。通过在新兴技术方面增加经费投入，能够增强美国等国家的进攻能力和赛博防御能力，并通过高超声速技术、人工智能技术的赋能，提升各军种的关键作战优势。
2019—2023财年DARPA国防预算文件也印证了上述趋势。基础研究、应用研究和先期技术研究三个阶段的资金重点投向了微电子、人工智能和高超声速等技术领域。
3.2 全方位开展微电子技术项目研究，加速微电子关键技术突破与微系统实现
美国国防部将微电子技术列为四个供应链重点领域之一。微电子技术是构建对潜在对手压倒性技术优势的主要因素。目前，大部分微电子生产能力、组装和测试都不在美国本土。因此，美国在2023财年将加强本土微电子工业基础，主要措施包括：建立一个区域中心网络，开发微电子相关技术，改善制造工艺；建立一个政府-工业界共同组建的微电子工作组，为研究、开发和制造的“共同利益”相关方提供资源支持。
2019—2023财年DARPA设置了大量微电子技术研究项目，旨在克服硅晶体管缩放的摩尔定律限制，通过材料、设备和架构等新兴技术研发，持续改进电子设备性能。采用微电子技术与计算机、材料、机械等跨学科融合的方式，DARPA从设计、制造、封装、组装与测试等各个环节对微系统相关新技术进行全流程探索。另外，在探索新概念、新技术的同时，DARPA还与工业界合作开展微电子原型设计，力求尽快实现微系统在武器装备中的应用。
从项目资助关系来看，应用研究阶段的电子技术计划单元下的超越摩尔定律技术项目群与基础研究阶段的国防研究科学计划单元下的超越摩尔定律科学项目群资金流动与技术交互颇为密切。除此之外，先期技术发展阶段的先进电子技术计划单元下的超越摩尔定律先进技术也参与到该关系网中，说明关于超越摩尔定律的微电子技术领域实现了知识链、创新链和产业链的无缝集成。DARPA认为在未来十年内，传统的硅晶体管尺寸将开始遇到基本物理性质的限制，进而限制电子器件性能的持续进步，超越摩尔定律的相关研究寻求方法开发新的电子系统,以迎接电路专业化时代。超越摩尔定律科学资助的大部分研究都同时处于基础研究和应用研究阶段。
3.3 各项研究成果陆续过渡到美国各军种或其他机构，提升未来作战能力
DARPA已完成的研究项目会陆续过渡到美国海、陆、空等军兵种或其他机构。因此，各项预算阶段中典型转化项目的分析，可以挖掘各军兵种与机构未来能力的发展方向。
2019—2023财年，DARPA计划陆续将项目研究成果过渡到军兵种。比如，宽带加密和受保护的发射机与接收机、网络普遍持久性和军事战术工具等项目的转化，使陆军获得强大且可靠的无线电通信能力，帮助陆军形成不可预测、快速重构、灵活且适应性强的军事力量，为“马赛克战”概念发展提供支撑。全源作战行动与目标瞄准、“小提琴手”等项目的转化，提高海军的战场空间感知与生存能力。空战演进项目的转化，加速空军飞行员从飞机操作员到任务作战指挥官的转变。天基自适应通信节点、分布式雷达成像技术、热成像技术试验-侦察等项目的转化，增强空军太空部队的空间态势感知能力。任务集成网络控制、弹性组网分布式马赛克通信、受保护前向通信、动目标识别等项目的转化，为陆军、空军和空军太空部队提供敏捷、自愈、异构和超视距通信能力和地面动目标的自动探测、跟踪、成像与识别能力，确保各级梯队之间大量信息的可靠交换，并且实现作战行动的精准协调。动态组合射频系统项目的转化，提升陆军、海军和海军陆战队的射频频谱优势。
4 总结与启示
近5年以来，DARPA国防科研经费整体呈上升趋势，大部分投向了应用研究和先期技术发展阶段。基于科研活动投量、项目资助关系和技术转移的数据统计分析发现，人工智能技术是DARPA基础研究阶段和应用研究阶段的投入重点，印证了美国先进赋能技术项目重点关注人工智能技术领域的规划。微电子技术是贯穿于基础研究、应用研究、先期技术发展三个阶段的重点，尤其是“超越摩尔定律”系列子项目的启动，大大增加了经费支出，体现了美军亟需在微电子技术领域取得突破，使商用技术快速满足军用需求。超高音速技术是先期技术发展阶段投入的重要领域，表明美军近年来致力于高超声速武器化，大力推进高超声速打击武器和防御技术发展。
总而言之，DARPA的国防科研预算布局呈现出研究领域广、覆盖技术成熟度全、成果转化速度快等特点。我国在规划国防科研经费的时候，可借鉴DARPA模式的先进经验。领域分布上，既要覆盖全面的军事现代化技术，又要重点支持“卡脖子”难点技术。研究程度上，既要有可与现役装备快速集成的应用研究，又要有促进各作战域和装备发展的基础技术研究，甚至还要有天马行空的超前研究，做到既能满足当下的需求，又能为未来几十年做好技术储备。成果转化上，项目应以作战需求为导向，通过产学研联合研发和快速应用于装备的方式，促成短期内从科研成果到产业化的成功跨越。
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