关键核心技术国家竞争的实践反思：现状与未来——以中美半导体产业发展为例

陈光

（西南交通大学，四川 成都 610031）

1 引言

观察世界知识产权组织（WIPO）发布的“全球创新指数”（GII）中国排名的变化，可以直观感受到世界创新版图正在经历的格局变迁。在这个榜单中，2013年中国位列全球35名，2018年位列全球17名，2020年位列全球14名，2021年位列全球12名，2022年位列全球11名，且中国拥有21个区域性科技集群（Science&Technology Clusters），科技集群数量首次赶上美国，并列世界第一。在中国和美国之后，德国排名第三，有10个科技集群，日本有5个科技集群，法国、加拿大、印度和韩国各有3个科技集群①。国家和区域之间的技术差异和变动，朝着竞争大于合作的方向演进。技术与创新日益成为现代化程度较高国家和地区发展的“内生变量”［1］。地缘政治冲突、产业链断裂、供应链国内化、持续跌宕的新冠肺炎疫情影响等，都在强化和加剧国际技术竞争的激烈程度。

一项专业调查表明，我国科技创新综合能力虽然不断提高，部分领域已经处于世界领先水平，但大多数技术领域依然处于“并跑”和“跟跑”状态②。随着中美经贸摩擦的爆发，我国在关键基础材料、核心基础元器件、精加工生产制造及检测设备、高端通用芯片等领域关键核心技术“卡脖子”问题凸显，形势十分严峻［2］。

2022年以来，美国等国率先强化关键和新兴技术清单管理，加大芯片和新能源技术等领域的法律保护力度。2022年8月9日，美国总统签署《芯片与科学法案》（以下简称《芯片法案》），旨在扩大美国高科技行业投资，重点包括芯片和电信、半导体生产、基础研究、新能源研发、宇航局人类登陆计划等，涵盖科技竞争的重要前沿领域，也包含贸易、科技、教育、文化交流的政策走向。尤其需要关注的是，这是美国历史上罕见的针对某一特定国家的导向性一揽子法案，预示着美国从法律层面开启了全方位、系统性国际技术竞争的时代。

“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中，才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全”③。面向2035年和2050年，在我国奋力实现现代化的进程中，坚定创新自信，紧抓创新机遇，加快实现高水平科技自立自强④，发挥新型举国体制优势，加强原创性、引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战⑤等是不容犹豫的国家战略选择。

日益复杂的国际技术竞争将如何演变？在崛起国和守成国不可避免的技术竞争中，如何坚定选择自立、自强、开放、合作的关键核心技术发展道路？这些都是需要我们深入研讨的重大课题。

2 关键核心技术国家竞争的理论逻辑

竞争的焦点是关键核心技术。关键核心技术是指在生产系统或技术系统中起关键或核心作用的技术［3］。事实上，关键核心技术可以体现在企业、产业和国家3个层次中。国家层次的关键核心技术是指，在国际竞争环境下，对赢得特定的国家经济科技国际竞争优势、维护国家安全产生重大影响的战略高科技，是竞争国家之间倾力攻防拼争主导权、获取长期竞争优势的高技术领域。不同时期，竞争领域会发生相应变化和调整，总体趋势是向前沿性、战略性、复合性、安全性的底层技术领域拓展和聚焦。

2022年2月8日，美国政府发布了一份更新版的《关键和新兴技术清单（“CET清单”）》（Critical and Emerging Technologies List，CET List）。该CET清单以美国2020年10月15日发布的《关键和新兴技术国家战略》（National Strategy for Critical and Emerging Technology）文件为基础。在文件中，美国为保持全球领导力而明确了包含20项“关键和新兴技术”的清单。与2020版相比，新版CET清单删除了“先进常规武器技术、农业技术、化学/生物/辐射和核减弱技术、医疗核公共卫生技术”，增加了“先进的燃气轮机技术、先进核能技术、金融科技、超高音速技术、量子信息技术、可再生能源的生产和存储技术”等；此外，还修订了“自主技术与机器人、先进的网络传感技术、空间技术与系统”等⑥。哈佛大学肯尼迪学院贝尔弗科学与国际事务中心发布的《伟大的科技竞争：21世纪的中国与美国的较量》认为，当前中美科技竞争主要集中在人工智能、5G、量子计算、半导体、生物技术和绿色技术等六大领域［4］，均具有前沿性、战略性、复合性、安全性的底层技术特点。

关键核心技术的国家竞争现象并不是孤立存在的。发生在国家之间的技术合作与竞争，是由技术应用扩散机制和国家制度约束机制双向作用的结果。在资源优化、成本降低和效益最大化机制的推动下，技术倾向于通过贸易、许可、转让等手段从技术“供给方”向技术“吸纳方”转移，国家之间技术合作的效果取决于合适的技术差距（Technological Gap）、“供给方”的技术溢出收益预期和“吸纳方”产业技术系统性的接纳能力。当技术“供给方”和技术“吸纳方”的技术差距缩小，甚至可能出现“反超”和“取代”时，国家制度约束机制开始发挥决定性作用，表现为技术“供给方”和技术“吸纳方”的人为剥离、贸易限制、技术壁垒等。当以技术应用扩散机制为主时，合作大于竞争；当以国家制度约束机制为主时，竞争大于合作。中国和美国之间的技术发展状态也许正好处在双向作用的转换时期。

在国家制度约束机制超越技术应用扩散机制并发挥作用的时期，关键核心技术对竞争国家双方都很关键。理论上，亟须有如何辨识究竟什么是“关键核心技术”的方法论，因为现有研究只是说“关键核心技术是指在生产系统或技术系统中起关键或核心作用的技术”，并没有提供可以操作的新的工具性认知。最好有一种“工具”，可以帮助国家相关部门明确关键核心技术的领域边界在哪里？其又关键到什么程度？

基于相关文献［5］，本文尝试归纳适用于当前国家竞争形势的关键核心技术的识别工具。

2.1 瓶颈性技术（Choke Points）

瓶颈性技术是指如果不掌握它将导致广泛的经济领域失败的一类技术。这类技术具有明显的战略性和底层性。如包括系统级芯片（SoC）以及三维芯片的微处理器技术，人工智能（AI）和机器学习技术，先进计算技术，数据分析技术，量子信息和传感技术，生物技术等。瓶颈性技术的通俗表现是，不拥有它的国家将陷入被动和不利局面。

2.2 加速器技术（Ability to Accelerate Other Technologies）

加速器技术是指能为其他技术赋能并促使其他技术发明总量增加的一类技术。这类技术具有明显的带动性和支撑性。例如，半导体技术直接影响5G、量子计算、人工智能的发展水平和规模。加速器技术的通俗表现是，拥有它的国家会处于主导地位。

2.3 保护带技术（Competitive Moats）

保护带技术是指维持一个国家某种技术优势、保持高度防御的竞争优势的一类技术。该类技术均以系统的方式存在，一般包括核心技术层和外围保护层。当一个主体获得某种技术优势时，一定会有其他主体通过包括“反向工程”在内的各种手段进行模仿或学习。为核心技术加增保护作用的技术如防伪溯源技术、通信和混淆技术、数字加密技术、先进区块链技术等，日益受到重视。

2.4 安全性技术（Security Risks）

安全性技术是指保障国家安全、保护重大利益免受直接风险影响的一类技术，包括先进的网络技术（网络攻击溯源技术）、监控技术等等。比较而言，保护带技术是对特定关键核心技术起保护作用的技术类型；安全性技术是确保经济安全、社会安全和国家安全的技术类型。

国家关键核心技术系统的结构如图1所示。

图1 关键核心技术系统结构图

基于关键核心技术的识别方法，如图1所示，缺少上述任何部分或层次的技术，都将造成关键核心技术缺失；缺少的部分或层次越多，越接近“瓶颈性技术”层次，关键核心技术缺失越严重。进一步地，可以尝试在特定国家技术竞争条件下，建立关键核心技术诊断的定量模型。

关键核心技术（KCT）的能力大小与瓶颈性技术（C）缺失造成的经济损失成反比，与加速器技术（A）、保护带技术（M）和安全性技术（S）强度成正比，即

其中：KCT表示诊断期一国相对于竞争国的关键核心技术能力数值；C表示瓶颈性技术缺失造成的经济损失，可以在一个特定技术领域，假设同等技术研发投入，通过比较两个国家的产业规模差值而确定；A表示加速技术进步的水平和速率，可以由诊断期关键技术突破带动相关领域发明专利申请数增加量而确定；M表示保持技术竞争优势的能力，可以由核心专利的外围专利申请数量而确定；S表示保障国家安全、保护重大利益免受直接风险影响的技术能力，可以由国家网络安全、预警技术和快速应急处置技术能力综合确定。根据4项指标反映的关键核心技术能力数值，可以定量判断一个国家的相对技术水平。

3 关键核心技术中美竞争的现状分析：以芯片为例

“小院高墙”是美国对华科技政策的主要策略。2018年 10月，“新美国”（New America）智库高级研究员萨姆·萨克斯首次将其运用到对华科技防御中，主张筛选与美国国家安全直接相关的特定技术和研究领域（即“小院”），同时采取更严密、更大力度的对华科技封锁（即“高墙”），而在非关键技术领域可以与中国合作。在美国重点智库的影响下，拜登政府的对华科技战略从“新冷战”转向“竞争性共存”，在所谓“不脱钩”“不冷战”的基调下，形成了“选择性接触、选择性竞争、选择性对抗”的基本态势。其中，芯片就是美方明确选定的具有竞争性、对抗性的特定技术和研究领域（即“小院”）。

芯片是中美科技竞争的焦点领域。在2021年美国参众两院讨论《美国创新与竞争法案》时，美方研判：近几十年美国半导体和微电子领域的本土制造在全球占比大幅下滑，以半导体为例，从1990年的占比37%降至目前的12%；而包括中国在内的竞争者在此领域大量投入并占据主导地位，中国不断增长的国内需求推动了其半导体行业市场的扩张，中国在半导体制造领域所占份额从1990年的不到1%上升到目前的15%，已超过美国。他们评估中国在半导体制造业的投资达1 500亿美元。

经过两年多的激烈辩论后，2022年8月9日，美国总统拜登正式签署《芯片与科学法案》。《芯片法案》是由3项法案合并而成的一个大法案：A部分是“2022年CHIPS法案”；B部分是《研发、竞争和创新法》；C部分是“2022年最高法院安全资金法案”。其中，A部分和B部分最为关键。《芯片法案》确定未来5年内将投资2 800亿美元，为美国半导体研发、制造以及劳动力发展提供527亿美元的政府补贴，其中390亿美元将用于半导体制造业的激励措施，20亿美元用于汽车和国防系统所使用的传统芯片的研发、制造，在美国建立芯片工厂的企业将享受25%的减税政策。此外，该法案还将为科学研究提供约2 000亿美元的资金，投资目标领域包括人工智能、量子计算、无线通信和精准农业等⑦。

需要注意的是，《芯片法案》体现了美国在关键核心技术领域布局竞争政策的新趋势。一是政府直接补贴。5年内拨款约520亿美元，补贴芯片企业。二是明确税收减免。为期四年的25%的税收减免政策，鼓励企业在美建厂制造芯片，共将减免税收240亿美元左右。三是排除中国因素。《芯片法案》明确指出，如果企业在中国大陆投资半导体制造，则其无法获得美国政府补贴；如果企业在美国建厂获得补贴，那么10年内不能扩大对中国先进制程芯片（14nm及以下）的投资，但对于成熟制程芯片的投资没有限制。

目前，中国台湾地区的台积电和韩国三星在中国大陆有投资。英特尔在大连的晶圆厂已经出售给了SK海力士，目前仅在中国的成都设有芯片封测中心。2021年，英特尔曾表示希望扩大在成都的硅晶片生产，但遭到白宫拒绝。《芯片法案》对中国先进制程芯片的影响可见一斑。要清醒地认识到，《芯片法案》也只是美国竞争组合拳中的一部分。同时，美国、日本、韩国、中国台湾组成的所谓“芯片四方联盟”（CHIPS4）正在谈判中。2022年8月12日，美国商务部工业和安全局（BIS）宣布，将4项“新兴和基础技术”加入出口管制清单，其中3项涉及半导体，并包括芯片设计中最上游、最高端的产业EDA。2022年10月，美国进一步宣布对出口中国的芯片技术实施新限制，包括正式限制先进半导体生产技术的出口，以及禁止在中国销售用于逻辑和存储芯片生产的工具，并限制中国获得用于超级计算和人工智能的芯片。

中国芯片技术和产业取得了长足发展，但也存在明显短板。在美国不断对中国芯片加增竞争性“高墙”的同时，也从侧面印证了近年来中国芯片技术和产业取得了长足发展。在半导体制造领域，中国的领军企业——中芯国际在过去十年间一直名列全球前五，2020年更是突破N+1工艺节点/7nm工艺。在芯片设计领域，华为海思在芯片研发上不断突破，2020年成为第一家进入前十大半导体公司的中国企业，取代美国高通成为中国最大的智能手机处理器供应商。总体上，尽管中国85%的半导体需求仍依赖于进口，但近几年的快速发展，使中国半导体行业与全球前沿技术的差距正在缩小。

而在半导体逻辑器件和存储器芯片基础研究领域，差距依然十分明显。如表1所示，通过对中美半导体产业链进行对比，可以发现：在半导体产业价值链上，越往价值链高端走，美国拥有的技术优势越明显；越往价值链中低端走，中国拥有的技术优势越明显。

表1 中美半导体产业链对比

根据图1所示的关键核心技术识别工具以及关键核心技术诊断模型，可以评估出中国在高端通用芯片上距离世界先进水平差距在10～15年之间。

2020年，中国国内芯片总销售额为398亿美元，占全球市场的比重不到10%，而美国和韩国的芯片产值合计超过全球市场的60%。根据预测，2024年中国芯片产业年收入将达到1 160亿美元，全球市场的占有率超过17.4%，仅次于美国和韩国。有数据显示，2021年全球半导体销量为1.15万亿个，销售额达5 559亿美元，年增长率为26.2%。其中，中国市场的半导体销售额达1 925亿美元，增长27.1%，成为名副其实的全球第一大市场。

4 自立、自强、开放、合作的关键核心技术发展道路

根据世界银行测算，2021年，我国人均GDP达到了12 556.3美元，处在跨越“中等收入陷阱”的关键时期，同时又交汇叠加中国现代化进程中战略调整的紧迫性。面向2050年，坚决打赢关键核心技术攻坚战，是实现国家现代化目标的基础和前提。

4.1 制定实施面向2050年的“科技自立自强战略”

回顾评估《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》的实施效果，该战略规划是成功的［6］。当我们面临愈发复杂的国际技术竞争环境和发展任务时，更加需要科技创新的“大战略”。

未来30年中美关系的基本态势很可能是长期处于“强冲突弱合作”状态，中美是世界上最大的竞争对手（Colliding Competitors）⑧。必须认真研判到21世纪中叶国家发展的各种可能状态，争取和平崛起的最大可能性。

与过去跨度12年或15年的科学规划不同，当前需要跨度30年以上的国家“科技自立自强战略”，从战略目标、战略任务、战略资源、策略安排等方面，实现新竞争条件下的高水平科技自立自强，全面支撑国家现代化发展。

4.2 制定实施基础科学研究的“中国诺贝尔计划”

之所以出现关键核心技术受制于人的局面，根本原因是基础研究的薄弱和落后。一方面，要选定量子科学、脑科学、纳米科学、空天科学、干细胞、合成生物学、发育编程、全球变化及应对、蛋白质机器、大科学装置前沿研究等重点领域，加强应用数学和交叉研究，抢占前沿科学研究制高点；另一方面，要静下心来、放长眼光，加大对原创性研究的激励力度，制定实施基础科学研究的“中国诺贝尔计划”，努力在未来30年内培养15位诺贝尔科学奖获得者。“可能吗”？21世纪初日本曾制定50年培育30位诺贝尔科学奖获得者的计划，当时也有人问，“可能吗”？截至2018年，已有26名日本人获得了诺贝尔科学奖。如今，我们应该问，“日本为什么可能”？基础研究需要更加自信从容，需要有长远坚定的战略思维，需要营造更为宽松自由的创新环境，让科学家“无干扰专注、非共识探索、无障碍阅读、无约束思考”。

4.3 完善支撑重大科技创新突破发展的新型举国体制

新型举国体制就是建立在社会主义市场经济基础上的新时代举国体制。相关研究表明［7］，我国取得科技突破的关键要素及其贡献度分别是技术突破（T）（31.5%）、政府作用（P）（29.0%）、市场需求（M）（22.8%）和企业组织（O）（16.7%）。2022年9月6日，在中央全面深化改革委员会第二十七次会议上习近平总书记强调，“健全关键核心技术攻关新型举国体制，形成关键核心技术攻关强大合力”⑨。有必要建立中国科技突破性创新理论模式（P-TMO理论模型）［8］，将举国体制优势、政策引领发展、市场决定作用、创新策源培育和企业组织优化结合起来，尤其要充分发挥市场和企业家在创新发展中的重要作用。

4.4 实施关键核心技术10年攻关行动

聚焦半导体、人工智能、5G、量子计算、生物技术和绿色技术等技术领域，按照关键核心技术（KCT）能力评估结果，明确现有基础和短板，分类、分级制定瓶颈性技术（C）、加速器技术（A）、保护带技术（M）和安全性技术（S）的“卡脖子”技术清单，实施关键核心技术10年攻关行动，争取在2032年以前扭转关键核心技术受制于人的被动局面。

在芯片技术和产业发展领域，总结、调整“国家集成电路产业投资基金”实施计划，在逻辑器件（包括微处理器、微控制器、通用逻辑器件以及连接器件）、半导体设备（刻蚀机、薄膜设备、测试设备和清洗设备等）和半导体材料（硅片、光掩模、电子特气、CMP抛光材料、光刻胶、湿制程化学品以及靶材）等领域集中攻关，争取更大突破。

4.5 积极探索开放合作的关键核心技术发展新道路

没有一个国家可以在自我封闭中实现现代化。中国今天取得科学技术发展重大成就的根本原因是改革开放。高水平科技自立自强与高水平开放合作互为基础和条件。面对日益严峻的国际技术环境，要有更加坚定和灵活的发展策略，要积极探索新的历史条件下提升关键核心技术能力的开放合作发展新道路。

按照技术的安全敏感性和经济成长性，在高敏感高成长、高成长低敏感、低敏感低成长、高敏感低成长等4个技术区域制定不同的竞争—合作组合策略（见图2）。形成特定国家技术竞争和风险管理举措，尽量扩大合作领域、减少竞争影响。

图2 竞争—合作组合策略

在技术—产业的不同链条上，没有哪个国家可以完整拥有产业链价值链的全部环节。以芯片为例，2021年，中国消费全球36.5%的芯片，是名副其实的全球第一大市场。相关国家对中国实施技术出口管制，同时也失去了难得的市场机会。2021年，韩国芯片出口总额为1 280亿美元，其中对华出口（包括中国内地与中国香港）份额高达60%，以至于韩国在参加“芯片四方联盟”（CHIPS4）谈判时多有顾虑。现代技术产业的发展特点是开源、生态，先进制程芯片也只有在操作系统、数据库和广大用户等的使用生态中才能彰显其价值。而我国在市场、制造、封装和测试等领域有着不可替代的作用。扬长避短、以长补短需要时间，也考验国家的毅力和智慧。一是坚持改革开放的基本国策；二是将竞争压力转化为技术突破的动力；三是强化价值链环节的相互支撑；四是加强国家技术竞争的风险管控；五是灵活实施不同的竞争—合作组合策略。

注释：

①https://www.wipo.int/pressroom/zh/articles/2022/article_0011.html.

②第五次国家技术预测对1 346项技术的评价结果为：处于“领跑”领域的占比16.3%，处于“并跑”和“跟跑”领域的分别占比30.0%和53.7%。

③习近平总书记在两院院士大会上的讲话，2018年5月28日。

④习近平总书记在两院院士大会上的讲话，2021年5月28日。

⑤习近平总书记在参观“十三五”科技创新成就展时讲话，2021年10月26日。

⑥美国国家科学技术委员会（NSTC），关键和新兴技术（Critical and Emerging Technologies，CETs），2022年2月。

⑦The CHIPS Act of 2022.

⑧ China's Grand Strategy：Trends,Trajectories,and Long-Term Competition.

⑨习近平总书记在中央全面深化改革委员会第二十七次会议上的讲话，2022年9月6日。