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            物聯網開發

            中美科技實力全領域對比 從AI、芯片到外太空誰能最終領先

              自2017年底以來,美國對華政策發生重大轉變,貿易摩擦和技術競爭逐漸成為兩國關系的焦點。中國力爭加強自主創新能力,掌握關鍵核心技術,做創新型大國。美國則以“中方強制美企技術轉讓,盜竊美方知識產權”等為由,對中國進行壓制。先進技術成為中美之間競爭和較量的主要舞臺。


              中國正在關注的前沿技術研究,包括量子計算和半導體,因為這是與美國爭奪創新至高無上地位的關鍵。


            中美科技實力全領域對比


              十四五規劃指出,將把“科技自給自足和自我完善作為國家發展的戰略支柱”。中國的研發支出在2021年至2025年間將每年增加7%以上,以追求技術上的“重大突破”。


              中國的計劃關注十個重點領域,包括新一代信息技術產業、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、生物醫藥及高性能醫療器械等。截至2018年,中國政府已投入數千億元用于支持這些領域的研發。


              直到2001年,美國每年的研發投入還大大超過中國。但是根據美國人文與科學院最近的一份報告,中國的研發投入去年首次超過了我們。過去20年,中國研發投入占經濟的比重增長了兩倍多。


              20年前,美國研究人員在科學和工程領域發表的專業文章是中國同行的4倍。20年前,中國每年授權發明專利不到2萬件,但到2018年,這個數字增加到40萬以上,比美國專利數量多10萬以上。


              中國在研發方面的巨大投入和努力為該國的經濟崛起貢獻良多。就在2007年,《財富》雜志世界500強企業中的美國企業數量是中國的6倍。而到2018年,中國已經接近美國。


              一、中美技術力量對比的總體分析


              近些年來,中國的整體技術實力逐步增強,成為有影響力的科技大國。然而,從科技大國到科技強國,中國還有很長的路要走。無論是從橫向范圍還是縱向差距看,美國技術實力依然全球領先。一些關鍵性基礎指標反映了中美技術實力對比的基本態勢:


             ?。ㄒ唬┲R創造是衡量科技實力的基礎指標,直觀體現為科學技術論文發文量和引用量。包括自然指數在內的多項權威統計數據顯示,近年來,從會議論文、同行評議期刊文章的數量來看,中國持續快速增長,與美國的差距不斷縮小,甚至在一些排名中已經超越美國。然而,在高被引論文數量和原創性上,中國仍較大幅度落后于美國。


             ?。ǘ┴斄ν度胧羌夹g創新的基礎。在研發支出總額上,美國長期處于世界首位。2008年以來中國的研發支出迅速增加,年均增長幅度遠高于其他國家,大有追平甚至超過美國的態勢。中國的研發強度快速加大,但與美國相比,尚存一定差距。中國對基礎研究的投入金額和比例仍遠低于美國。


             ?。ㄈ┘夹g競爭的核心在于人才,高等教育水平和科研環境優劣是考驗國家能否吸引、留住人才的關鍵。目前,中國在研發人員和潛在研發人員數量上取得領先。預計到2025年,中國的STEM博士畢業生人數將接近美國的兩倍。然而,美國在保證一定數量的前提下,具有相當程度的質量優勢。在各類排名中,美國高等教育具有壓倒性優勢。受美國政府禁令和新冠疫情的影響,近兩年在美學習的國際學生數量總體有所下降,但美國仍是國際學生首選的留學目的地。其相對寬松和鼓勵創新的科研環境也為科技人才所青睞,相當數量的海外學生在美國高校獲得STEM專業博士學位后選擇留美發展。


             ?。ㄋ模@暾埮c轉化在一定程度上體現國家的技術產出規模。中國在年度專利申請量(包括“申請人為本國國籍的專利申請量”和反映專利質量的“PCT專利申請量”)上已經超過美國,在專利有效量上與美國的差距逐漸縮小。然而,美國的專利技術領域分布較為全面、質量高,中國的專利結構則較為單一、質量較低。在專利轉化率和轉化效率方面,中國與美國尚存顯著差距,但逐步縮小的趨勢漸顯。


             ?。ㄎ澹﹨⑴c和主導國際標準制定的程度是國家技術創新水平和產業綜合競爭力的體現。美國主導了近幾十年國際技術標準的制定,且在市場上形成體系優勢,具有很大的話語權。隨著國內技術進步和產業發展,中國加快參與國際標準制定的步伐,在某些工業領域實現了“點的突破”。


              總體而言,中國在一些關鍵指標上取得革命性突破,中美總體差距不斷縮小,但美國仍保持著全局性和關鍵性優勢。需要強調的是,這些關鍵指標只能在一定程度上反映中美在基礎研究和應用領域的一般態勢,無法全面準確地展示中美技術力量對比的現狀與未來。由于技術力量的增減與創新能力直接相關,而創新具有非線性特征,任何一項指標都可能在創新過程中產生偏差。因此,哪怕對所有的指標進行對比分析,我們仍不能簡單地將其視為技術力量的真實體現。國家創新是一項動態性的系統工程,涉及“政產學研用”各個層次的發展。在現代復雜的工業體系里,創新往往既非單個主體能夠完成,也非單次能夠實現。除上述指標外,生產者與用戶之間的互動、戰略決策等都深刻影響著創新能力和技術實力。


              信息技術、人工智能、航空航天是當前中美技術競爭的三大代表性領域。這三個領域不僅具有科技與經貿層面的重要性,而且直接關系到中美在國家安全與戰略層面的互動。下文將分別對這三個領域進行重點分析。


              二、信息技術領域


             ?。ㄒ唬┲忻兰夹g實力對比


              集成電路及專用設備、信息通信設備、操作系統及工業軟件這三大領域是新一代信息技術產業發展的關鍵基礎,也是中美在信息技術領域競爭的焦點。其中,集成電路為絕大多數信息技術提供硬件基礎;通信設備是信息技術的核心媒介,也是集成電路最主要的應用領域之一;操作系統及工業軟件則是構建各類信息技術及其產業生態的重要軟件保障。三大領域連接緊密,相互影響。


              集成電路產業具有全球高度分工、相互依賴的特點。美國雖在晶圓制造等環節依賴于外國企業,但依然具有整體技術優勢;而美國政府也在試圖通過加大對集成電路產業的投資來保持領先地位。相比之下,中國的集成電路產業正處在高速發展期,已基本實現產品領域全覆蓋,但也存在企業多而不強、產業領域同質化發展和低水平重復建設現象嚴重、核心設備及零部件進口依賴度高等問題。


              在信息通信領域,中美技術實力差距相對較小。其中,中國在第五代移動通信技術(5G)上具有一定的專利優勢,并已開始布局和探索下一代技術;但近年來,美國也開始通過加大政府投資力度和與盟友合作等方式進行追趕。同時,中國企業雖然在各通信模塊的設計上已具有業內頂尖水平,但在射頻前端芯片等一些關鍵零部件上還受制于美日企業,自主可控能力有待進一步提升。


              在各類操作系統上,美國都具有明顯優勢,并掌握內核等核心技術。相比之下,中國國內的自主操作系統雖占有一定市場份額,但整體缺乏核心競爭力。美國企業在多數工業軟件分類中也保持領先地位。中國企業在經濟管理等具有數據敏感性的軟件上占據一定的國內市場份額,但在全球高端市場上始終難以突破;而在對信息技術發展較為關鍵的研發設計和通用工具類軟件(如EDA軟件)方面,中國與美國尚有較大差距。


             ?。ǘ┌踩h題


              近年來,中美之間因網絡與數據安全發生的摩擦漸多,而這也使得信息技術議題日趨安全化。面對網絡攻擊,中美在近年來都遭受了許多損失;但考慮到潛在的技術封鎖與安全產業成熟度,中國在大部分民用領域的網絡與數據安全方面都需要做出更大努力。此外,美國在全球范圍內以網絡與數據安全為由打壓華為等中國企業、渲染中國威脅,使得相關國際合作愈發困難,政治化、陣營化趨勢顯露。鑒于雙邊關系態勢與兩國的國內政治環境,中美對網絡與數據安全的擔憂及互信缺失在短期內將難以改善,技術競爭中的政治色彩也有可能隨著雙方加大投入而進一步加劇。


             ?。ㄈ┘夹g人才培養與競爭


              在集成電路、操作系統、工業軟件等領域的人才培養上,中國存在著高端人才緊缺、復合型人才缺失的現象。雖然近來中國有多所大學成立了相關學院或專業、各級政府也積極推動產教融合,但在相關領域的產學研合作、科研、創業生態等方面,與美國的差距依然較大。? 在信息技術的基礎研究方面,中國高校在近年來取得了長足的進步,相關排名屢創新高,但美國高校在部分尖端技術領域依然具有一定的人才培養優勢。


             ?。ㄋ模┘夹g標準與規范競爭


              信息技術領域的標準與規范主要指由相關國際行業協會或機制商議制定的指導性標準與規范。近年來,中國企業雖然在5G通信技術標準等較為重要且覆蓋面廣的領域實現了集中突破,但在存儲器、車規級芯片等諸多細分領域的技術及產品標準上的國際話語權依然有限。此外,由于不具備先發優勢,在由核心技術優勢、市場普及度和用戶接受度等因素構成的“軟標準”方面,中國也相對落后于美國。


             ?。ㄎ澹凹夹g脫鉤”的現狀與挑戰


              中美“技術脫鉤”對中國信息技術產業影響巨大。當前,隨著越來越多的中國實體受到美國制裁、華為等中企在國際市場頻頻受到美國打壓,全球信息基礎設施乃至技術發展都出現了“雙軌化”的趨勢。受制裁中國企業、機構的日常研發、經營都受到了限制,部分受制裁高校學生也難以赴美求學。在此背景下,一些未受制裁的中國實體與美國及其他國家的正常商業行為與合作交流也受到了阻礙。相比之下,“技術脫鉤”在現階段對美國信息技術產業的直接影響還不明顯。


              三、人工智能領域


             ?。ㄒ唬┲忻兰夹g實力對比


              在人工智能領域,中國和美國的科學技術實力遙遙領先于全球其他國家和地區。美國掌握著算力和算法上的優勢,中國得益于國內龐大多樣的大數據。當前中美人工智能實力可從三個方面來對比衡量。


              在基礎科研方面,中美人工智能科研論文的發表數量和被引用量旗鼓相當,但美國在原創性、開創性研究上優勢明顯。


              在產業技術方面,美國是人工智能芯片、算法、機器學習等核心技術的原創方,至今仍大幅領先于進步快速的中國。得益于科學界開放的知識分享,中美在軟件、模型、算法方面的差距有限。


              在應用技術方面,中美各有千秋。中國基于海量數據積累和用戶體驗的優勢,在產品帶動研發的技術領域(如人臉識別、語音識別、計算機視覺、影像診斷技術)領先于美國。美國在生物合成、藥物研發中引入機器學習技術,取得了重大突破。美國也領先推進人工智能技術的軍事應用。


             ?。ǘ┌踩h題


              在大國戰略競爭加劇的背景下,人工智能領域的安全問題愈發突顯,甚至有過度安全化、政治化的趨勢。


              在國家層面,人工智能的軍事應用直接關乎國家的防務安全和軍事力量,其商業應用則關系到經濟繁榮和社會發展。特朗普政府和拜登政府都把人工智能提升到國家安全和發展的戰略高度,將中國視為對美國長期技術優勢的迫在眉睫的威脅。


              在國內政治層面,由于一些機構和人士宣稱2016年美國大選受到外國勢力虛假信息和情報活動的干擾,人工智能首次與美國國內政治安全聯系在一起,引起美國社會警覺。人工智能監控技術的成熟和普及,也引發美國對中國的人權狀況、隱私安全、“數字威權”的批評。這些因素加重了中美人工智能技術競爭的意識形態色彩,也使得網絡安全、數據安全和跨境傳輸、信息傳播和輿論監管等議題的政治敏感度上升。


             ?。ㄈ┘夹g人才培養與競爭


              美國是全球人工智能專業人才接受高等教育和選擇就業的首選地。在人才教育和培養上,美國高校更早建立了全套人工智能專業人才體系和實驗室。中國在近三年才開始全力追趕,但仍差距甚遠。


              中國的人工智能從業群體的總數增長迅速,但是目前高端研發人才的數量遠不及美國。中國是人工智能領域的本科儲備人才的主要來源地,但并不是受歡迎的就業地。中國的頂尖人工智能人才中,有34%在國內就業,約56%在美國就業。去美國學習人工智能專業的中國人中,有88%畢業后在美國就業,只有10%回國就業。


              盡管中美總體科技人才交流因特朗普政府的“政治化”處理而勢頭減弱,但是在人工智能領域,學術界依舊樂于開放共享科學成果。在人工智能領域,似乎沒有因中美關系惡化而出現明顯的華人科學家回國潮。


             ?。ㄋ模┘夹g標準與規范的競爭


              人工智能為各國帶來了共同的治理挑戰,但圍繞人工智能技術標準和治理規范的國際探討彰顯大國間的權力博弈和政治理念分歧。雖然在美國國內推進相關監管立法頗有難度,但美國積極參與有關技術治理和標準的國際討論,強烈反對中方的任何提議。美國也尋求打造帶有意識形態色彩的“民主技術聯盟”,與所謂“志同道合”的國家在監管法規和標準制定上開展合作,來限制中國的人工智能技術應用及其國際推廣。


              中國在越發積極地開展科技外交,參與人工智能倫理、治理和技術標準的國際對話。但由于缺少中央相關部委間的統籌協調,中方代表在不同國際平臺上的聲音和參與度都存在不一致的情況。


             ?。ㄎ澹凹夹g脫鉤”的現狀與挑戰


              拜登政府依舊將人工智能視為對華戰略競爭的核心技術領域之一,基本延續了特朗普時期的“脫鉤”措施。然而,在美國政府的技術出口管制、投資審核等限制措施之外,中美企業和科學家在人工智能領域的合作交流始終沒有中斷。2021年3月美國人工智能國家安全委員會發布《最終報告》,建議采取“有針對性的隔離”措施來保障美國國家安全、開源技術生態和知識產權??蛇x措施無外乎更有針對性的出口管制和投資審核,降低對中國的技術依賴,推進符合美國價值觀的國際技術標準和規范。這或許代表了當前美國政府的主流思路。


              四、航空航天領域


             ?。ㄒ唬┲忻兰夹g實力對比


              當前,國際航空航天格局呈現出“一超多強”的特點。在航天領域的航天運輸、載人航天、衛星導航與通信、深空探測等方面,美國絕對領先,中國則擁有獨立的技術和裝備體系,與歐、俄同為第二梯隊。在航空領域的航空發動機、航空電子、航空材料等關鍵環節上,美國整體上保持領先,中國則發展迅速,與俄、英、法同為第二梯隊。中美兩國在航空航天領域相互依賴關系相對薄弱,技術與安全競爭逐漸升溫,但是產業競爭關系高度不對稱。


             ?。ǘ┌踩h題


              空天安全是領空安全與太空安全的復合體。中美兩國均出臺將二者視為統一整體的“空天戰略”??仗彀踩偁幖杏趦纱蠓矫妫浩湟皇擒娪煤娇?,以航空發動機、航空電子、導彈與導彈防御、高超音速武器為重點;其二是太空安全,以太空運輸和態勢感知能力為基礎,以反衛星能力為熱點。目前,美國在這兩方面遙遙領先,中國在軍用航空領域發展迅速,與俄羅斯、英國、法國同為第二梯隊;在太空安全領域,中國可以和美、俄形成“準三極格局”。


              太空安全和核安全緊密勾連,高度復雜敏感。美國在占有明顯空天軍力優勢的情況下,長期奉行“太空控制”學說,令中國感到威脅。美國還加速推動外空軍事化。特朗普政府正式建立太空軍,推出新版《防務太空戰略》(Defense Space Strategy),明確將中國視為太空安全領域的假想敵。中國積極推進“空天一體”的防務能力建設,并與俄羅斯加強空天安全合作,共同提出反對外空軍事化的行為規范,在聯合國裁軍會議上與美國頻頻交鋒。


             ?。ㄈ┘夹g人才培養與研發體制對比


              長遠來看,人才和研發體制是決定中美航空航天領域競爭力的基礎因素。從人才培養機構的實力來看,美國大學占據天文學、空間科學、地球物理、大氣科學等學科的全球前列,中國頂尖高校僅達到第二、三梯隊的水準。在工程類學科上,中國高校則擁有一定優勢。不過在資金投入和專業技術人員數量方面,美國遠高于中國。


              在研發主體上,中國以“國家隊”為主力,資金和技術資源集中。美國則是政府與民間主體并舉,通過項目采購實現政企協同,同時由企業間競爭提供創新動力,近年來尤以SpaceX等新興公司為翹楚。在研發過程上,中國自上世紀八十年代起借鑒西方科研管理體制,逐漸探索出比較成熟的“預研-試制-量產”機制,與美國同行已無本質區別。


             ?。ㄋ模┘夹g標準與規范的競爭


              中美兩國都是全球商業航天和民用航空產業的參與者,但是雙方所占市場份額和競爭力懸殊。在商業航天方面,美國商業火箭發射能力獨步全球,GPS占據全球衛星導航市場份額的六成以上,因而在這兩個產業擁有最大話語權。在民用航空產業標準上,美國擁有世界最多的航空技術專利,中國雖然迅速縮小與美差距,但是核心專利有限,市場轉化率不高,并且在民航客機發動機等關鍵領域仍依賴進口。美國還對制定全球民用航空標準的國際民航組織擁有巨大影響力。不過,近年來中國的北斗導航系統和民用無人機取得長足進步,國際市場份額迅速增加,中企大疆甚至成為全球頭號民用無人機制造商,有望成為全球行業規則塑造者。


             ?。ㄎ澹凹夹g脫鉤”的現狀與挑戰


              由于《沃爾夫修正案》和瓦森納機制的鉗制,航空航天長期是中美兩國合作基礎最薄弱、相互依賴程度最低的高技術領域之一。在航天技術和軍用航空領域,中國能在與美國接近“技術脫鉤”的條件下獨立發展出大而全的技術體系,雖然與美國相比存在時間滯后和質量差距,但是在大部分技術上沒有“代差”,甚至在個別項目上可以等量齊觀。


              然而,在依靠市場主體和服從商業邏輯的民用航空產業中,中國的劣勢極為明顯。中國基本依賴從美國等西方國家購買整機或核心部件,本國主要生產周邊零部件,并且由于美國的投資審查、貿易限制和中國自身在產業鏈所處的位置,中國企業難以通過收購獲取核心技術。


              五、中美技術競爭展望


             ?。ㄒ唬┘夹g力量對比的走向


              關于中美技術力量“比拼”存在兩類代表性觀點。一類認為,中國即將在各項關鍵技術領域成為全球領導者。另一類認為,中國的科技實力被(嚴重)夸大,中國的創新環境尚不足以支撐持續的進步。上述三個領域的分析結果顯示,中國在多項細分技術領域發展迅猛,努力追趕世界先進水平,在部分細分領域取得領先優勢。然而,中國在一些細分領域的劣勢仍十分明顯,存在技術空白和“卡脖子”的現象。相對而言,美國領先的領域則比較全面,技術積淀深厚。本文認為,這基本上是中美在整體技術力量對比走向上的反映。以美國為對標,中國在技術上形成了多數領域“跟跑”,少數領域“并跑”,極少數領域“領跑”的基本態勢。


              美國在長期競爭和演進的過程中發展出一系列的制度安排和創新體系。雖然未來充滿不確定性,但一段時期內美國仍將維持世界第一的科技強國地位?!懊绹^河”是過去幾十年中國乃至世界其他國家科技創新的一條重要經驗。一旦失去美國這個目標,中國能否全方位持續引領科技創新是中國科學界一些學者的擔憂。這種擔憂并非源于對中國科學界與產業界自主創新能力的否定,而是來自于對美國科技水平和創新能力的長期觀察和理性認識。


              未來,中國可能在更多技術領域縮小與美國的代差,并在部分關鍵技術上實現“自主可控”,但實現全面超越是一個相當長的過程,且面臨艱巨挑戰。實際上,“中國超越美國”“中國持續落后于美國”“中美齊頭并進”的局面在各個(細分)領域可能同時存在。目前,中國可能主要在通信技術、港口機械和軌道交通等領域領先于美國;在生物技術、農牧育種、精細化工、工業軟件、芯片制造、醫療設備、民用航空發動機等(細分)領域,中國和美國的差距較大;在腦機技術、量子信息技術、人工智能等新興技術領域,包括中美在內的許多國家都在調動資源,以競爭領先優勢。


             ?。ǘ凹夹g脫鉤”的前景


              “中美關系進入長期競爭共存的階段,競爭為主,合作為輔?!?在這一背景下,未來美國極可能采取“精準脫鉤”和“精準掛鉤”的策略,即選出特定的戰略技術領域,增強脫鉤和掛鉤的精準度,力爭在國家安全、經濟收益和技術優勢上取得平衡。美方的基本思路是,在一些中國急需卻又無法實現自給的核心技術上堅決脫鉤;在兩國水平相當的技術領域放松出口管制,因為脫鉤“甚至可能使中國企業轉向國內供應商,達到適得其反的效果”。


              本屆美國政府尚未完全確定“脫鉤”的邊界,但在芯片及其制造設備、人工智能等關鍵技術和產品上形成了一定的共識?!皰煦^”的領域基本上限定在低技術和低附加值的產業。美國的“脫鉤”戰略還將伴隨“民主國家科技聯盟”的組建,試圖將中國置于孤立無援的境地。這種與國家實力和國際秩序密切相關的政治領導力競爭,很大程度上深刻影響著中美技術力量對比的走向,大大增加了中國從第三國購買關鍵產品、獲得先進技術和引進高端人才的難度。


              技術脫鉤的動力已經從單向發展成雙向。中美雙方的出發點各不相同,但走向了共同的目標,在客觀上促成了“雙向脫鉤”的趨勢。無論是技術還是產業層面,中美雙方都面臨“脫鉤”帶來的損失,而目前來看中國的損失可能更大。


              在“技術危機感”蔓延于美國政界及美國嚴格實行對華技術出口管制的背景下,中方應以開放的學術交流機制、持續的研發投入、廣泛的國際科技合作、扎實的人才體系建設、有效的科技成果轉化和堅定的自主創新決心,力爭穩住優勢領域,保持落后領域的差距不被進一步拉大并盡可能縮小,在競爭激烈的新興領域積極爭奪優勢地位。這可以成為當前中國應對“科技戰”的一種戰略思路。


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