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撰文丨劉少山 甘一鳴 韓銀和
今年八月，2023年度世界機(jī)器人大會在北京召開，數(shù)百家機(jī)器人相關(guān)企業(yè)參展，吸引了超過二十萬人次的觀眾現(xiàn)場參觀。
相比于過去機(jī)器人多局限于掃地機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人等有限的形態(tài)，本次參展機(jī)器人呈現(xiàn)出形態(tài)百花齊放的特點(diǎn)，從可以采摘櫻桃的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，可以輔助手術(shù)的醫(yī)用機(jī)器人，一直到模仿中國著名詩人李白的人形機(jī)器人。如此規(guī)模的機(jī)器人發(fā)展，讓我們不僅思考，是否我們已經(jīng)將要從“數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代”(Digital Economy)更進(jìn)一步走到“自主經(jīng)濟(jì)時代”（Autonomy Economy）如果是的話，下一個十年經(jīng)濟(jì)增長的催化劑又將是什么？我們又該如何在機(jī)器人時代掌握科技自主化的關(guān)鍵技術(shù)？[1,2,3,4]
自主經(jīng)濟(jì)：新的經(jīng)濟(jì)增長動力
在過去的三十年間，世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展很大一部分是由數(shù)字經(jīng)濟(jì)催生的：通過使用信息技術(shù)更好地制造，銷售，分配和消費(fèi)商品和服務(wù)。
互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)在2005到2010年間貢獻(xiàn)了成熟經(jīng)濟(jì)體超過21%的經(jīng)濟(jì)增長[5]，這一數(shù)據(jù)在之后十年間一直居高不下。在2019年，互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)為美國貢獻(xiàn)了2.1萬億GDP[6]，達(dá)到了所有美國當(dāng)年所有GDP的10%，僅次于房地產(chǎn)業(yè)，政府開支和制造業(yè)，在美國所有產(chǎn)業(yè)中排名第四，并貢獻(xiàn)了超過六百萬個高收入的工作崗位。美國也因?yàn)槠湓跀?shù)字經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，成為了過去三十年中經(jīng)濟(jì)最為成功的國家，誕生了一大批科技巨頭公司，如微軟，谷歌，亞馬遜，臉書，英特爾，英偉達(dá)等等。
隨著機(jī)器人在形態(tài)和功能上的爆發(fā)式增長，我們可能將要進(jìn)入一個新的技術(shù)時代，即“自主經(jīng)濟(jì)時代”，通過使用不同種類的機(jī)器人，如自動駕駛汽車，配送機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人，無人機(jī)，家用服務(wù)機(jī)器人等等，去提供產(chǎn)品和服務(wù)。這一時代可能帶來更高的經(jīng)濟(jì)增長驅(qū)動力，因此，掌握機(jī)器人計算的全部產(chǎn)業(yè)鏈，在新的經(jīng)濟(jì)時代做到完全自主化對于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是極為重要的。
對于新時代的機(jī)器人計算的產(chǎn)業(yè)鏈來說，有幾個部件極為關(guān)鍵，分別是：人工智能軟件，電池，傳感器，計算芯片和伺服電機(jī)。我們通過圖一來比較中美雙方在這幾個關(guān)鍵部件中占據(jù)的供應(yīng)鏈份額。
中美關(guān)鍵部件占供應(yīng)鏈份額比較 [4]
在人工智能軟件和算法方面，我國和美國是供應(yīng)鏈中市場份額排名前兩位的國家，美國擁有超過44.2%的人工智能人才，我國擁有32.3%[7]，緊隨其后。因?yàn)槲覈鴵碛旋嫶蟮幕ヂ?lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)和領(lǐng)先的智能電動汽車產(chǎn)業(yè)及公司，這些企業(yè)擁有了大量的人工智能人才。這些人才擁有的技能棧可以隨時為機(jī)器人計算領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。盡管在人工智能人才領(lǐng)域美國暫時領(lǐng)先我國，這一現(xiàn)狀也可能被改變，我國每年有更多的理工科專業(yè)的畢業(yè)生在不斷投入這一領(lǐng)域，同時也有大量的歐美相關(guān)人才在回到祖國發(fā)展。
在電池，傳感器，伺服電機(jī)領(lǐng)域，我國都占據(jù)了供應(yīng)鏈的統(tǒng)治性地位。在這幾個關(guān)鍵部件，我國分別占據(jù)了供應(yīng)鏈的56%，26%和30%[8,9,10]，而美國在這幾個關(guān)鍵部件的供應(yīng)鏈中只占據(jù)了接近3%，幾乎可以忽視。這一優(yōu)勢得益于我國近幾年在制造業(yè)上的快速發(fā)展，尤其是在手機(jī)制造，汽車制造等領(lǐng)域的進(jìn)步為我國在機(jī)器人計算的發(fā)展打下了扎實(shí)的基矗
我國在機(jī)器人計算產(chǎn)業(yè)鏈上的劣勢集中于計算芯片的設(shè)計和制造上。直到今天，美國仍然在計算芯片的設(shè)計和制造上占據(jù)了絕對領(lǐng)先的地位，在供應(yīng)鏈中占據(jù)了超過50%的份額。同時，美國還在利用其政治和經(jīng)濟(jì)影響力，極力限制我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展，以維護(hù)其領(lǐng)先地位。從2022年開始，美國連續(xù)推出的芯片法案，出口限制法案，均針對我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，尤其是面向機(jī)器人計算的高算力，高帶寬的高端半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)行打擊。
因此，盡管我國在機(jī)器人經(jīng)濟(jì)時代踏出了堅(jiān)實(shí)的第一步：我國現(xiàn)在是世界上最大的機(jī)器人制造和消費(fèi)商，每年制造超過一千五百萬臺清掃機(jī)器人，幾乎橫掃了全球市場；在2022年制造了超過五百五十萬臺智能電動汽車，而全世界的智能電動車年銷量只有一千萬臺。但在機(jī)器人計算芯片的領(lǐng)域，我國仍然只能勉強(qiáng)在低端芯片上實(shí)現(xiàn)自主化，在高端機(jī)器人計算芯片上仍面臨嚴(yán)重的“卡脖子”問題。
自主化之路：中美在機(jī)器人計算領(lǐng)域的競爭
以技術(shù)驅(qū)動的經(jīng)濟(jì)增長的三個最大推動力分別是：人力資本、技術(shù)創(chuàng)新力和金融資本。
在自主經(jīng)濟(jì)時代，機(jī)器人計算研究就是這些推動力的根本，它培養(yǎng)人才，以知識產(chǎn)權(quán)的形式產(chǎn)生技術(shù)創(chuàng)新，并隨之吸引資本的流入。因此，要評估我國在自主經(jīng)濟(jì)時代的競爭力，我們需要從研究現(xiàn)狀，人才庫和資金投入三個層面來理解我國在機(jī)器人計算領(lǐng)域的優(yōu)勢和劣勢。
研究現(xiàn)狀是衡量我國在機(jī)器人計算領(lǐng)域最直接的方法。我們通過國際工程師協(xié)會旗下的設(shè)備與系統(tǒng)藍(lán)圖組織提出的機(jī)器人計算芯片包括的幾個重點(diǎn)研究方向來衡量，其中包括計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，電子設(shè)計自動化及電路設(shè)計這三個領(lǐng)域。我們統(tǒng)計了近些年在這三個領(lǐng)域的旗艦級會議上發(fā)表的論文數(shù)量，對通訊作者工作于中國的研究機(jī)構(gòu)和通訊作者工作于美國的研究機(jī)構(gòu)的文章進(jìn)行比較，并展示在圖二中（所有數(shù)據(jù)根據(jù)美國數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化）。
中美半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究產(chǎn)出比較
可以看到，相比較美國的研究機(jī)構(gòu)，我國在所有的三個研究方向上都處于落后的態(tài)勢，均未達(dá)到美國研究機(jī)構(gòu)的60%的水平。而如果將美國的數(shù)據(jù)與其半導(dǎo)體盟友如日本，韓國，歐盟國家結(jié)合起來，我國與其差距將會更大。
從好的一方面來看，我們的進(jìn)步也是巨大的。大約在十年之前，我國研究機(jī)構(gòu)的文章幾乎鮮有能登上這三個研究領(lǐng)域的頂級期刊和會議的。在過去十年，我國在機(jī)器人計算芯片這一方向取得了長足的進(jìn)步。例如清華的面向通用人工智能的天機(jī)芯片，中科院計算所的DADU系列機(jī)器人感知、規(guī)劃、控制芯片，都在領(lǐng)域內(nèi)得到了大量的關(guān)注。大量科技公司如阿里巴巴，百度，華為，地平線等，也都開始研制自主的機(jī)器人芯片，并成為了領(lǐng)域內(nèi)的重要貢獻(xiàn)者。以當(dāng)前形勢來看，如果我國政府繼續(xù)在這一領(lǐng)域擴(kuò)大投資，我國機(jī)構(gòu)能保持進(jìn)步的趨勢的話，有望在十年之內(nèi)追趕上美國。
當(dāng)我們即將步入自主經(jīng)濟(jì)時代之際，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研發(fā)工作已經(jīng)先一步在機(jī)器人計算領(lǐng)域開始布局。尤其是新一代的半導(dǎo)體從業(yè)人員，他們不僅具備了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體研發(fā)技能，更對人工智能有深入的理解和思考，他們將會是國家在機(jī)器人計算芯片領(lǐng)域的重大資產(chǎn)和投資。
以圖三所示，我們比較了中國和美國在機(jī)器人計算，尤其是半導(dǎo)體領(lǐng)域的人才儲備。我們從現(xiàn)存半導(dǎo)體人才庫，半導(dǎo)體潛在人才庫和人才庫質(zhì)量三個方面進(jìn)行比較。
中美半導(dǎo)體人才庫比較
當(dāng)前有超過221000名半導(dǎo)體工程師在我國工作[11]，作為對比，美國的這一數(shù)據(jù)是277000[12]。由于我國在過去十年大力加強(qiáng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)教育，我國每年在相關(guān)方向還能提供超過210000名畢業(yè)生作為儲備力量[13]，而美國僅能提供約90000 名畢業(yè)生。
然而需要注意的是，我國在半導(dǎo)體相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生只有約15% 在畢業(yè)后會繼續(xù)從事本專業(yè)工作，而美國方面這一數(shù)據(jù)是38%[14]。收入方面，中國半導(dǎo)體工程師的平均年收入是62000美金，而美國的半導(dǎo)體工程師的平均年收入是96951美金一年。這種差異反映了中國和美國在高等教育和工程教育上的顯著差異。因?yàn)楦鼉?yōu)質(zhì)的教育質(zhì)量和更高的收入，美國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相比于我國更能吸引到全球的半導(dǎo)體人才。在美國，每年有超過五千名擁有相關(guān)學(xué)歷的國際學(xué)生加入其半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，而我國的半導(dǎo)體人才則多為本土培養(yǎng)。
因此，盡管我國在機(jī)器人計算，尤其是計算芯片方面的人才儲備在數(shù)量上接近美國，但在質(zhì)量上還存在差距。尤其是美國可以吸引全球人才，而我國的人才庫則只能自己培養(yǎng)。因此，我國亟需在高等教育和研究的質(zhì)量上繼續(xù)進(jìn)步來彌補(bǔ)差距。
最后，我們從經(jīng)濟(jì)投入角度來比較中美雙方的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，這一點(diǎn)在設(shè)計和制造先進(jìn)機(jī)器人計算芯片上雙方的競爭尤為激烈。這些經(jīng)濟(jì)投入對于雙方的機(jī)器人計算生態(tài)來說都猶如催化劑一般，十分關(guān)鍵。經(jīng)濟(jì)投入的規(guī)模，策略以及對于這些基金的使用效率，都將決定兩國誰能在自主經(jīng)濟(jì)時代拔得頭籌。
美國對于其半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)采取了完備的投資策略。美國的芯片與科學(xué)技術(shù)法案（CHIPS ACT）提供了多達(dá)520億美金的聯(lián)邦資金來資助半導(dǎo)體制造和基礎(chǔ)研究。首先，這一法案為有計劃在美國本體進(jìn)行半導(dǎo)體制造或者升級其原有半導(dǎo)體制造能力的公司提供了財政上的補(bǔ)助，這一補(bǔ)助鼓勵投資機(jī)構(gòu)在美國本土投資，提升其半導(dǎo)體制造能力。其次，很大一部分補(bǔ)助被用于資助半導(dǎo)體相關(guān)方向的研究。這些資助包括對于先進(jìn)制程的研究，創(chuàng)新和先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)等。第三，資金的一部分將被用于在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人員培訓(xùn)，以其培養(yǎng)出相當(dāng)規(guī)模的勞動力，對美國本土的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)制造和創(chuàng)新提供助力。我國也同樣投入了大量的資金發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。
盡管我國與美國的投入的資金量相似，投資方向更廣，更完備的美國芯片與科學(xué)技術(shù)制造法案，可能導(dǎo)致其在半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢更快地在機(jī)器人計算領(lǐng)域產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。而我國的投資可能更難直接在機(jī)器人計算領(lǐng)域產(chǎn)生直接效益，但是更有助于我國在機(jī)器人計算，尤其是計算芯片領(lǐng)域的自主性。
從研究基礎(chǔ)，半導(dǎo)體人才庫等多個角度來看，我國都尚未能在機(jī)器人計算領(lǐng)域產(chǎn)生領(lǐng)先的優(yōu)勢，但筆者相信我國在步入自主經(jīng)濟(jì)時代能掌握充分的自主性。特別需要注意的是，我國當(dāng)前已經(jīng)是機(jī)器人領(lǐng)域最大的制造商和消費(fèi)市場，同時這一市場還在不斷地擴(kuò)大，將會為我國的機(jī)器人計算芯片產(chǎn)業(yè)提供大量的商業(yè)機(jī)會。因此，我國可以保持當(dāng)前在機(jī)器人計算領(lǐng)域的地位，并有望于十年之內(nèi)追上美國的腳步。
結(jié)論
隨著我們進(jìn)入“自主經(jīng)濟(jì)時代”，中國與美國在這一領(lǐng)域的競爭將對全球技術(shù)發(fā)展趨勢產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。中國在機(jī)器人技術(shù)的多樣化應(yīng)用和快速發(fā)展中展現(xiàn)了巨大潛力，尤其是在人工智能、電池和傳感器等關(guān)鍵部件的生產(chǎn)領(lǐng)域。然而，在計算芯片的設(shè)計與制造方面，中國仍需迎頭趕上，特別是在面對美國長期的技術(shù)主導(dǎo)和政策限制時。盡管面臨挑戰(zhàn)，中國的半導(dǎo)體行業(yè)在過去十年中取得了顯著進(jìn)步，顯示出強(qiáng)大的發(fā)展動力。中國龐大的市場規(guī)模和快速增長的機(jī)器人制造和消費(fèi)能力為本國技術(shù)發(fā)展提供了獨(dú)特優(yōu)勢。此外，隨著越來越多的理工科畢業(yè)生投身該領(lǐng)域，中國在人才培養(yǎng)方面正不斷積累力量。從長遠(yuǎn)來看，中國在機(jī)器人計算芯片領(lǐng)域的自主化是關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，中國不僅需要持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和研究投入，還需要加強(qiáng)教育體系，吸引和培養(yǎng)高質(zhì)量的人才。此外，政策支持和國際合作也將在這一過程中發(fā)揮重要作用。因此，雖然挑戰(zhàn)重重，但中國有望在未來十年內(nèi)在自主經(jīng)濟(jì)時代取得顯著進(jìn)步。通過綜合利用國內(nèi)外資源，積極參與全球技術(shù)合作與競爭，中國有潛力成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。這不僅將推動中國的經(jīng)濟(jì)增長，也將為全球技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)帶來新的變革。
作者簡介：
劉少山，深圳人工智能與機(jī)器人研究院（AIRS）具身智能中心主任，國際電氣和電子工程師學(xué)會（IEEE）國際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖-機(jī)器人計算方向主席， IEEE創(chuàng)業(yè)協(xié)會亞洲區(qū)主席，國際計算機(jī)學(xué)會（ACM）技術(shù)政策委員會成員。研究方向包括機(jī)器人計算、無人駕駛、科技政策等方向的研究和工作。
甘一鳴，中國科學(xué)院計算所助理研究員，入選中國科學(xué)院計算所“新百星”人才引進(jìn)。在體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域頂會ISCA/MICRO/HPCA/ASPLOS等會議上發(fā)表過多篇文章，曾獲的PACT2020 best paper nomination。目前在智能計算機(jī)中心負(fù)責(zé)機(jī)器人處理器，機(jī)器人大模型，無人駕駛等方向的研究和工作。
韓銀和，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員，智能計算機(jī)中心主任，國家杰出青年基金獲得者，他的主要研究方向是芯粒集成芯片和領(lǐng)域?qū)Ｓ弥悄苡嬎銠C(jī)。
參考文獻(xiàn)：
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