高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)和高端芯片對(duì)比 “中國(guó)心”和 “中國(guó)芯”天平如何傾斜

高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)和高端芯片，分別被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”和“工業(yè)糧草”，作為技術(shù)含量極高的工業(yè)產(chǎn)品，它們牢牢占據(jù)著當(dāng)今科技的制高點(diǎn).同時(shí)它們也是我國(guó)相對(duì)薄弱的兩個(gè)領(lǐng)域，在這兩個(gè)領(lǐng)域中，國(guó)家層面在持續(xù)加大投入，科研人員也從未放棄努力，有成果也有挫折，但是直到如今仍然跟世界強(qiáng)國(guó)有著不小的差距。“中國(guó)心”和 “中國(guó)芯”，究竟哪個(gè)更難突破呢?本文將從技術(shù)、市場(chǎng)、國(guó)家、企業(yè)這四個(gè)角度提供一些觀點(diǎn)與思考。

首先，我們從技術(shù)上了解一下這兩種工業(yè)產(chǎn)品的研制難度。

高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)和高端芯片都是各自行業(yè)的極致，科技含量很高，技術(shù)難點(diǎn)很多，限于篇幅不逐一展開(kāi)，這里我們只討論材料性能和加工工藝的問(wèn)題，這也是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的差距所在。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，最核心、加工生產(chǎn)難度最大的部件是渦輪葉片，渦輪葉片的性能很大程度上決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度，而這一技術(shù)指標(biāo)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)劃代的重要依據(jù)。渦輪葉片工作環(huán)境極其惡劣，它需要能夠長(zhǎng)時(shí)間在高溫、高壓的環(huán)境下保持?jǐn)?shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)時(shí)間，這樣苛刻的要求已經(jīng)不是單靠材料性能提升所能解決的了，事實(shí)上，渦輪前溫度的提高需要材料性能和冷卻技術(shù)的同時(shí)提升。

以美國(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)裝配的F-119發(fā)動(dòng)機(jī)為例，它的渦輪前溫度高達(dá)1977K，材料方面使用的是第三代單晶鎳基高溫合金，生產(chǎn)過(guò)程中，先在水冷底盤上加入選晶器或籽晶，以便控制單一晶體進(jìn)入鑄件，然后恰當(dāng)?shù)乜刂平饘偃垡褐械臏囟忍荻群途w的生長(zhǎng)速度，使這個(gè)晶粒逐步長(zhǎng)滿整個(gè)型腔，最終形成原子排列一致的單晶體;冷卻技術(shù)方面采用了先進(jìn)的氣膜冷卻，即先從壓氣機(jī)引出冷氣，然后通過(guò)渦輪葉片的根部進(jìn)入葉片內(nèi)部的冷卻通道，最后從葉片表面的氣孔噴出，在葉片表面形成一層冷氣膜，將渦輪葉片與高溫燃?xì)飧綦x開(kāi)來(lái)。

單晶材料的生長(zhǎng)和冷卻通道的設(shè)計(jì)都不難掌握，但是，先進(jìn)的單晶材料與復(fù)雜的冷卻內(nèi)腔疊加在一起就會(huì)使問(wèn)題復(fù)雜很多，需要通過(guò)極其復(fù)雜的工藝才能實(shí)現(xiàn)在形狀復(fù)雜的模具中生長(zhǎng)出符合要求的單晶渦輪葉片，目前只有少數(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)國(guó)掌握這種技術(shù)。

單晶渦輪葉片的生長(zhǎng)原理圖(左)及氣膜冷卻示意圖(右)

芯片領(lǐng)域最難突破的是制造芯片的光刻機(jī)，由于是在納米尺度上對(duì)芯片進(jìn)行加工，光刻機(jī)本身的控制精度也需要在納米量級(jí)，光刻機(jī)中有兩個(gè)同步工作臺(tái)，要求工作臺(tái)由靜止到運(yùn)動(dòng)，誤差控制在2nm以內(nèi)，與航空領(lǐng)域的直觀對(duì)比是這樣的場(chǎng)景：兩架大飛機(jī)從起飛到降落，始終齊頭并進(jìn)，一架飛機(jī)上伸出一把刀，在另一架飛機(jī)的米粒上刻字，不能刻壞，難度可想而知。

芯片的制程是用來(lái)表征集成電路尺寸大小的參數(shù)，制程工藝的每一次提升，帶來(lái)的都是性能的增強(qiáng)和功耗的降低。21世紀(jì)以來(lái)，芯片制程從180nm、130nm、90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm，一直發(fā)展到現(xiàn)在的10nm、7nm、5nm。

目前，半導(dǎo)體晶圓制造集中度顯著提升，只有巨頭才能不斷地研發(fā)推動(dòng)技術(shù)的向前發(fā)展，世界芯片產(chǎn)業(yè)28-14nm工藝節(jié)點(diǎn)已然成熟，10nm制程也已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)，英特爾、三星和臺(tái)積電均宣布已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10nm芯片量產(chǎn)，并且準(zhǔn)備繼續(xù)投資建設(shè)7nm和5nm生產(chǎn)線。芯片制程在進(jìn)入10nm時(shí)會(huì)面臨相當(dāng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，一個(gè)原子的大小約為0.1nm，10nm只有區(qū)區(qū)100個(gè)原子，業(yè)內(nèi)認(rèn)為，當(dāng)晶體管的尺寸縮小到10nm時(shí)會(huì)產(chǎn)生量子效應(yīng)，這時(shí)晶體管的特性將很難控制，芯片的生產(chǎn)難度就會(huì)成倍增長(zhǎng)，良品率很難提高。

目前，國(guó)內(nèi)28nm工藝僅在2015年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，且仍以28nm以上為主，業(yè)內(nèi)認(rèn)為，28nm是傳統(tǒng)制程和先進(jìn)制程的分界點(diǎn)，也就是說(shuō)我國(guó)的芯片制造水平還停留在傳統(tǒng)制程階段，追趕國(guó)外先進(jìn)制程可謂任重道遠(yuǎn)。

因此，從技術(shù)角度來(lái)看，高端芯片比高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)還是要難突破一些。

與技術(shù)對(duì)應(yīng)的就是市場(chǎng)了，下面，我們從市場(chǎng)規(guī)模以及市場(chǎng)培育難度進(jìn)行分析。

根據(jù)World Air Force 2016數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)擁有各型軍用飛機(jī)共計(jì)2942架，僅為美軍戰(zhàn)機(jī)保有量的1/5，且老舊戰(zhàn)機(jī)的占比較高，隨著我國(guó)空軍的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，新時(shí)代的新要求將催生軍機(jī)補(bǔ)短板列裝及升級(jí)換裝的新需求，受益于此，未來(lái)10年我國(guó)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)需求將達(dá)到335億美元，年均33.5億美元。

根據(jù)《中國(guó)商飛公司2016-2035年民用飛機(jī)市場(chǎng)預(yù)測(cè)年報(bào)》，未來(lái)20年中國(guó)將交付6865架客機(jī)，價(jià)值約9293億美元。按照發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)值占比約30%測(cè)算，未來(lái)20年我國(guó)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)規(guī)模合計(jì)約2788億美元，年均139.4億美元。

近年來(lái)我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)一系列政策，積極促進(jìn)通用航空業(yè)的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來(lái)20年我國(guó)通航飛機(jī)新增需求約6萬(wàn)架。按目前市場(chǎng)上飛行器結(jié)構(gòu)測(cè)算單價(jià)約為350萬(wàn)美元，發(fā)動(dòng)機(jī)占比約30%測(cè)算，未來(lái)20年我國(guó)通航發(fā)動(dòng)機(jī)增量市場(chǎng)需求約為630億美元，年均31.5億美元。

三者相加，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模約為204.4億美元。

據(jù)WSTS數(shù)據(jù)，2017年世界半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為4086.91億美元，首次突破4000億美元大關(guān)，而中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)接近全球的1/3，芯片一般占到半導(dǎo)體市場(chǎng)總值的80%以上，因此，我國(guó)芯片行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)1000億美元。此外，隨著5G、消費(fèi)電子、汽車電子等下游產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步興起，疊加全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向大陸轉(zhuǎn)移，預(yù)計(jì)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模將進(jìn)一步增長(zhǎng)。

可見(jiàn)，芯片行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模要遠(yuǎn)大于航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)。

此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的客戶比較單一，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要客戶是中國(guó)空軍和海軍，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要客戶是中國(guó)商飛公司，受國(guó)家政策保護(hù)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)培育要相對(duì)容易一些。而芯片行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模過(guò)于龐大，單靠國(guó)家扶持不太現(xiàn)實(shí)，企業(yè)自身必須形成良性循環(huán)，而芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)是全球化公開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，芯片行業(yè)的勝者都是一刀一槍拼殺出來(lái)的，強(qiáng)者恒強(qiáng)，后來(lái)者很難搶占市場(chǎng)。

因此，從市場(chǎng)規(guī)模和市場(chǎng)培育難度上來(lái)看，芯片行業(yè)的突破難度更大。

接著，我們從國(guó)家層面的重視程度進(jìn)行分析。

根據(jù)2006年通過(guò)的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》，國(guó)務(wù)院篩選出了16個(gè)國(guó)家科技重大專項(xiàng)，旨在充分發(fā)揮社會(huì)主義制度集中力量辦大事的優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)機(jī)制的作用，力爭(zhēng)取得突破，努力實(shí)現(xiàn)以科技發(fā)展的局部躍升帶動(dòng)生產(chǎn)力的跨越發(fā)展，并填補(bǔ)國(guó)家戰(zhàn)略空白。

作為重大戰(zhàn)略產(chǎn)品，高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)和高端芯片均被列入國(guó)家科技重大專項(xiàng)，其中，高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)屬于“航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)(簡(jiǎn)稱“兩機(jī)專項(xiàng)”)，高端芯片屬于“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”國(guó)家科技重大專項(xiàng)(簡(jiǎn)稱“核高基專項(xiàng)”)。

國(guó)家在“兩機(jī)專項(xiàng)”上的直接投入在1000億元量級(jí)，加上帶動(dòng)的地方、企業(yè)和社會(huì)其他投入，總金額至少3000億元，預(yù)計(jì)這些資金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)兩個(gè)分支的分配比例約為80%和20%，因此，國(guó)家對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的投資約為2400億元。

針對(duì)“核高基專項(xiàng)”，中央財(cái)政安排預(yù)算為328億元，加上地方財(cái)政以及其他配套資金，預(yù)計(jì)總投入將超過(guò)1000億元。此外，2014年9月24日，國(guó)家成立初期規(guī)模高達(dá)1200億元的國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金(簡(jiǎn)稱“大基金”)，并撬動(dòng)5000多億元的地方集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金(包括籌建中)，如果再加上醞釀中的“二期”大基金(預(yù)計(jì)國(guó)家層面2000億元)，規(guī)模勢(shì)必將直逼一萬(wàn)億元。

因此，從國(guó)家及社會(huì)各方的投入規(guī)模來(lái)看，高端芯片要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)，這也說(shuō)明高端芯片突破起來(lái)更有難度。

最后，我們從掌握核心技術(shù)的廠商進(jìn)行分析。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期長(zhǎng)，技術(shù)難度大，耗費(fèi)資金多，目前世界上能夠獨(dú)立研制高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家只有美、英、法、俄四國(guó)，主要的5個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)商均來(lái)自這四個(gè)國(guó)家，它們分別是美國(guó)的通用電氣(GE)、普惠(PW)，英國(guó)的羅羅(RR)，法國(guó)的斯奈克瑪(SNECMA)，以及俄羅斯的聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)制造集團(tuán)公司。也就是說(shuō)至少有四個(gè)國(guó)家的五家公司具有獨(dú)立研制高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。

芯片產(chǎn)業(yè)具有投資風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)更新快、生產(chǎn)工序多等特點(diǎn)，核心產(chǎn)業(yè)鏈包括設(shè)計(jì)、制造和封裝，即設(shè)計(jì)公司根據(jù)客戶需求設(shè)計(jì)芯片，然后交給晶圓代工廠制造，最后交給封測(cè)廠進(jìn)行封裝測(cè)試。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移始終伴隨著芯片行業(yè)的發(fā)展，目前，技術(shù)密集型的芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)仍然集中在美韓日等芯片強(qiáng)國(guó)，資本密集型的芯片制造環(huán)節(jié)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到韓國(guó)和中國(guó)***，而勞動(dòng)力密集型的芯片封測(cè)環(huán)節(jié)正逐步往中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移。雖然具有芯片設(shè)計(jì)能力的企業(yè)有很多，但是真正的高端芯片具有較高的技術(shù)壁壘和渠道壁壘，后來(lái)者很難撼動(dòng)行業(yè)巨擘，而制造環(huán)節(jié)資金高度密集，購(gòu)買一臺(tái)光刻機(jī)需要上億美元，興建一條生產(chǎn)線動(dòng)輒幾十億甚至上百億美元，其他企業(yè)很難介入，因此，很難說(shuō)一個(gè)國(guó)家或一家企業(yè)同時(shí)擅長(zhǎng)芯片產(chǎn)業(yè)鏈里的三個(gè)核心環(huán)節(jié)，只有多個(gè)國(guó)家多家企業(yè)相互合作才能將高端芯片做到極致。

因此，能夠獨(dú)立研制高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家和廠商比能夠獨(dú)立研制高端芯片的國(guó)家和廠商多，從這個(gè)角度看，高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)突破起來(lái)相對(duì)容易一些。

我們從技術(shù)、市場(chǎng)、國(guó)家、企業(yè)等角度對(duì)比分析了高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)與高端芯片的突破難度，結(jié)論是高端芯片更難突破。