不久前，美国国家科学委员会向美国总统与国会递交了两年一度的关于美国与全球科学力量对比的重磅报告——《科学与工程指标》（Science and Engineering Indicators）（以下简称「报告」）！
据该报告显示，从21世纪初至今，美国在科学与工程领域的发展表现与全球多个国家或地区相比已出现明显的衰退、放缓迹象，其中，中国更是在多个关键的科学指标上超越了美国，成为世界领先的科技强国，包括研究出版刊物增长率、专利数量、对全球研发支出贡献的增长率等等。
该报告由美国国家科学基金会（NSF）旗下的美国国家科学与工程统计中心（NCSES）撰写，数据丰富，论据严谨，具有较强的客观性与权威性。
而根据Science的观点发声，美国之所以在科技发展上步骤放缓，有很多原因，其中较为老生常谈的几点因素仍然出现，包括研发投入不足、少数群体（女性、黑人等）代表性不足、地区发展差异大等等。
报告还指出，在美国工作的大多数拥有博士学位的计算机科学家与工程师均非美国本地出生，而是海外出生、后迁来美国的人士，其中计算机科学家的比例高达 60.3%，工程师也超过一半，为 57.1%。
综合多方数据，《科学与工程指标》报告指出八大要点，其中六个值得注意的要点如下：
全球研发（R&D）绩效集中在几个国家，美国表现最突出（2019年占全球研发的27%），其次是中国（22%）、日本（7%）、德国（6%）和韩国（4%）。 全球研发绩效的集中度继续从美国和欧洲向东南亚和南亚国家转移。 许多中等收入国家（如中国和印度）正在增加科学和工程刊物出版、专利活动以及知识和技术密集型产出，向全球输出科学和技术能力。 从2010年至2019年，十年间，美国政府资助的研发项目占美国研发总项目的比例下降了大约10%（从2010年的31%下降到2019年的21%）。 美国科学、技术、工程和数学（STEM）领域的劳动力占美国总劳动力的23%。该数据涵盖了所有教育水平阶段的工人，且男性、白人、亚裔与外国出生的工人的比例均高于这些群体在美国人口中的比例。 美国是世界上授予科学与工程（S&E）博士学位最多的国家。在这些博士生中，有相当一部分是国际学生，在经济学、计算机科学、工程、数学和统计领域，超过一半的博士学位是授予国际学生。
报告链接：https://ncses.nsf.gov/indicators/reports
基于调查，该报告认为，美国政府要想维持其在全球科技活动中的领导地位，接下来应该加大对美国科学与工程企业的扶持，重点推进企业的科研工作。
美国研发资助比例
无论是全球范围还是美国，商业部分所投入的研发资金与工作都占了较大比重。在美国，就总研发资金份额来说，联邦政府是基础研究的最大单一资助者（41%），其次是商业（31%）、非联邦政府和非营利组织（16%），以及高等教育（13%）。
但报告称，自2010年以来，联邦政府资助的研发比例全方位下降，无论是基础研究、应用研究还是实验开发。因此，随着联邦政府研发拨款比例的持续下降，企业研发的投入比例也将上升，扮演重要角色。
美国的大多数研发绩效体现在实验开发（65%）和应用研究（19%），而商业部门在这两个领域均占据主导地位。商业部门专注于新的和改进的商品、服务和流程，实验性开发与应用研究分别占比90%和58%。
而在基础研究中，高等教育机构的占比最大（46%）。不过，在基础研究一块，美国商业机构的占比也从2012年的18%上升到了2019年的30%左右。自2010年以来，一些行业——尤其是化学制造业（包括制药业）、计算机及电子产品、运输设备、专业与科技服务，以及信息服务——在商业部门的研发中占了大幅度比例。
图注：美国商业机构、高等教育、联邦政府与其他组织在不同类型研究上的研发投入分析
联邦政府仍然是美国基础研究的最大资金来源（41%）。然而，尽管联邦政府的研发资金从2010年的1270亿美元增加到了2019年的1390亿美元左右，联邦政府的研发资助占比也从2010年的31%下降到了2019年的21%左右，如下图所示：
女性在STEM 劳动力中的比例
报告显示，女性约占 STEM 劳动力的 1/3 ，低于美国女性就业人口占总就业人口的比例（48%）。从2010年至2019年，十年间，美国女性在 STEM 劳动力中的比例仅上升了2%（从 2010 年的 32% 增长到 2019 年的 34%）。不过，这一增长是由于拥有 STEM 学士学位或更高学位的女性比例增加，从 2010 年的 42%（500 万女性）增长到 2019 年的 44%（700 万女性）（图 10）。
此外，在不同类型的 STEM 职业中，拥有学士学位或更高学历的女性分布不均。2019 年，女性占生命科学家的比例为 48%，社会科学家为 65%，但物理科学家仅为 35%，计算机和数学科学家为 26%，工程师为 16%。
图注：2010年与2019年美国 STEM 劳动力的人口构成
海外出生的美国 STEM 劳动力
报告指出，美国的 STEM 劳动力严重依赖于外国出生的群体，他们占了美国 STEM 劳动力的 1/5 左右，在 S&E 领域获得最高学位的外国出生的从业者约有 50% 来自亚洲，其中印度（22%）和中国（11%）是主要出生地。
2019年美国的计算机与数学科学家构成中，有相当一部分是出生于外国，其中本科生占了 25%，博士生占了60%。
2019 年，外国出生的从业人员（不考虑公民身份）占 STEM 劳动力的 19%，高于 2010 年的 17%。具有学士学位或更高学位的外国出生工人在 STEM 劳动力中所占比例较大（23% ），高于没有学士学位的人（16%）。外籍人员本科及以上学历占S&E职业人员的21%，硕士38%，博士45%，计算机和数学科学家占比最高，适用于所有学位等级。
在知识和技术密集型（KTI）行业的 STEM 从业人员中，外国出生的从业人员也占很大比例（26%），但他们更集中在制药业，计算机、电子和光学产品，科学研发，软件出版，以及信息技术（IT）服务行业。在 KTI 行业的外国出生的 STEM 从业人员中，略多于一半是美国公民。
图注：2019年非美国出生的STEM从业人员划分，按照本科、硕士与博士的学历划分
1）S&E高等教育
报告指出，在美国的 S&E 高等教育中，本科与研究生阶段的科技学位数量从2000年的56.1万人增加到了2019年的108.7万人。
尽管美国在过去二十年所培养的 S&E 本科生数量翻了几乎一倍，但中国仍在数量上碾压美国。
由于人口基数大，印度与中国所培养的 S&E 专业本科生数量一直处于世界领先地位，美国排第三，其次是巴西、墨西哥、英国、日本、土耳其、德国、韩国和法国。
在 S&E 博士学位的授予数量上，美国在数十年来一直保持世界领先地位，2018年授予的博士学生达到了4.1万名。但根据报告，中国在博士生数量的培养上正与美国不断缩小差距（如下图）。
事实上，自2007年以来，中国在自然科学与工程领域所培养的博士生数量就已经超过了美国。2018年，中国在自然科学和工程领域授予了近3.8万个博士学位，而美国仅颁发了3.1万份。
图注：2000年至2018年数国科学与工程博士学位授予数量的变化
不过，在大多数授予 S&E 博士学位的顶尖国家中，物理、生物科学、数学与统计学博士学位的授予数量占比最高，而在中国、韩国与日本，工科生在 S&E 博士生中的占比最大。
2）研发费用
从 2000 年到 2019 年，全球研发支出翻了三倍，从 2000 年的 7260 亿美元涨到了 2019 年的大约 2.4 万亿美元。
对研发支出的调查显示，少数几个国家承担了全球大部分的研发。
2019 年，美国（6560 亿美元，占比 27%）和中国（5260 亿美元，占比 22%）的研发总量占全球研发的一半左右。其他国家如日本（7%）、德国（6%）和韩国（4%）也表现出色，法国、印度和英国的比例也分别占全球总数的 2% 到 3%。
图注：2000年至2019年美国、中国、法国、德国、英国、日本、韩国与印度在研发上的支出
尽管2019年美国的研发支出比其他国家都多，但由于中国在内的多个中等收入国家的研发增长已超过美国，美国在全球研发中的份额已经在下降。
过去十年，东亚、东南亚与南亚地区的研发增长明显。
从2000年到2019年，美国为全球研发绩效的增长贡献了23%，而东亚、东南亚和南亚地区的国家（包括中国、日本、马来西亚、新加坡、韩国和印度）为全球研发绩效的增长贡献了46%。其中，仅中国一年的研发增长就为全球研发增长贡献了29%。
图注：2000年至2019年，数国为全球研发绩效增长所做贡献的比例分析
2010年至2019年，中国研发投入年均增长10.6%，继续远远超过美国（5.4%）。受此影响，美国在全球研发活动中的份额从2010年的29%下降到2019年的27%，而中国的份额从15%上升到22%。近日，中国的研发增长速度已经达到与美国相差无几的水平。
图注：2000年、2010年与2019年美国、中国与欧盟等国家或地区在全球研发活动中所占的份额比例
从2000年到2019年，数个科技强国的研发强度均有所增加。近20年来，美国的研发强度仅从2.5%增长到略低于3.0%。根据对美国总研发支出的初步估计，2019年的最新估计首次超过了3.0%。从2000年到2019年，韩国和中国的研发强度增长最快，分别从2.1%增长到4.6%、0.9%增长到2.2%。德国的研发强度也从2.4%增长到3.2%。
图注：数国从2000年到2019年的研发强度增长
各国在基础研究、应用研究和实验开发方面的研发支出数额各有不同。
以中国与美国的对比为例。美国在基础研究方面的研发资金支出比例高于中国，而中国在实验开发方面的研发资金支出比例高于美国。2018年，中国83%的研发支出用于实验开发，而美国的这一比例为64%。尽管两国在实验性研发上的投入有所不同，但美国（3886亿美元）和中国（3879亿美元）的投入相当。美国的研发支出为6075亿美元，其中每年用于基础研究的研发支出为1011亿美元（17%），中国每年用于基础研究的研发支出为260亿美元（6%）。
其他国家，如法国，在基础研究上花费的研发资金比例更高，但没有一个国家的绝对金额超过中国或美国。
此外，报告指出，美国研发绩效与资金的大部分增长要归功于商业机构，美国政府是研发绩效的第二大资助者，但其占研发总额的比例有所下降。
在大多数研发强国中，商业机构所提供的研发资金都是最多的，2018年甚至达到了60%以上。在日本、中国和韩国，商业部门的研发资金占比甚至超过了75%。在美国和德国，企业在研发资金总额中所占的份额较低，但仍超过60%。
3）研究出版
同行评审是传播新科技知识的主要机制。报告显示，在全球范围内，六个国家生产了超过 50% 的全球同行评议的科技出版物：中国（23%）、美国（16%）、印度（5%）、德国（4%）、英国（4%）、日本（3%）。
从2000年到2020 年，美国、德国和英国等高收入国家的出版物产出增长率（3%）低于中国、俄罗斯和巴西等中高收入国家（11%）。然而，与高收入国家相比，中高收入国家的出版物产出增长的基数较小。
此外，从研究发表的领域来看，在美国、欧盟、英国和日本，占比最大的期刊文章是在健康科学领域，而在中国和印度，占比最大的分别是工程、计算机和信息科学。
从引用量来看，美国的出版物具有很高的影响力。2000年至2018年，美国高被引论文指数稳定在1.8左右。考虑到美国的总体出版产出，这意味着美国的高被引文章数量几乎是预期的两倍。相比之下，同期其他国家的指数也有所上升，比如，欧盟27国的指数从0.9上升到1.3，中国的指数从0.4上升到1.2。
美国影响力的另一个指标体现在出版合作方面的国际合作。2020年，由全球多个国家作者撰写的S&E文章中，美国作者占了35%。来自中国、美国、英国和德国的作者共同撰写了最多的S&E出版物。
图注：2020年15个国家S&E出版物中，国内作者与国际合作的占比分析
4）发明与创新
以中国为首的中等收入国家增加了对专利的申请，导致专利申请的数量逐渐产生了地位反转的情况。
从2010年到2020年，授予高收入国家发明者的国际专利比例从78%下降到48%。美国在国际专利中的份额从15%下降到10%。相比之下，中国的国际专利份额从2010年的16%上升到2020年的49%。
图注：美国、欧盟、韩国、日本与中国的国际专利数量占比变化（2010-2020）
在全球范围内，56%的国际专利与电气和机械工程有关，反映了这些领域在全球发明中的重要作用。2020年美国发明者所获得的所有国际专利中，有63%的专利来自于这两个工程领域。
2020年，美国获得了全球风险投资的47%（1290亿美元），这些资金对于将新知识转化为创新应用至关重要。
尽管这个数字很大，但随着中国和南亚（特别是印度）获得越来越多的风险投资，美国在全球风险投资中所占的份额在2000年至2005年期间从76%不断下降。
全球对中国的风险投资在2018年至2019年期间出现大幅下降，打破了长达10年的快速增长趋势，但在2020年出现反弹，达到600亿美元。
美国的风险投资主要集中在ICT和医疗保健行业（如医疗保健设备和用品、医疗服务、医疗保健技术系统、制药和生物技术）。而在中国，2020年ICT行业获得的风险投资最多（40%）。
图注：美国不同行业的创新数量占比分析（2015-2017）
5）知识技术密集型（KTI）产业产出
从全球来看，KTI产业附加值的产出从2002年（3.4万亿美元）到2019年（9.2万亿美元）增长了一倍以上。2019年，KTI服务业（IT服务、科学研发服务和软件出版）创造了2.8万亿美元，KTI制造业（飞机；计算机、电子、光学产品；药品；化工产品（不含药品）；运输设备[不包括飞机]；电气及其他机械设备；和科学仪器）创造了6.4万亿美元。
2011年，中国超越美国成为世界上KTI制造业产量最大的生产国。中国在全球KTI制造业产出中的份额已从2010年的18%上升到2019年的31%。尽管美国KTI制造业的产量持续增长，美国仍然是全球三大KTI制造业（飞机、医疗设备和制药）产量的最大生产国，但其全球份额自2010年以来一直在19% - 21%之间波动。在此期间，美国在全球KTI服务产出中所占份额从2010年的31%增加到2019年的37%，目前是全球最大的KTI产业——it服务的最大生产国。
参考链接：
1.https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20221/u-s-and-global-stem-education-and-labor-force
2.https://www.science.org/content/article/u-s-science-no-longer-leads-world-here-s-how-top-advisers-say-nation-should-respond
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