1.1　数字经济的发展背景

数字经济是数字技术创新驱动的经济形态。自1946年起，计算机、集成电路、互联网、移动通信、人工智能等数字技术的重大创新推动了数字经济的新发展。作为一种新的技术—经济范式，数字经济的发展起源于基础科学创新，之后通过数字技术创新、技术扩散和技术应用融合引发了新一轮的产业革命，最终用数字技术、信息网络、数据，以及新的信息、知识和数字智能为企业带来了新的生产力和市场竞争优势。

1.1.1　基础科学创新

数字技术的创新起源于数学、物理、热力学、电磁波理论、信息论、控制论、计算机科学等基础科学研究的巨大进步，如图1-1所示。这些基础科学理论或实践的创新改变了经济社会发展的历史。

二进制是计算机科学的计数基础。早在17世纪中叶，德国数学家莱布尼茨（G.W.Leibniz）就提出了以2为基数的二进制，只用0和1进行计数，他说“用一，从无，可生万物”。1854年，英国数学家布尔（G.Boole）开创了基于二进制的布尔代数。

熵和信息论的发展让信息可以被度量，这为计算机和通信技术的发展奠定了理论基础。1865年，德国数学家克劳修斯（R.J.E.Clausius）提出了熵的概念。这个概念描述了热力学中热量从高温物体流向低温物体的不可逆过程的量。1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼（L.E.Boltzmann）从统计物理学的角度研究热力学不可逆过程及熵的微观意义。他认为系统中微观粒子的运动可以解释系统的宏观现象，并对熵做了定义。他提出“熵是系统内分子热运动无序性的一种量度”，并提出用“S=klnW”的关系式表示系统无序性的大小。1878年，美国物理化学家吉布斯（J.W.Gibbs）将熵的定义进一步拓展到了更广泛的物理系统中。他提出“熵是一个关于物理系统信息不足的量度”，这使物理学不得不考虑事件的不确定性和偶然性，也使人类对信息的科学认识有了重大进步。1928年，美国科学家哈特莱（R.V.Hartley）在研究信息传输时提出了信息量的计算公式：I=logm，其中，I是信息量，m是信源以相等可能产生的消息的数量。1948年，美国科学家、信息论的奠基人香农（C.E.Shannon）提出了信息熵的概念，并用熵首次给出了信息（量）的明确定义。香农信息熵的公式为，其中S是信息熵，是对信息的量度；i是多种可能性中的某种可能性；Pi是发生可能性i的概率。

计算机科学是在20世纪三四十年代兴起的，对计算机科学产生了深远影响的英国科学家图灵（A.M.Turing）、美国科学家香农及冯·诺伊曼（J.V.Neumann）、美国数学家哥德尔（K.Gödel）等人的基础理论创新推动了电子计算机的诞生和快速发展。1931年，哥德尔证明了任何一种逻辑系统（包括数学系统）都不能用于证明它本身的相容性，所有逻辑体系都依赖它们自身之外的定理。图灵将哥德尔的证明扩展到计算机科学。在1937年发表的论文《论可计算数及其在判定问题上的应用》中，图灵描述了一种“逻辑计算机器”，这个机器在理论上可以处理任何计算，它后来被称为“图灵机”。同样是在1937年，香农完成了硕士论文《继电器与开关电路的符号分析》，在理论上表明利用继电器电路执行二进制数学运算是可能的。至此，电子数字计算机的实现路径日渐清晰，图灵机可以使用简单的二进制编码指令解决数学和逻辑学的问题。1945年，冯·诺伊曼等人进一步设计出了带存储器的现代计算机的体系结构。

信息通信科学的发展得益于丹麦物理学家奥斯特（H.C.Oersted）、法国物理学家安培（A.M.Ampère）、英国物理学家法拉第（M.Faraday）及麦克斯韦（J.C.Maxwell）、德国物理学家赫兹（H.L.Hertz）、美国科学家哈特莱及香农等人的科学研究。1820年，奥斯特发现电流存在磁效应。1831年，法拉第提出了电磁感应定律，引入了电场和磁场的概念。1873年，麦克斯韦出版了《电磁通论》，建立了完整的电磁理论体系。1888年，赫兹证实了电磁波的存在。1948年，香农的论文《通信的数学理论》发表，成为现代信息论的开山之作，为信息通信的发展奠定了理论基础。1961年，美国科学家克兰罗克（L.Kleinrock）的论文《大型通信网络的信息流》发表。他提出了分组交换理论，即将信息变成很多数据包，然后通过网络传输出去，接收到数据包后再进行重新组合。这为互联网的发展奠定了理论基础。

人工智能的基础科学创新也始于20世纪四五十年代。1943年，美国心理学家麦克洛奇（W.McCulloch）和数学家皮茨（W.Pitts）第一次提出了单个神经元的形式化数学描述M-P模型，该模型可执行逻辑运算。这开创了人工神经网络的时代，也奠定了神经网络算法的基础。20世纪50年代，人工智能研究学者明斯基（M.Minsky）、麦卡锡（J.Mccarthy）、纽厄尔（A.Newell）和西蒙（H.A.Simon）等，分别提出了人工智能框架、人工智能语言、逻辑理论机器与通用问题求解程序等理论，并因此分别获得了1969年、1971年和1975年的图灵奖。1956年，纽厄尔和西蒙等科学家编制了“逻辑理论机”（Logic Theory Machine），这个程序证明了《数学原理》第二章中的38条数学定理。1960年，他们又定义了通用问题求解程序（General Problem Solution，GPS）的逻辑推理框架。在人工智能60多年的发展中，其科学研究分为逻辑主义和连接主义两大流派，两大流派此消彼长，相互争论。直到20世纪80年代中期，以神经网络为基础的连接主义迅速发展起来。1983—2006年，加拿大科学家辛顿（G.E.Hinton）等人提出了一系列神经网络算法，并进一步提出了深度学习算法，将人工智能科学研究推向了一个崭新的高度。

区块链的理论创新始于21世纪初。2008年，“中本聪”（S.Nakamoto）在密码学讨论组贴出一篇论文，题目是“比特币：一种点对点的电子现金系统”，他在论文中阐述了他对数字货币的新构想并提出了区块链的理论框架。2013年，布特林（V.Buterin）发布了《以太坊白皮书》，他将智能合约引入区块链，建立了“图灵完备”的区块链技术通用平台。

这些基础科学理论和实践创新源自伟大的科学家。尤其是自20世纪30年代以来，欧美等发达国家的大量基础科学研究人才在政府或私人资本的资助下完成了基础科学研究成果的重大突破。这些突破为随后5～10年的数字技术创新提供了理论指导，也为随后20～40年的数字技术的扩散和数字产业的发展奠定了基础，它们对数字经济的发展起到了关键作用。

1.1.2　数字技术创新

基础科学研究的创新成果很快通过大学、科研机构和大型企业的研发中心扩散到了产业界，推动了数字技术（也被称为信息通信技术）的研发和产业化，为消费者提供了一批批创新的数字产品。1946年，世界上第一台电子数字计算机诞生；1958年，集成电路被发明；1969年，互联网诞生；1974年，个人电脑研发上市；1979年，移动手机出现；1989年，万维网诞生；2007年，苹果智能手机iPhone上市；2008年，比特币被发明；2014年，谷歌无人驾驶汽车上路；2016年，AlphaGo围棋战获胜；2020年，全球智能互联网的雏形日渐清晰。数字技术创新的发展历程如图1-2所示。

计算机技术创新推动了计算机产业的发展。1946年，在冯·诺伊曼的指导及莫奇利（J.W.Mauchly）、埃克特（Eckert J.P.Jr.）等人的共同努力下，世界上第一台电子数字计算机埃尼阿克（Electronic Numerical Integrator and Computer，ENIAC）诞生了。同样在1946年，贝尔实验室的科学家巴丁（J.Bardeen）、布拉顿（W.H.Brattain）和肖克莱（W.Shockley）发明了晶体管。1958年，德州仪器公司的工程师基尔比（J.S.Kilby）发明了第一块集成电路。1971年，英特尔公司制造出世界上第一个微处理器4004。随着电子和计算机技术的创新，计算机产品也经历了大型主机、服务器、个人桌面计算机、笔记本电脑等发展阶段。

通信网络技术创新推动了信息通信行业和互联网的发展。1837年，美国画家莫尔斯（S.F.B.Morse）申请了电报专利。1876年，贝尔（A.G.Bell）获得了电话专利权。1957年，苏联发射了第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”，人类成功开拓了卫星通信技术领域。1964年，美国军方的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）投入使用。1965年，美国研制出第一部程控交换机。1970年，法国正式开通第一部程控数字交换机。1969年，美国国防部研究计划署（Advanced Research Project Agency，ARPA）支持的阿帕网（ARPANET）项目在BBN科技公司的努力下获得成功，它实现了美国西南部的加利福尼亚大学洛杉矶分校、斯坦福大学研究学院、加利福尼亚大学和犹他州大学的四台计算机的远程连接和信息传输。阿帕网还不是现在的互联网。1973年，瑟夫（V.Cerf）和卡恩（R.E.Kahn）致力于解决不同网络相互连接的问题，他们启动了互联网项目，制定了TCP/IP协议，互联网从此诞生了。至此，数据可以自由通过互联网的网络通道并以数据包的形式传输到网络中的其他计算机。近50年来，互联网经历了窄带互联网、宽带互联网、移动互联网、智能互联网等发展阶段，逐步把全球的政府、企业和个人广泛地连接在一起。互联网使数据在全球范围内自由流动，让经济社会活动能够24小时在线，互联网逐步成为商业社会的重要基础设施。

传感器、仪器仪表和现代分析技术的创新推动了传感器、仪器仪表等产业的发展。随着电磁理论的应用，力、声、光、磁、射线、气敏、温度、湿度、电压敏感、位置、位移、长度、角度、速度、液位、流量、化学、生物等传感器技术不断创新发展，并逐渐成为物联网（Internet of Things，IoT）、自动化、仪器仪表等行业的核心技术，同时不断向高精度、微型化、网络化和智能化方向发展。随着各个领域科学技术的发展，高端分析仪器、导航定位授时技术、遥感技术、天体观测技术、显微镜技术、生命科学仪器、量子精密测量等数据采集技术不断创新，将人类的数据采集能力拓展到从宇宙天体到微观世界的各个角落。

软件技术的发展推动了软件和信息服务产业的发展。操作系统是软件的核心，计算机操作系统的发展经历了主机操作系统、服务器操作系统（如UNIX操作系统）、桌面操作系统（如微软Windows）、移动操作系统（如苹果iOS、安卓Android）等。应用软件是面向具体经济社会需求的软件，如办公自动化软件、计算机辅助设计软件和企业资源管理软件等。互联网的普及和发展进一步引发了软件技术的革命，让各类软件转换为部署在云上的各种前端应用服务，如各种移动应用App。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术创新推动了智能产业的发展。到2020年，人工智能技术创新已经发展了约60年，期间大致经历了三个阶段：第一阶段是实现数据计算、记忆与存储的“计算智能”阶段，主要依赖计算机技术；第二阶段是识别和处理语音、图像、视频数据的“感知智能”阶段，主要依赖机器学习等技术；第三阶段是把数据转化为知识，实现思考、理解、推理和解释的“认知智能”阶段，主要依赖因果推理、知识图谱等技术。人工智能发展的终极目标是让机器实现与人类相比拟的智慧。20世纪60年代到80年代，基于知识规则的专家系统蓬勃发展。通过建立“知识库+推理机”，很多成功的限定领域的专家系统被研发出来，如识别分子结构的DENDRAL专家系统、医疗诊断专家系统MYCIN及计算机故障诊断XCON专家系统等。2011年，国际商业机器公司（IBM）的Waston智能机器在智能问答节目中成功挑战人类，获得问答冠军。随着数据的不断丰富和计算能力的日渐提升，辛顿于2006年在人工神经网络研究的基础上提出了深度学习算法。在著名的ImageNet数据集问题上，辛顿提出的深度学习算法取得了突出成效，这种算法将图像识别错误率从26%降低到了15%。2014年，谷歌GoogLeNet的22层神经网络已经将图像识别错误率降低至6.7%，超过了普通人肉眼识别的准确率。2016年，基于深度学习和增强学习技术的AlphaGo击败围棋世界冠军、职业九段棋手李世石。

区块链技术创新推动了加密数字货币的发展。比特币区块链是第一代区块链技术，但它还不是一个通用计算平台。2013年，以太坊（Ethereum）区块链上线，它能够支撑各种去中心化应用（DApp）的自动化运行。区块链是一项集成创新的技术，它是对等网络、分布式数据库、密码学、共识算法、智能合约等技术的组合式创新，构建了数字化信任系统。同时，区块链技术又与互联网、云计算、大数据、人工智能、物联网等其他数字技术共同构成了新一代智能互联网，打造了智能互联网的可信基础设施。

数字技术的创新一直遵循摩尔定律等指数级增长规律，并且它已从过去的数据采集、通信、计算、存储、分析、安全等数字技术的单点创新逐步进入以互联网、物联网、云计算、大数据、区块链和人工智能为代表的数字技术协同创新的阶段。

数字技术的创新是在大学、研究机构和IBM、施乐、仙童、贝尔等大型企业的资本投入下共同努力形成的，数字技术创新成果不断扩散到产业界，产生了全球信息通信产业。这既造就了IBM、微软、思科、英特尔、摩托罗拉、谷歌、亚马逊、腾讯、阿里巴巴等电子信息产业巨头企业，也产生了一批又一批创新的中小型企业，它们在美国、英国、日本、中国等国家分别形成了硅谷、西雅图、波士顿、伦敦、筑波、中关村等数字技术创新的高地。

1.1.3　新的产业革命

技术创新是经济增长的源泉，而且长期的经济增长是由少数几种关键技术推动的。经济学家称这些关键技术为“通用目的技术”（General Purpose Technology，GPT）。2005年，加拿大经济学家利普西（R.G.Lipsey）等人提出历史上长期推动技术进步的通用目的技术有24项，主要分为产品、流程和组织三大类，如表1-1所示[1]。在数字技术创新中，计算机技术、互联网技术等都可以被定义为通用目的技术。

技术创新对经济增长的促进是长期的，且具有周期性波动的特点。在20世纪20年代，苏联学者康德拉季耶夫（N.D.Kondratiev）就提出，每种技术在从诞生、扩散、普及到衰退的经济发展过程中都存在45～60年的长期波动[2]。这种长期波动在经济学中被称为康德拉季耶夫周期，其主要是由通用技术创新引发的，如图1-3所示。

通用目的技术的创新和扩散必然引发产业革命。第一次工业革命时期，蒸汽机的发明和应用推动了机械制造和铁路运输业的发展。第二次工业革命时期，电气化和自动化技术的创新和应用推动了装备制造业、能源、交通等产业的发展。第三次工业革命以数字技术的创新和应用为标志，它推动了电子制造、软件、信息通信业的发展，并逐步融入商务、金融、物流、生产制造等各个产业领域。数字技术创新是第三次工业革命的核心驱动力，其对产业革命的影响也才刚刚开始。

自1946年以后，世界经济持续快速增长，这得益于包括数字技术在内的各种技术创新。有数据表明，20世纪四五十年代以来，科技发明创造的总量超过了以前几千年人类发明创造的总和。这些科技革命的成果直接导致了社会劳动生产率和全要素生产率的提高，自动化、数字化机器的大规模使用使资本替代劳动的比例越来越高，资本向新涌现的数字技术的投入也越来越大，进一步加速了数字技术创新和产业化进程。