Глобальная гонка технологий: сравнение США, Европы и Китая

Прорывные технологии в сферах искусственного интеллекта, квантовых вычислений, полупроводников лежат в основе четвертой промышленной революции. Их развитие определяет будущее не только экономики, но и национальной безопасности, что поместило эти технологии в эпицентр глобального геополитического соперничества.

Исследователи из европейских аналитических центров Bruegel и MERICS сравнили достижения в прорывных инновациях трех технологических лидеров и крупнейших экономик – Китая, США и ЕС. А также проследили диффузию ключевых технологий между их рынками.

Традиционно значимость инноваций измеряется количеством цитирований патентов, описывающих изобретения, в научной литературе. Однако само по себе количество не говорит о качестве разработок, то есть о том, станет ли запатентованная технология революционной.

Чтобы избежать этой ловушки и определить страны происхождения самых передовых в мире технологий, исследователи из Bruegel и MERICS отказались от стандартной оценки инновационности изобретений по числу цитирований. В двух новых исследованиях (1; 2) они определили глобальное лидерство в инновациях исходя из так называемой радикальной новизны патентов. К этой категории отнесены инновации, которые никогда не упоминались в прежних патентах и на основе которых к настоящему времени возникло еще как минимум пять запатентованных инноваций, способных дать технологиям новое направление.

Основные выводы исследования:

• ИИ: США доминируют, особенно в генеративном ИИ и машинном обучении; Китай превосходит США в технологиях ИИ для авиатранспорта, биометрии, компьютерного зрения; ЕС в сфере ИИ отстает.
• Полупроводники: Китай лидирует в производстве чипов, технологиях отображения и памяти, но США превосходят его в проектировании полупроводниковых устройств и технологиях визуализации; ЕС довольно силен в оптоэлектронике и сенсорных технологиях, но уступает в этом и США, и Китаю.
• Квантовые вычисления: США – явный лидер, но Китай сильнее в нескольких областях (квантовой криптографии, фотонике), ЕС в нескольких областях близок к Китаю и превосходит его в квантовых полупроводниковых технологиях.
• Инновации быстрее всего распространяются в сфере ИИ, медленно – в квантовых вычислениях; ЕС запаздывает в копировании новшеств из США и Китая, а Китай и США копируют друг друга неожиданно быстро.

Искусственный интеллект: Китай догоняет США

Если исходить только из количества патентов, Китай должен быть абсолютным лидером в разработке ИИ: с 2019 по 2023 г. число ежегодно регистрируемых китайских патентов в этой области более чем удвоилось, с 29000 почти до 63000. Число американских ИИ-патентов в 2023 г. было втрое меньшим и росло гораздо медленнее, чем в Китае, а Европа по количеству новых ИИ-патентов уступала Китаю более чем в 13 раз.

Однако, несмотря на явный количественный перевес, качество китайских изобретений уступает американским. По подсчетам исследователей, китайские ИИ-гиганты зарегистрировали в 2023 г. около 340 радикальных инноваций, в то время как их американские конкуренты – более 570. Причем с 2019 г. число патентов, содержащих радикальные новации в области ИИ, в США удвоилось и доля США в прорывных ИИ-технологиях выросла с 46% до почти 60%. На долю Китая приходится 30%, ЕС – остальные 10%.

В целом две самые инновационные подобласти развития ИИ в США, Китае и ЕС – машинное обучение и компьютерное зрение, на которые в 2019–2023 гг. пришлось максимальное число радикальных новаций всех трех ведущих экономик.

Самые инновационные разработки в машинном обучении принадлежат США – здесь «рождены» почти три четверти (70,5%) всех радикально новаторских идей в этой сфере за 5 лет, охваченных исследованием. Патентами, содержащими радикальные новшества в машинном обучении, обладают все 10 американских компаний – лидеров в сфере ИИ.

Однако в другой наиболее освоенной ИИ-подотрасли – разработке технологий компьютерного зрения – Китай фактически обогнал Америку: его доля во всех революционных инновациях этой сферы – около 46% против около 44% у США (см. график выше). Патентами на радикальные новации в области компьютерного зрения и обработки изображений обладают 9 из 10 компаний, отнесенных авторами к китайским лидерам ИИ-инноваций. В частности, в двух этих сферах сосредоточено 75% всех запатентованных радикальных новшеств компании ByteDance, владельца TikTok. У производителя электронных дисплеев BOE Technology на прорывные изобретения, связанные с компьютерным зрением и обработкой изображений, приходится почти 65% всех революционных патентов, у медиагиганта Tencent – 64%, а у производителя смартфонов Oppo – 62%. На компьютерном зрении и обработке изображений сосредоточена треть прорывных разработок Baidu, владельца крупнейшей в Китае поисковой интернет-системы и ведущего в Китае новатора в сфере беспилотных автомобилей.

Первенство Китая в разработке компьютерного зрения завоевано в острой конкурентной борьбе с США. Революционные патенты в этой подобласти есть у 8 из 10 ведущих американских ИИ-разработчиков (исключение – Amazon и IBM). Главные соперники китайских компаний – Qualcomm, Intel, Nvidia и Micron.

Уступая Китаю в разработке технологий компьютерного зрения, США сохраняют лидерство в создании генеративного ИИ – в основном благодаря усилиям Nvidia и Adobe. В Китае генеративным ИИ занимаются ByteDance, Tencent и чемпион среди китайских компаний по доле радикально инновационных ИИ-патентов Huawei.

Другая подобласть, где США нет равных, – обработка естественного языка (NLP). Наибольшая доля революционных NLP-патентов принадлежит Amazon (на них приходится 58% всех радикальных новаций компании), IBM (32%) и Oracle (31%), для которых NLP превратилась в отдельную бизнес-услугу. Например, Amazon Web Services предлагает эту технологию для анализа контента социальных медиа и отзывов клиентов, сама компания использует NLP для рекомендаций пользователям исходя из их поисковых запросов.

США также лидируют в области обработки аудиоинформации, анализе данных, кибербезопасности и медицинской аналитике. Однако Китай превосходит США по доле прорывных технологий в робототехнике и обработке изображений, ИИ-инновациях для телекоммуникационной отрасли и авиатранспорта, биометрии и хранения данных.

Китайские ИИ-инноваторы часто диверсифицируют исследования, распространяя их на смежные сферы. Например, 61% радикально новых патентов UBTECH Robotics посвящены робототехнике, а еще почти треть – компьютерному зрению. У производителя дронов Autel Robotics, обеспечившего Китаю выигрыш у Америки и Европы в разработке ИИ для управления воздушным транспортом, 47% всех революционных патентов связаны с его главной сферой, а четверть – с робототехникой.

Хотя доля европейских компаний в радикальных ИИ-инновациях крайне мала в сравнении с США и Китаем, в ЕС есть звезды, до которых далеко многим американским и китайским лидерам глобального рынка. Например, по общему количеству зарегистрированных в 2019–2023 гг. инноваций французская робототехническая фирма Stanley Robotics занимает среди 30 американских, китайских и европейских ИИ-пионеров последнее место – за 5 лет она зарегистрировала всего 63 патента. Но 6 из них, или 10%, содержат радикальные новации – это самая высокая доля во всей выборке. Для сравнения: только 0,33% патентов китайской Baidu, чемпиона по количеству зарегистрированных ИИ-патентов, представляют собой радикальные новации, а в целом доля революционных идей в патентах ИИ-инноваторов колеблется в пределах 0,2–4%.

В Европе значительная доля прорывных ИИ-разработок приходится на робототехнику. Две другие развитые подобласти ИИ в ЕС – компьютерное зрение и машинное обучение. Основные прорывные технологии в сфере искусственного интеллекта в Европе принадлежат трем телекоммуникационным компаниям – Ericsson, Nokia и Siemens: в общей сложности на них приходится порядка трех четвертей всех европейских прорывных ИИ-новаций. Эти три компании также лидируют в области машинного обучения и активно развивают технологии компьютерного зрения. Компьютерным зрением среди крупнейших европейских ИИ-разработчиков серьезно занимается и французская оборонная корпорация, производитель авиадвигателей и комплектующих для авиации Safran: оно используется для распознавания целей и наземного и воздушного наблюдения.

Технологии для чипов: лидерство Китая

По общему количеству патентов в сфере полупроводников доминируют США, где в 2023 г. было зарегистрировано более 210000 патентов – втрое больше, чем в Китае, и более чем в 8 раз больше, чем в ЕС. Однако число радикальных новшеств в этой сфере в США снизилось в 2023 г. по отношению к 2019 г. в 1,5 раза. В то же время для Китая инновации в сфере полупроводников имеют хороший задел из-за его лидерства в производстве потребительской электроники, и на них приходится больше половины всех радикальных изобретений в стране.

В целом именно в прорывных инновациях в полупроводниковой отрасли лидирует Китай, но в отдельных подотраслях делит первенство с США. Например, роль Китая и США примерно равна в разработке оптоэлектроники, микроэлектромеханических систем, силовой электронике и материаловедении (materials science).

Китай обходит США в производстве полупроводников и технологиях памяти – в основном благодаря разработкам Yangtze Memory Technology и Changxin Memory Technology, получившим крупные инвестиции от государства. В двух этих подотраслях на Китай приходится соответственно 60% и около 55% глобальных прорывных технологий.

Превосходит Китай американских и европейских соперников и по технологиям отображения, обеспечивая около 80% глобальных радикальных новаций. Ведущий инноватор в этой подобласти – китайская TCL Technology (около 18% радикальных новаций в полупроводниковой отрасли).

Один из самых диверсифицированных китайских изобретателей в области полупроводников – Huawei, имеющий патенты на технологии памяти, отображения, силовую электронику, разработку микроэлектромеханических систем, проектирование полупроводниковых устройств. В целом на его долю приходится около 10% радикальных новаций в общем числе китайских патентов в сфере полупроводников.

США, в свою очередь, возглавляют инновации в области проектирования полупроводниковых устройств, технологиях визуализации, полупроводниковых приборах и сенсорных технологиях. В целом разработки американских компаний более диверсифицированы и сосредоточены в подотраслях с более высокой добавленной стоимостью. Например, компания Apple, более трети радикальных новаций которой – технологии отображения, запатентовала технологии, распространяющиеся почти на всю цепочку добавленной стоимости от проектирования полупроводников до их упаковки – технологий размещения чипов в корпусах электронных устройств и их защиты.

Европейские инноваторы отстают от США и Китая во всех подотраслях, связанных с полупроводниками, причем в 2022–2023 гг. они сократили количество радикальных новшеств, связанных с полупроводниками, более чем наполовину. Тем не менее европейские разработчики довольно сильны в микроэлектромеханических системах, оптоэлектроникe, сенсорных технологиях и разработке фотонных чипов: на Европу приходится примерно пятая часть глобальных радикальных новаций во всех этих подотраслях.

Квантовые вычисления: доминирование США

В области квантовых вычислений США – явный лидер и по количеству, и по качеству радикально инновационных патентов. В 2023 г. американские компании зарегистрировали более 5000 патентов в этой отрасли, китайские – около 1500, европейские – менее 1000. Наибольший прогресс в этой сфере, исходя из количества прорывных инноваций, наблюдается в области квантового аппаратного обеспечения и создания квантовых систем и контроля за ними. В этих областях доминируют США с долей чуть менее двух третей от всех прорывных изобретений, зарегистрированных тремя глобальными игроками. На США также приходится половина радикальных инноваций в разработке квантовых полупроводниковых технологий.

Китай доминирует в квантовой криптографии, квантовых коммуникациях, квантовой фотонике и квантовой химии – в этих подотраслях на него приходится чуть менее половины глобальных радикальных инноваций.

Европа в квантовых вычислениях отстает от могущественных соперников в гораздо меньшей степени, чем в разработке ИИ и технологий для полупроводников. Европейским исследователям принадлежит от четверти до трети патентов, описывающих революционные разработки в областях квантового аппаратного обеспечения, квантовых полупроводниковых технологий, квантовой фотоники и квантовых коммуникаций. Подобные успехи – во многом заслуга европейских исследовательских университетов, отмечают авторы. Число регистрируемых ими патентов меньше, чем у технологических компаний, но качество выше.

США же традиционно славятся симбиотическими отношениями между фундаментальной наукой и стартапами. Среди американских инноваторов с академическими корнями выделяется компания IonQ, основанная в 2015 г. и в 2021 г. ставшая первой публичной компанией, занимающейся исключительно квантовыми вычислениями. Основная технология IonQ лицензирована Мэрилендcким университетом, в котором основатели компании занимались фундаментальными исследованиями в квантовых вычислениях в течение 10 лет, отмечают авторы.

Другой важный американский игрок с «университетской родословной» – компания Zapata Computing, основанная в 2017 г. учеными Гарвардского университета, чьи исследования ведутся на стыке двух инновационных направлений – квантовых вычислений и генеративного ИИ.

Диффузия инноваций

Технологические достижения мигрируют из одних регионов в другие. После регистрации патента, содержащего революционную инновацию, в регионе А она, как правило, вскоре появляется в патенте региона В, что позволяет отстающим догонять лидеров.

Расчеты исследователей показывают, что быстрее всего новые технологии из других экономик перенимают США, Китай – несколько медленнее, а Европа – относительно долго.

Например, между патентованием китайской радикальной инновации в квантовых вычислениях и ее репликацией в американских патентах в среднем проходит меньше двух месяцев. А ссылка на китайскую инновацию в полупроводниковой области и в сфере ИИ появляется в американских патентах через 70 и 75 дней соответственно.

Китайские разработчики заимствуют у США революционные изобретения в квантовых вычислениях и в ИИ в среднем через 2,5 месяца, а изобретения в полупроводниковой сфере – примерно через 120 дней.

Европейские ИИ-разработки США начинают осваивать примерно через 75 дней после их патентования в Европе, полупроводниковые – примерно через 120 дней. У Китая на это уходит порядка 90 и 140 дней соответственно.

Европейские инноваторы воспроизводят «чужие» радикальные инновации намного медленнее. Заимствование квантовых и полупроводниковых технологий у Китая занимает у ЕС примерно в 1,5 раза больше времени, чем требуется Китаю для освоения европейских радикальных новшеств в этих сферах, а заимствования в ИИ – почти вдвое больше. Как ни странно, еще неспешнее Европа в освоении американских передовых инноваций. Заимствование разработок США в квантовых вычислениях занимает у ЕС почти год – около 300 дней, что в 6 раз дольше, чем скорость американских заимствований в этой сфере у Европы. На репликацию передовых патентов в области ИИ и в сфере полупроводников в Европе уходит в среднем 230 дней – это, соответственно, втрое и вдвое дольше, чем у американцев при заимствовании европейских технологий.

Кроме того, в европейских странах новейшие технологии, изобретенные в самом ЕС, в разы медленнее распространяются и на внутреннем рынке. Например, инновациям в сфере ИИ, созданным в США, требуется в среднем порядка 60 дней для распространения внутри США, а европейским ИИ-прорывам для распространения в странах ЕС – порядка 200 дней, подсчитали исследователи. В сфере полупроводников диффузия инноваций Китая на его внутреннем рынке занимает чуть более двух месяцев, инноваций Европы на европейском рынке – около пяти.

Это приводит к тому, что европейские разработки быстрее распространяются в США и Китае, чем в странах самого ЕС. Например, в сфере квантовых вычислений – где Европа демонстрирует наибольшие успехи – инновации ЕС появятся в США в среднем через полтора месяца, в Китае – через три, а в странах самого ЕС – через восемь.

Технологическое лидерство США и Китая – во многом результат тесной интеграции их инновационных систем, которая сохраняется, несмотря на введение США экспортного контроля в критически важных технологиях в 2022 г. Тот факт, что прорывные инновации ЕС внутри самого ЕС распространяются намного медленнее, чем в США и Китае, указывает, что единый европейский рынок в действительности фрагментирован. Это служит причиной отставания Европы от США и Китая в инновационных возможностях и технологиях будущего, указывают авторы исследования.