美国科技实力有多强大？中国如何崛起？

科技是第一生产力，是国家实力的关键。纵观近现代科技史与经济史，16-18世纪，英国首先凭借牛顿的经典力学理论与瓦特的蒸汽机发明成为世界科技中心；而后随着西门子发明发电机、爱因斯坦提出相对论、普朗克奠定量子力学，德国一举成为19世纪末20世纪初的头号科技强国；二战前后，爱因斯坦移民美国、1945年世界上首颗原子弹在美国爆炸、1947年贝尔实验室的肖克利研究小组成功研制出晶体管，美国取代德国成为世界科技中心并保持至今。

科技是历史的杠杆。从日不落帝国到美元霸权，从机械革命到信息革命，两次科学革命、三次技术与工业革命，不论英国、法国、德国、日本、美国，无一不是依靠抓住某次关键的产业革命机遇而成功崛起，最终成为世界的科技与经济中心。

世界科学中心转移也被称为“汤浅现象”。日本科学史学家汤浅光朝提出当一个国家的科学成果数量占世界科学成果总量的25%，就可以称之为世界科学中心，并依此将历史上的世界科学中心转移分为5个阶段：意大利（1540-1610年）、英国（1660-1730年）、法国（1770-1830年）、德国（1810-1920年）、美国（1920年之后），平均维持时间为80年。按照这一总结预测，2000年前后美国的世界科技中心地位将受到新兴势力的挑战，这一角色正是中国。

美国已经清晰地意识到这一威胁。此次中美贸易战，实质是美国打着贸易的旗号试图对“中国制造2025”为代表的高科技领域进行打压与遏制。那么，中国科技实力在过去几十年中到底取得了怎样的发展？美国为何对中国的科技进步如此警惕？中美两国目前在全球科技版图中的地位和优劣究竟如何？

1 全球视角之一：研发经费与人力投入

当今世界的前沿科技研究，越来越离不开科研基础设施与高端精密设备的大量投入，以物理学研究为例，如果没有造价近3亿美元的LIGO（激光干涉引力波天文台），2016年引力波的成功探测也就成了“无米之炊”。国家在研发方面的资金投入是科研成果的前提保证。

2016年美国R&D国内支出达到5103亿美元，位于世界第一；中国R&D国内支出达到2378亿美元，位于第二，但不及美国的一半；其次为日本、德国、韩国等。2000年至2016年，中国R&D国内支出增长超过20倍，年均复合增速达到21.3%，同期美国R&D国内支出增长不到2倍，年均复合增速仅为4.1%。按照2010年以来中美R&D国内支出的复合增速测算，到2024年前后中国在研发的整体资金投入就将超越美国，成为世界第一。

从研发强度（R&D支出/GDP）来看，2016年R&D支出排名靠前国家的研发强度普遍维持在3%左右，其中韩国（4.24%）、日本（3.14%）、德国（2.94%）、美国（2.74%）处于前列。中国2016年研发强度达到2.12%，相较于2000年0.89%的强度水平明显提升，目前已经接近法国（2.25%）并且超过英国（1.69%）等发达国家，但距离美日德韩等国仍有一定差距。

从R&D支出的投向结构来看，中国目前的R&D活动主要侧重于试验发展（Experimental Development）阶段（2015年占比达到84%），基础研究（Basic Research）和应用研究（Applied Research）投入比例合计仅16%。而美国则在基础研究和应用研究领域相对投入更多资源，合计占比达到36%。尤其在联邦政府层面，除了国防部外其他部门（包括能源部、NASA等）基本以资助基础研究与应用研究为主，即使国防部资助的试验发展也是以先进技术与重要系统开发为导向，并且孕育了ARPANET（阿帕网，因特网的前身）、GPS（全球卫星定位系统）等重要发明。

除了研发经费的支持，各类科研成果离不开一支强大的工程师与科学家队伍。2014年自然科学与工程学学士学位获得人数排名靠前的国家与地区分别为中国（145万）、欧盟8国（57万）、美国（38万）、日本（12万）、韩国（11万），中国已经成为世界第一；而博士学位获得人数的国家与地区排名为欧盟8国（4.92万）、中国（3.18万）、美国（2.98万）、日本（0.59万）、韩国（0.55万）。可见在高学历人才供给方面，相对欧美来说中国并没有显著的人数优势。

从科学与技术领域全职研究人员数量来看，2015年排名分别为中国（162万）、美国（138万）、日本（66万）、德国（38万）、韩国（36万）。尽管在总量上已经超过美国，中国每千人劳动力中研究人员比重仅2.02，远低于美国、日本、韩国等发达国家。

2 全球视角之二：高等教育

古人云，“大学之道，在明明德”。古代教育机构最主要的理念在于“培养人”，侧重于精神层面的提升。近代以来，大学的研究职能与社会服务职能得到越来越多的重视，尤其是进入20世纪后，以美国斯坦福大学的崛起为代表，大学实际上成为人类科技创新的桥头堡。

当前国际四大权威的大学排名（QS/US News/THE/ARWU）中，THE（泰晤士高等教育世界大学排名）和ARWU（世界大学学术排名）更偏重教学与研究能力。2017年泰晤士高等教育世界大学排名前100榜单中，美国大学占到43所，其次为英国12所、德国10所，中国共5所上榜。其中排名前10的大学基本都来自美国和英国，中国排名最靠前的清华北大仍在20名开外。2011年以来，美国前100名大学数量有所下降，但仍占到总数的近一半；中国前100名大学数量略有提升，但相比美国差距较大。

另一份更加注重科研与学术的ARWU榜单中，2017年排名前100大学美国仍然以48所占到近一半，中国仅清华北大两所上榜。榜单排名前10的大学中，哈佛大学、斯坦福大学、麻省理工学院等美国大学占据了8位，而清华北大则排到了40名之外。

3 全球视角之三：论文与期刊发表

论文是基础研究成果的精华，最顶尖的论文往往能够改变甚至开创一个新的研究领域，例如图灵在《论数字计算在决断难题中的应用》中首次提出“图灵机”的设想并由此奠定了现代计算机的理论基础；香农的《通信的数学原理》直接创建了信息论并成为现代通信技术的基石。因此，高质量的论文实质上代表了对人类知识边界的探索能力，更代表国家在基础科研领域的实力。

从科学与工程（S&E）领域发表的论文数量来看，2016年排名靠前的国家或地区分别为欧盟（61.4万）、中国（42.6万）、美国（40.9万）、印度（11万）、日本（9.7万），中国首次在数量上超过美国。当然，论文的质量比数量更加重要。2016年科学与工程领域发表的引用率位于前1%的高质量论文中，美国相对比例指数为1.9、欧盟为1.28、中国为1.01，中国近几年高引用率论文的比例有所提升，但相对美国、欧盟来说差距仍然不小。（注：相对比例指数=某国前1%引用率论文数量/论文总数）

能否发表于顶级刊物是检验论文质量的另一有力证据。为了衡量基础科研产出，《自然》的发行者自然出版集团挑选了82本自然科学领域的顶级期刊（数量不到总体的1%但引用率占总引文数30%），并基于文章合作者的情况计算出了自然指数，考虑文章作者的所属国家与机构情况后得到的自然指数称之为分数计数（FC）。从2017年各国分数计数FC的排名来看，美国（19579）超出第二名中国（9088）两倍多，其次为德国（4363）、英国（3608）、日本（3053）。与S&E论文指标得出的结论类似，中国近年来在基础科研领域的进步较快，但距离美国仍有较大差距。

诺贝尔奖是对最顶尖基础科研成果的肯定。从各国诺贝尔奖的获得情况来看，二战前德国、英国、美国处于第一方阵，二战后美国实力大幅提升，不论在物理、化学及医学领域，美国的获奖数量都占到全球总数的半壁江山。而中国目前除了2015年屠呦呦获得诺贝尔生理学或医学奖之外，在物理学与化学领域尚未实现零的突破。

4 全球视角之四：发明专利

专利可以分为发明专利（patent for invention）、实用新型专利（utility model）、外观设计专利（industrial design）。其中，发明专利最能代表科技创新水平，并在全球范围内都被认作是衡量创新行为的有用指标。美国专利密集度居前的几大行业——计算机、通信设备、半导体均是典型的高科技行业，美国无线通信巨头高通更是凭借在CDMA领域的研发布局在3G/4G时代大发横财，高通依靠核心专利授权收取的费用甚至被称为“高通税”。

根据世界知识产权组织（WIPO）统计，截止2016年底全球共有972万件有效发明专利，其中保有量排名前五分别为日本（266万）、美国（219万）、中国（124万）、韩国（95万）、德国（60万）。从增量角度，2016年各国发明专利申请量排名分别为中国（126万）、美国（52万）、日本（46万）、韩国（23万）、德国（18万），而专利授权量排名分别为中国（32万）、日本（29万）、美国（28万）、韩国（12万）、德国（10万）。中国近年来在专利方面发力明显，在申请数量上已经大幅超越美国、日本，授权数量略超美、日，在专利的授权率与实际转化方面中国仍有较长的路要走。

从2013-2015年主要国家已公示专利申请（published patent applications）的行业分布情况来看，美国和日本在通信、计算机技术与半导体领域布局了大量专利，其中美国（18.82万）、日本（16.71万）接近中国的两倍（9.58万）。日本在机床、发动机、机械零件、光学以及测量等领域布局的专利数量显著多于美国和中国；美国除了在ICT领域布局了大量专利，在生物技术、医学技术与药物领域更是一枝独秀，公示阶段专利申请数量超过日本与中国之和；相对来说，中国在基础材料化学、精细材料化学、食品化学等领域布局更多。（注：专利申请18个月后进入公示阶段，通过实质审查后才会被授予专利）

5 全球视角之五：经济活动

5.1 高科技领域的国际贸易活动

高科技领域的国际贸易活动可以从一定程度反映一国在国际产业链中的相对位置与实力。在联合国国际贸易标准分类方法（SITC）四位数分组标准下，当前国际贸易金额较大的高科技商品包括集成电路、通讯设备、飞机与航天器等。

电子集成电路领域，2016年中国是最大的净进口国（出口608.8亿美元、进口2269.3亿美元），目前电子集成电路已经超过原油成为中国进口金额最大的商品。韩国净出口221.9亿美元（出口520.6亿美元、进口298.6亿美元），具有较强的竞争力；美国、日本则保持小额顺差，德国基本持平。值得一提的是商品贸易并不能反映产业竞争力的全貌，对于集成电路这类高科技行业，上游的专利授权等高附加值活动属于服务贸易并不包含在商品进出口数据中，因此结合更具体的价值链构成进行分析是必要的，对于集成电路产业的国际比较我们将在第二章作进一步探讨。

通信设备领域，2016年中国是最大的净出口国（出口2013.6亿美元，进口459亿美元），除了韩国保持小幅顺差外，美国、日本、德国均存在逆差。中国在通信设备领域的顺差金额基本与在集成电路领域的逆差金额接近，作为全球电子设备产业链的“组装工厂”，中国每年看似出口金额巨大，实际上由于核心的集成电路大量依赖进口，利润十分单薄。尽管美国在通讯设备领域存在巨额逆差，但是以移动通讯设备领域为例，单单一家苹果每年的净利润就超过其余所有手机厂商之和。中国在通讯设备领域的贸易顺差难掩不均衡的产业链利润分配。

飞机、航天器及相关设备领域，2016年美国顺差超过1000亿美元（出口1347亿美元、进口310亿美元），传统工业强国德国也存在较大顺差（出口444亿美元、进口197亿美元）。中国在此领域存在较大逆差（出口34亿美元、进口228亿美元）。相比于2010年，2016年中国在航空航天领域的逆差金额接近增长一倍，美国的顺差同时大幅增加。航空航天及集成电路已经成为中国迈向科技强国急需提升的技术领域。

风险投资（VC）是初创企业的重要融资渠道之一，风险投资的活跃程度可以侧面反映新经济的活力。风险投资可以分为三个阶段——种子期、早期与后期。根据PitchBook的统计，2016年全球种子期VC规模达58亿美元、早期与后期规模总计达1250亿美元。

2016年全球种子期VC规模中，美国达33亿美元、占比超过一半，欧盟（9亿美元）和以色列（7亿美元）其次。美国种子轮VC投向的新兴领域中，机器人与无人机、人工智能、物联网、无人驾驶受到热捧，从绝对金额来看，人工智能成为当下VC最看好的方向。

2016全球早期与后期VC规模中，美国达650亿美元仍然占到一半份额，其次为中国（340亿美元）、欧盟（110亿美元）。中国早期与后期VC活动显然比种子期VC活动更加活跃，近几年来规模由2013年30亿美元快速上升至2016年340亿美元，发展速度也远超过其他国家。总体来看，美国和中国已经成为全世界新经济最具活力的国家。