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哈佛报告对比中美六大新兴技术发展现状

2022年01月11日

导读:近年来,中美两国的技术竞争成为了全世界的焦点,技术同样也是中美两国大国竞争的主要舞台。中美两国的技术发展水平究竟如何?用哪些指标来进行衡量?2021年12月7日,哈佛大学肯尼迪学院发表题为《中美技术争锋》(The Great Tech Rivalry: China vs the US)的研究报告,用部分数据对中美两国在人工智能、5G、量子信息科学、半导体、生物技术及新能源六大技术领域的发展现状进行了直观比较。现将该报告重点内容总结编译如下,供读者参考。

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1、人工智能

谷歌前CEO埃里克·施密特指出,人工智能可能是未来十年内会对经济与国家安全产生最大影响的技术,而中国对于美国来说是一个“全方位的竞争者”。报告认为,事实上在很多人工智能的领域,中国已经超过了美国成为无可争议的世界第一。报告采取的对比指标报告产品市场、金融市场、理论研究论文专利以及国际性竞赛的名次等。

在消费市场上,报告认为消费者对人工智能产品的选择倾向性非常明显。在语音技术方面,无论是哪种语言,中国公司的实力都超过了美国公司。中国的iFlytek是世界顶级的语音识别初创公司,拥有7亿用户,几乎是苹果Siri用户的两倍;在金融技术方面,微信支付的9亿中国用户大大超过了苹果支付在美国的4400万用户。报告指出,这种关于个人消费行为的海量数据库可用于开发其他金融技术应用,如人工智能驱动的个人信用评估系统等。

在金融市场上,六年前,世界上市值排名前20的互联网公司只有两家来自中国,而今天已经有了7家;谷歌、亚马逊、Facebook、微软、百度、阿里巴巴和腾讯被誉为“人工智能时代的七大巨头”,中美公司已接近五五开;在2018年投资于人工智能的风投资本中,有50%投给了中国的初创公司,40%投给了美国公司;在世界十大最有价值的人工智能初创公司中,有七家是美国公司,三家是中国公司。中美的差距已是越来越小。

报告指出,中国在人工智能研究和开发方面的投资已经激增到与美国相仿的水平。2020年,中国人工智能论文的整体引用率超过了美国,自身比2019年也增加了35%;在人工智能最热门的子领域深度学习上,中国的专利申请量是美国的六倍。根据艾伦人工智能研究所的权威评估,到2025年,美国人工智能论文引用总量的排名就将下降到第二位。

在人才方面,报告认为中国有着“无与伦比的人才和数据库”。在斯坦福大学的机器阅读理解国际挑战赛中,中国团队经常占据前五名的位置,包括第一名;在世界最著名的中学生计算机科学竞赛:国际信息学奥林匹克竞赛中,中国人赢得了88枚金牌,美国人赢得了55枚。中国拥有世界上最大的国内市场,中国的科学、技术、数学、工程(STEM)学位的本科毕业生是美国的四倍,预计到2025年,毕业的STEM博士人数将是美国的两倍。相比之下,美国本土人工智能博士的数量自1990年以来都没有增加。

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人工智能人才流动趋势

2、5G

报告认为,几乎所有关键指标都支持中国将主导5G的未来。行业协会GSMA认为,中国“现在代表着世界上最大的单一5G市场,到2020年底,该国的5G连接已占全球5G连接的87%”。到2020年底,中国拥有1.5亿5G用户,而美国只有600万;中国有70万个5G基站,而美国只有5万个;中国有460兆赫的特许中频频谱,而美国只有70兆赫;中国的平均5G速度有300Mbps,而美国只有60Mbps。在五个主要的5G设备供应商中,有两个是中国的,美国没有。在过去的二十年里,华为公司电信基础设施的市场份额从0%变成了28%,已成为世界领先的5G设备供应商,而曾经的美国通信巨头朗讯和摩托罗拉市场份额已从2000年的25%坠落到现在的0%。

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中美5G各指标对比图

报告认为,美国在5G竞赛的其他部分保持着竞争优势,特别是在5G研发、标准和应用方面。美国的4G专利支撑着5G的基本构件,美国公司目前仍在行业标准机构3GPP的多个委员会中担任主席。不过,中国公司已经认识到5G标准的价值,并正在高额研发预算的推动下积极扩大中国在标准制定机构的影响力。中国也已经把目光投向了6G技术,已经持有了35%的6G专利,而相比之下美国只有18%。

在5G应用方面,美国在科技巨头、5G芯片设计以及云基础设施等关键技术方面始终占据着主导地位。但报告指出,如果国家没有强大的5G基础设施和大量5G用户,美国在开发5G应用方面仍将处于不利态势。报告预计,美国形成真正有能力的、广泛的5G网络仍然需要一到两年的时间。

3、量子信息科学

报告表示,在量子计算、量子通信和量子传感这三个一直由美国研究人员主导的量子信息科学,中国正在迎头赶上,而且在某些领域已经超过了美国。2014年,美国和中国在量子相关专利的数量上并列第一;2015年,中国在量子技术研究方面的年度支出仅次于美国,到了2018年,中国则完成了超越,申请的专利数量是美国的两倍多,占所有量子科学专利的52%;现如今,中国在量子信息科学领域的支出已是美国的四倍。

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各国量子技术专利数量

具体在量子计算领域,谷歌、IBM、英特尔和微软等私营企业的大量投资和研发帮助美国一直占据着全世界的领导地位。2017年,中国将量子计算提升为“战略技术”之一,随后几年中国展示了将研发能力迅速转为应用优势的强大能力。2019年12月,谷歌实现了53比特“梧桐树”超导量子计算机,一年后中国就达到了同样的里程碑:2020年12月,中国科学技术大学创建的光量子计算机“九章”在物理学的某些计算中达到了比梧桐树“快100亿倍(10 billion)”的算力。2021年5月,潘建伟院士团队又宣布研制出了最新的“祖冲之号”量子计算机,成功取代了“梧桐树”成为全球最强大的超导量子计算机。

在量子通信领域,美国在2003年开发了第一个量子密钥分配网络,而在2018年,中国在量子通信和密码学方面申请的专利已经是美国的四倍多(517件对117件)。2016年,中国发射了世界上第一颗量子通信卫星“墨子”号。此后不久,中国科学家在卫星和相隔超过745英里的地面站之间建立了破纪录的量子通信联系。2021年1月,中国宣布建立世界上第一个综合量子通信网络,总距离超过2800英里,比从纽约到洛杉矶的距离还长。

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各国量子技术出版物数量对比

在量子传感领域,美国国防分析研究所2019年的一份报告显示,在所有关于量子传感的出版物中,中国每篇论文的平均引用率排名第三(美国排名第一,欧洲国家第二)。然而,在过去五年的出版物中,中国每篇论文的引用率和量子传感的出版物总数排名第一。

4、半导体

半导体是中美科技竞争中必不可少的通用驱动力。近20年,中国大陆在全球半导体消费的份额增加了三倍(从2000年的不到20%增加到2019年的60%),中国大陆不断增长的国内需求为推动半导体行业发展提供了强大动力。首先在半导体制造方面,中国大陆已占全球半导体制造份额的15%,而1990年还不到1%;同期美国的份额却从37%下降到12%。半导体工业协会预测,在未来十年,中国大陆将开发全球40%的新产能,成为世界上最大的半导体制造商,拥有24%的市场份额。中国大陆半导体制造龙头中芯国际过去十年中也一直名列世界半导体代工厂前五名,去年突破性的“N+1 7nm芯片”工艺已经可以与英特尔相媲美。第二,在芯片设计领域,华为的子公司海思半导体在2020年成为第一家闯入世界半导体设计公司前10的中国公司,并取代了高通成为中国大陆最大的智能手机芯片供应商。报告认为,尽管中国大陆85%的国内半导体需求仍依靠进口,且美国对中国大陆的出口管制在近期损害了中国公司的发展,但不可否认中国半导体行业已经取得了惊人的进步。台积电创始人张忠谋表示,中国大陆在芯片设计和制造上仅落后美国和台湾地区一到两年。

报告表示,美国拥有48%的全球半导体整体行业市场份额,而中国大陆只有5%,美国是无可争议的全球半导体领导者。然而,美国在设计和制造领域的地位已经明显减弱:当前,只有44%的美国设计的芯片是在美国国内制造的;英特尔和格罗方德公司在下一代芯片的竞争中都远远落后;90%的半导体先进制造工艺都掌握在台积电手中。

在半导体制造投入方面,美国仍保持着领先地位,并通过应用材料公司和泛林半导体等公司控制着关键的供应链,目前拥有着55%的半导体制造设备市场份额和85%的电子设计自动化软件份额,相比之下而中国大陆只有2%的制造设备份额,差距十分明显。

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部分国家(地区)半导体制造全球份额

5、生物技术

美国仍然是生物技术领域的领导者,在创新方面有很大的领先优势,在全球十大最有价值的生命科学公司中,美国占了七个。不过报告指出,在过去的二十年里,中国也已经跃入生物技术基础研究的世界顶尖行列。从2007到2017年,中国的生物技术出版物每年增加20%,出版物数量仅次于美国;2019年和2020年,中国分别超过了德国和英国,在自然指数的高质量生命科学研究中排名第二,过去一年的年产出增加了9%。

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CRISPR技术相关的出版物数量

报告指出,中国的研究产出已在多个领域超过了美国,包括CRISPR修饰的作物(42%对19%)和转基因植物(30%对12%)。中国每年申请的生物技术专利也最多,占全球份额从2000年的1%增加到2019年的28%,而美国的份额则从45%下降到27%;在生物医疗专利方面,中国16%的年增长率远远超过美国的3%;在细胞治疗专利方面,中国的专利总数和增长率都领先。

报告指出,虽然中国在基础研究方面处于落后地位,但在开发应用方面却表现出色。以基因组学和基因组技术为例,在2013年收购了美国Complete Genomics之后,中国的基因组学巨头华大基因公司现在是世界上最大的遗传学研究中心,可以以低至100美元的成本进行人类基因组测序(比竞争对手便宜6倍,比2000年的费用便宜10万倍)。在CRISPR研究中,美国在发表的论文总数上保持领先,但这种领先优势在最近几年里缩小了很多:2018年,美国发表了898篇论文,中国发表了824篇。

在生物制药和治疗方面,自2001年以来,中国在全球生物制药市场的份额已从7%增加到22%(仅次于美国);中国是世界上最大的活性药物成分的生产国(占全球产量的40%);中国生物制药产能已经扩大到全球产能的15%(在全球产能中排名第三,排在美国的35%和欧洲的25%之后),年增长率为10%。

中国生物技术最突出的成功是CAR-T细胞疗法。在CAR-T市场的竞争中,南京传奇生物技术有限公司在2017年成为明显的“领头羊”,94%的多发性骨髓瘤患者在该公司的CAR-T治疗后获得一定的缓解。几个月后,美国强生公司(J&J)与传奇公司达成技术共享协议,其癌症研究主管称赞传奇生物技术是“有可能改变骨髓瘤治疗的创新方法”。自那时起,中国就成为世界上最大的CAR-T疗法临床试验方(2020年有超过50%的试验),这对国家降低癌症死亡率可能具有重大意义。

6、新能源

报告指出,中国已经领先于美国和其他国家,在新能源科技供应链的诸多环节中占据主导地位,包括设备制造、原材料和能源储存等。

中国现在是全球产生可再生能源的设备的主导制造商:2000年,中国生产的太阳能电池板不到1%,而现在全球70%的太阳能电池板由中国提供;相比之下,美国的份额从2000年的30%下降到今天的不足1%。世界十大风力涡轮机生产商中有四个是中国的,占到全球市场的40%,而美国只有12%。原材料上,报告认为中国“几乎垄断”了太阳能电池板、电池和其他绿色科技所需的若干关键原材料,包括锂(占全球产量的50%)、多晶硅(60%)、稀土金属(70%)、天然石墨(70%)、钴(80%)和稀土(90%),在刚果民主共和国境内的14大钴矿中,中国公司拥有8个(占全球产量的30%)。报告预计,美国可能需要20-30年实践才能在原材料采购方面追上中国。

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中国拥有的新能源原材料占全球比重(红色为中国)

在储能方面,彭博社的《新能源展望》表示,中国占据了80%的电池原材料提炼、77%的电池产能以及60%的电池部件制造。它的评估指出:“中国的宁德时代公司,在不到10年的时间里从无到有,成为世界领先的制造商”,而“美国在2020年只徘徊在第六位。”拔高预计,未来十年,近75%的新锂离子电池工厂将在中国建造。作为世界上最大的氢气生产国(组织),中国和欧盟在氢气开发方面都处于领先地位,每年的研发资金达到20亿美元,是美国能源部每年拨款1.5亿美元的十倍以上。中国已经成为电动汽车的最大生产国和市场国,2020年售出130万辆电动汽车(占全球销量的40%以上),而美国只有30万辆。到2028年,中国的电动车产能将是美国的六倍。中国的电动车充电站超过100万个,在2019年以每天1000个的速度进行安装,而美国总共只安装了10万个。中国比亚迪公司占据了90%的电动公交车市场并出口到纽约和洛杉矶等美国城市。

报告指出,美国的优势在于突破性创新。虽然中国在工艺和工程的优势使其在扩大和部署新能源应用方面处于领先地位,但美国能源部部长欧内斯特·莫尼兹曾说:“美国在过去几十年中显示出了无与伦比的新能源创新能力。”在碳捕集与封存(CCS)技术方面,美国拥有世界上一半以上的大规模CCS设施,并出版了最多的CCS论文。去年12月,美国的初创公司QuantumScape研制成功了更安全、更持久的锂电池,可以将电动汽车的续航能力提高80%以上,这一成就被《麻省理工科技评论》评为2021年十大技术之一,与mRNA疫苗和GPT-3并列。报告强调,虽然中国现在是最大的市场,但不可否认的是,特斯拉是美国创新生态系统的产物,是美国政府高级能源研究计划局(Advanced Research Projects Agency-Energy)的最大成就之一。

结语

在技术竞争中占得上风,仅仅在在某个领域取得领先地位是远远不够的,一个国家技术成功的基础是公司、机构和环境,关键则是科技人才梯队、研发生态系统和国家政策支持。从原报告的分析来看,中美当前的技术发展各有不同的机遇和优势,也都面临着不同的困难和挑战。尽管中国近几十年来发展突飞猛进,可与美国相比仍在产品质量、人才质量和创新性等方面有较大差距。“如果中国持续保持对高新技术的大力支持,美国将在未来面对来自中国的更大挑战”,整篇报告都表达了这样的担忧。展望未来,中国应该继续充分发挥优势,积极应对挑战,保持当前科技大力发展的趋势,努力打造先进、完整、健康的科技生态系统。

(来源:军事高科技在线 ,作者秦中南、龙坤,2022年1月8日)

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