中美科技實力對比:全球視角

日期:2019年5月22日 上午7:49

文:恒大研究院 任澤平 連一席 謝嘉琪 

實習生胡雪波對數據收集有貢獻

導讀

科技是第一生産力,是國家實力的關鍵,是大國競爭的制高點。縱觀近現代科技史與經濟史,16-18世紀,英國首先憑借牛頓的經典力學理論與瓦特的蒸汽機發明成為世界科技中心;而後隨著西門子發明發電機、愛因斯坦提出相對論、普朗克奠定量子力學,德國一舉成為19世紀末20世紀初的頭號科技強國;二戰前後,愛因斯坦移民美國、1945年世界上首顆原子彈在美國爆炸、1947年貝爾實驗室的肖克利研究小組成功研制出晶體管,美國取代德國成為世界科技中心並保持至今。

科技是曆史的杠杆,是世界霸權更叠的根源,是大國崛起的支點。從日不落帝國到美元霸權,從機械革命到信息革命,兩次科學革命、三次技術與工業革命,不論英國、法國、德國、日本、美國,無一不是依靠抓住某次關鍵的産業技術革命機遇而成功崛起,最終成為世界的科技與經濟中心,成為全球經濟軍事爭霸的大玩家。

世界科學中心轉移也被稱為“湯淺現象”。日本科學史學家湯淺光朝提出當一個國家的科學成果數量占世界科學成果總量的25%,就可以稱之為世界科學中心,並依此將曆史上的世界科學中心轉移分為5個階段:意大利(1540-1610年)、英國(1660-1730年)、法國(1770-1830年)、德國(1810-1920年)、美國(1920年之後),平均維持時間為80年。按照這一總結預測,2000年前後美國的世界科技中心地位將受到新興勢力的挑戰,這一角色正是中國。

中美貿易摩擦本質是霸權國家對新興大國的戰略遏制,打著貿易保護主義的旗號,劍指中國經濟崛起和産業升級,尤其是對中國高科技領域的戰略遏制和“圍獵”。2018年3月的《301報告》和5月的美方要價清單多次提及“中國制造2025”計劃。2019年5月16日,特朗普更是不惜代價簽署總統令,宣布美國進入“國家緊急狀態”,以禁止美國企業與包括中國高科技旗艦企業華為公司在内的一切被控會“威脅”美國國家安全的公司進行商業交易,試圖切斷華為供應鏈。

本文旨在客觀評估過去幾十年中國科技實力所取得的進展、中美科技實力的真實差距以及中美在全球科技版圖中的地位。基本結論是:中美科技實力在整體上仍存在較大差距,但是近年中國科技實力在快速而醒目地崛起,在通訊設備、集成電路、互聯網金融等部分重要領域則開始取得關鍵進展和優勢,威脅到了美國的所謂“國家安全”和科技壟斷地位,引起了美方的警惕和焦慮,這可能正是中美貿易摩擦升級至科技戰的重要原因。

目錄

1   全球視角之一:研發經費與人力投入

2   全球視角之二:高等教育

3   全球視角之三:論文與期刊發表

4   全球視角之四:發明專利

5   全球視角之五:經濟活動

5.1  高科技領域的國際貿易活動

5.2  風險投資活動

正文

1 全球視角之一:研發經費與人力投入

當今世界的前沿科技研究,越來越離不開科研基礎設施與高端精密設備的大量投入,以物理學研究為例,如果沒有造價近3億美元的LIGO(激光幹涉引力波天文台),2016年引力波的成功探測也就成了“無米之炊”。國家在研發方面的資金投入是科研成果的前提保證。

2016年美國R&D國内支出達到5103億美元,位于世界第一;中國R&D國内支出達到2378億美元,位于第二,但不及美國的一半;其次為日本、德國、韓國等。2000年至2016年,中國R&D國内支出增長超過20倍,年均複合增速達到21.3%,同期美國R&D國内支出增長不到2倍,年均複合增速僅為4.1%。按照2010年以來中美R&D國内支出的複合增速測算,到2024年前後中國在研發的整體資金投入就將超越美國,成為世界第一。

從研發強度(R&D支出/GDP)來看,2016年R&D支出排名靠前國家的研發強度普遍維持在3%左右,其中韓國(4.24%)、日本(3.14%)、德國(2.94%)、美國(2.74%)處于前列。中國2016年研發強度達到2.12%,相較于2000年0.89%的強度水平明顯提升,目前已經接近法國(2.25%)並且超過英國(1.69%)等發達國家,但距離美日德韓等國仍有一定差距。

從R&D支出的投向結構來看,中國目前的R&D活動主要側重于試驗發展(Experimental Development)階段(2015年占比達到84%),基礎研究(Basic Research)和應用研究(Applied Research)投入比例合計僅16%。而美國則在基礎研究和應用研究領域相對投入更多資源,合計占比達到36%。尤其在聯邦政府層面,除了國防部外其他部門(包括能源部、NASA等)基本以資助基礎研究與應用研究為主,即使國防部資助的試驗發展也是以先進技術與重要系統開發為導向,並且孕育了ARPANET(阿帕網,因特網的前身)、GPS(全球衛星定位系統)等重要發明。

除了研發經費的支持,各類科研成果離不開一支強大的工程師與科學家隊伍。2014年自然科學與工程學學士學位獲得人數排名靠前的國家與地區分別為中國(145萬)、歐盟8國(57萬)、美國(38萬)、日本(12萬)、韓國(11萬),中國已經成為世界第一;而博士學位獲得人數的國家與地區排名為歐盟8國(4.92萬)、中國(3.18萬)、美國(2.98萬)、日本(0.59萬)、韓國(0.55萬)。可見在高學曆人才供給方面,相對歐美來說中國並沒有顯著的人數優勢,但增長很快,競爭力快速上升。

從科學與技術領域全職研究人員數量來看,2015年排名分別為中國(162萬)、美國(138萬)、日本(66萬)、德國(38萬)、韓國(36萬)。盡管在總量上已經超過美國,中國每千人勞動力中研究人員比重僅2.02,遠低于美國、日本、韓國等發達國家。

2 全球視角之二:高等教育

近代以來,大學的研究職能與社會服務職能得到越來越多的重視,尤其是進入20世紀後,以美國斯坦福大學的崛起為代表,大學實際上成為人類科技創新的橋頭堡。

當前國際四大權威的大學排名(QS/US News/THE/ARWU)中,THE(泰晤士高等教育世界大學排名)和ARWU(世界大學學術排名)更偏重教學與研究能力。2017年泰晤士高等教育世界大學排名前100榜單中,美國大學占到43所,其次為英國12所、德國10所,中國共5所上榜。其中排名前10的大學基本都來自美國和英國,中國排名最靠前的清華北大仍在20名開外。2011年以來,美國前100名大學數量有所下降,但仍占到總數的近一半;中國前100名大學數量略有提升,但相比美國差距較大。

另一份更加注重科研與學術的ARWU榜單中,2017年排名前100大學美國仍然以48所占到近一半,中國僅清華北大兩所上榜。榜單排名前10的大學中,哈佛大學、斯坦福大學、麻省理工學院等美國大學占據了8位,而清華北大則排到了40名之外。

3 全球視角之三:論文與期刊發表

論文是基礎研究成果的精華,最頂尖的論文往往能夠改變甚至開創一個新的研究領域,例如圖靈在《論數字計算在決斷難題中的應用》中首次提出“圖靈機”的設想並由此奠定了現代計算機的理論基礎;香農的《通信的數學原理》直接創建了信息論並成為現代通信技術的基石。因此,高質量的論文實質上代表了對人類知識邊界的探索能力,更代表國家在基礎科研領域的實力。

從科學與工程(S&E)領域發表的論文數量來看,2016年排名靠前的國家或地區分別為歐盟(61.4萬)、中國(42.6萬)、美國(40.9萬)、印度(11萬)、日本(9.7萬),中國首次在數量上超過美國。當然,論文的質量比數量更加重要。2016年科學與工程領域發表的引用率位于前1%的高質量論文中,美國相對比例指數為1.9、歐盟為1.28、中國為1.01,中國近幾年高引用率論文的比例有所提升,但相對美國、歐盟來說差距仍然不小。(注:相對比例指數=某國前1%引用率論文數量/論文總數)

能否發表于頂級刊物是檢驗論文質量的另一有力證據。為了衡量基礎科研産出,《自然》的發行者自然出版集團挑選了82本自然科學領域的頂級期刊(數量不到總體的1%但引用率占總引文數30%),並基于文章合作者的情況計算出了自然指數,考慮文章作者的所屬國家與機構情況後得到的自然指數稱之為分數計數(FC)。從2017年各國分數計數FC的排名來看,美國(19579)超出第二名中國(9088)兩倍多,其次為德國(4363)、英國(3608)、日本(3053)。與S&E論文指標得出的結論類似,中國近年來在基礎科研領域的進步較快,但距離美國仍有較大差距。

諾貝爾獎是對最頂尖基礎科研成果的肯定。從各國諾貝爾獎的獲得情況來看,二戰前德國、英國、美國處于第一方陣,二戰後美國實力大幅提升,不論在物理、化學及醫學領域,美國的獲獎數量都占到全球總數的半壁江山。而中國目前除了2015年屠呦呦獲得諾貝爾生理學或醫學獎之外,在物理學與化學領域尚未實現零的突破。

4 全球視角之四:發明專利

專利可以分為發明專利(patent for invention)、實用新型專利(utility model)、外觀設計專利(industrial design)。其中,發明專利最能代表科技創新水平,並在全球範圍内都被認作是衡量創新行為的有用指標。美國專利密集度居前的幾大行業——計算機、通信設備、半導體均是典型的高科技行業,美國無線通信巨頭高通更是憑借在CDMA領域的研發布局在3G/4G時代大發橫財,高通依靠核心專利授權收取的費用甚至被稱為“高通稅”。

根據世界知識産權組織(WIPO)統計,截止2017年底全球共有1043萬件有效發明專利,其中保有量排名前五分別為日本(282萬)、美國(236萬)、中國(152萬)、韓國(99萬)、德國(67萬)。從增量角度,2016年各國發明專利申請量排名分別為中國(131萬)、美國(53萬)、日本(46萬)、韓國(23萬)、德國(18萬),而專利授權量排名分別為中國(35萬)、日本(29萬)、美國(29萬)、韓國(13萬)、德國(10萬)。中國近年來在專利方面發力明顯,在申請數量上已經大幅超越美國、日本,授權數量略超美、日,在專利的授權率與實際轉化方面中國仍有較長的路要走。

從2013-2015年主要國家已公示專利申請(published patent applications)的行業分布情況來看,美國和日本在通信、計算機技術與半導體領域布局了大量專利,其中美國(18.82萬)、日本(16.71萬)接近中國的兩倍(9.58萬)。日本在機床、發動機、機械零件、光學以及測量等領域布局的專利數量顯著多于美國和中國;美國除了在ICT領域布局了大量專利,在生物技術、醫學技術與藥物領域更是一枝獨秀,公示階段專利申請數量超過日本與中國之和;相對來說,中國在基礎材料化學、精細材料化學、食品化學等領域布局更多。(注:專利申請18個月後進入公示階段,通過實質審查後才會被授予專利)

5 全球視角之五:經濟活動

5.1 高科技領域的國際貿易活動

高科技領域的國際貿易活動可以從一定程度反映一國在國際産業鏈中的相對位置與實力。在聯合國國際貿易標准分類方法(SITC)四位數分組標准下,當前國際貿易金額較大的高科技商品包括集成電路、通訊設備、飛機與航天器等。

電子集成電路領域,2016年中國是最大的淨進口國(出口608.8億美元、進口2269.3億美元),目前電子集成電路已經超過原油成為中國進口金額最大的商品。韓國淨出口221.9億美元(出口520.6億美元、進口298.6億美元),具有較強的競爭力;美國、日本則保持小額順差,德國基本持平。值得一提的是商品貿易並不能反映産業競爭力的全貌,對于集成電路這類高科技行業,上遊的專利授權等高附加值活動屬于服務貿易並不包含在商品進出口數據中,因此結合更具體的價值鏈構成進行分析是必要的,對于集成電路産業的國際比較我們將在第二章作進一步探討。

通信設備領域,2016年中國是最大的淨出口國(出口2013.6億美元,進口459億美元),除了韓國保持小幅順差外,美國、日本、德國均存在逆差。中國在通信設備領域的順差金額基本與在集成電路領域的逆差金額接近,作為全球電子設備産業鏈的“組裝工廠”,中國每年看似出口金額巨大,實際上由于核心的集成電路大量依賴進口,利潤十分單薄。盡管美國在通訊設備領域存在巨額逆差,但是以移動通訊設備領域為例,單單一家蘋果每年的淨利潤就超過其余所有手機廠商之和。中國在通訊設備領域的貿易順差難掩不均衡的産業鏈利潤分配。

飛機、航天器及相關設備領域,2016年美國順差超過1000億美元(出口1347億美元、進口310億美元),傳統工業強國德國也存在較大順差(出口444億美元、進口197億美元)。中國在此領域存在較大逆差(出口34億美元、進口228億美元)。相比于2010年,2016年中國在航空航天領域的逆差金額接近增長一倍,美國的順差同時大幅增加。航空航天及集成電路已經成為中國邁向科技強國急需提升的技術領域。

5.2 風險投資活動

風險投資(VC)是初創企業的重要融資渠道之一,風險投資的活躍程度可以側面反映新經濟的活力。風險投資可以分為三個階段——種子期、早期與後期。根據PitchBook的統計,2016年全球種子期VC規模達58億美元、早期與後期規模總計達1250億美元。

2016年全球種子期VC規模中,美國達33億美元、占比超過一半,歐盟(9億美元)和以色列(7億美元)其次。美國種子輪VC投向的新興領域中,機器人與無人機、人工智能、物聯網、無人駕駛受到熱捧,從絕對金額來看,人工智能成為當下VC最看好的方向。

2016全球早期與後期VC規模中,美國達650億美元仍然占到一半份額,其次為中國(340億美元)、歐盟(110億美元)。中國早期與後期VC活動顯然比種子期VC活動更加活躍,近幾年來規模由2013年30億美元快速上升至2016年340億美元,發展速度也遠超過其他國家。總體來看,美國和中國已經成為全世界新經濟最具活力的國家。

恒大研究院“中美貿易戰”系列研究:

33、《中美貿易摩擦再升級:本質、影響、應對與展望》,2019年5月20日

32、《日美貿易戰:美國如何贏得經濟爭霸?》,2019年5月18日

31、《日美貿易戰:日本為什麽金融戰敗?》,2019年5月17日

30、《構建中美自貿區(下):規則、方案、影響與建議》,2019年5月12日

29、《構建中美自貿區(上):基本理論與國際經驗》,2019年5月10日

28、《中美貿易戰暫時緩和:本質、應對和未來沙盤推演》,2018年12月2日

27、《美國中期選舉:兩黨分治,掣肘内政,對華政策仍強硬》,2018年11月8日

26、《中美實力對比: 科技、 教育、營商、民生》,2018年10月14日

25、《中美經濟實力對比》,2018年10月11日

24、《中美貿易戰再度升級:本質、應對和未來沙盤推演》,2018年10月5日

23、《中美匯率戰:曆史、現狀與前景》,2018年9月9日

22、《全面客觀評估美國對華《301報告》》,2018年9月7日

21、《如何應對中美貿易戰:深層次思考和未來沙盤推演》,2018年8月19日

20、《日美貿易戰啓示錄:經濟爭霸》,2018年7月22日

19、《中美貿易戰的大辯論:雙方觀點與客觀評價》,2018年7月12日

18、《中美貿易戰打響第一槍:深層次思考和未來沙盤推演》,2018年7月6日

17、《大蕭條貿易戰啓示錄》,2018年6月26日

16、《中美貿易戰正式開打:深層次思考和未來沙盤推演》,2018年6月17日

15、《來自曆次中美貿易戰的啓示》,2018年6月15日

14、《大國興衰的世紀性規律與中國崛起面臨的挑戰及未來 ——中美貿易戰系列研究》,2018年6月10日

13、《對中美貿易戰的幾個基本認識和判斷》,2018年6月5日

12、《中國對外開放的進展評估與變革展望——中美貿易戰系列研究》,2018年5月29日

11、《中美貿易戰:深層次背景、美方真實意圖和未來沙盤推演》,2018年5月23日

10、《中美聯合聲明:達成共識,守住底線,尋求共贏,避免最壞情形》,2018年5月20日

9、《中美還有哪些牌可以打?》,2018年4月7日

8、《中美強硬試探對方底牌:沙盤推演未來戰況及影響》,2018年4月5日

7、《中美貿易失衡的根源:給特朗普上一堂貿易常識課》,2018年4月1日

6、《中美貿易戰:美國怎麽想,我們怎麽辦?》,2018年3月27日

5、《中美貿易戰:原因、影響、展望及應對》,2018年3月24日

4、《特朗普稅改:主要内容、影響、全球減稅競爭與中國稅改》,2018年2月11日

3、《特朗普政策效果展望》,2017年1月20日

2、《特朗普逆襲:這是“沈默大多數”對精英主義的勝利——2016年美國總統大選傳遞出的時代信號》,2016年11月10日

1、《如果希拉里or特朗普當選美國總統:政策分歧及影響 》,2016年11月2日

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