高性能航空發(fā)動機(jī)和高端芯片對比 “中國心”和 “中國芯”天平如何傾斜

高性能航空發(fā)動機(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).同時它們也是我國相對薄弱的兩個領(lǐng)域，在這兩個領(lǐng)域中，國家層面在持續(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)國有著不小的差距?！爸袊摹焙?“中國芯”，究竟哪個更難突破呢?本文將從技術(shù)、市場、國家、企業(yè)這四個角度提供一些觀點(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，這里我們只討論材料性能和加工工藝的問題，這也是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的差距所在。

在航空發(fā)動機(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)動機(jī)的渦輪前溫度，而這一技術(shù)指標(biāo)是航空發(fā)動機(jī)劃代的重要依據(jù)。渦輪葉片工作環(huán)境極其惡劣，它需要能夠長時間在高溫、高壓的環(huán)境下保持?jǐn)?shù)萬轉(zhuǎn)的高速轉(zhuǎn)動，高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、長時間，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)的同時提升。

以美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)裝配的F-119發(fā)動機(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的生長速度，使這個晶粒逐步長滿整個型腔，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開來。

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

單晶渦輪葉片的生長原理圖(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，光刻機(jī)中有兩個同步工作臺，要求工作臺由靜止到運(yùn)動，誤差控制在2nm以內(nèi)，與航空領(lǐng)域的直觀對比是這樣的場景：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，帶來的都是性能的增強(qiáng)和功耗的降低。21世紀(jì)以來，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時會面臨相當(dāng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，一個原子的大小約為0.1nm，10nm只有區(qū)區(qū)100個原子，業(yè)內(nèi)認(rèn)為，當(dāng)晶體管的尺寸縮小到10nm時會產(chǎn)生量子效應(yīng)，這時晶體管的特性將很難控制，芯片的生產(chǎn)難度就會成倍增長，良品率很難提高。

目前，國內(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)，也就是說我國的芯片制造水平還停留在傳統(tǒng)制程階段，追趕國外先進(jìn)制程可謂任重道遠(yuǎn)。

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

與技術(shù)對應(yīng)的就是市場了，下面，我們從市場規(guī)模以及市場培育難度進(jìn)行分析。

根據(jù)World Air Force 2016數(shù)據(jù)顯示，目前我國擁有各型軍用飛機(jī)共計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，隨著我國空軍的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，新時代的新要求將催生軍機(jī)補(bǔ)短板列裝及升級換裝的新需求，受益于此，未來10年我國軍用航空發(fā)動機(jī)的市場需求將達(dá)到335億美元，年均33.5億美元。

根據(jù)《中國商飛公司2016-2035年民用飛機(jī)市場預(yù)測年報》，未來20年中國將交付6865架客機(jī)，價值約9293億美元。按照發(fā)動機(jī)價值占比約30%測算，未來20年我國商用航空發(fā)動機(jī)市場規(guī)模合計約2788億美元，年均139.4億美元。

近年來我國陸續(xù)出臺一系列政策，積極促進(jìn)通用航空業(yè)的發(fā)展，預(yù)計未來20年我國通航飛機(jī)新增需求約6萬架。按目前市場上飛行器結(jié)構(gòu)測算單價約為350萬美元，發(fā)動機(jī)占比約30%測算，未來20年我國通航發(fā)動機(jī)增量市場需求約為630億美元，年均31.5億美元。

三者相加，我國航空發(fā)動機(jī)的市場規(guī)模約為204.4億美元。

據(jù)WSTS數(shù)據(jù)，2017年世界半導(dǎo)體市場規(guī)模為4086.91億美元，首次突破4000億美元大關(guān)，而中國半導(dǎo)體市場接近全球的1/3，芯片一般占到半導(dǎo)體市場總值的80%以上，因此，我國芯片行業(yè)的市場規(guī)模超過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)計我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模將進(jìn)一步增長。

可見，芯片行業(yè)的市場規(guī)模要遠(yuǎn)大于航空發(fā)動機(jī)行業(yè)。

此外，航空發(fā)動機(jī)的客戶比較單一，軍用航空發(fā)動機(jī)的主要客戶是中國空軍和海軍，民用航空發(fā)動機(jī)的主要客戶是中國商飛公司，受國家政策保護(hù)，航空發(fā)動機(jī)的市場培育要相對容易一些。而芯片行業(yè)市場規(guī)模過于龐大，單靠國家扶持不太現(xiàn)實(shí)，企業(yè)自身必須形成良性循環(huán)，而芯片市場競爭是全球化公開競爭，芯片行業(yè)的勝者都是一刀一槍拼殺出來的，強(qiáng)者恒強(qiáng)，后來者很難搶占市場。

因此，從市場規(guī)模和市場培育難度上來看，芯片行業(yè)的突破難度更大。

接著，我們從國家層面的重視程度進(jìn)行分析。

根據(jù)2006年通過的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》，國務(wù)院篩選出了16個國家科技重大專項，旨在充分發(fā)揮社會主義制度集中力量辦大事的優(yōu)勢和市場機(jī)制的作用，力爭取得突破，努力實(shí)現(xiàn)以科技發(fā)展的局部躍升帶動生產(chǎn)力的跨越發(fā)展，并填補(bǔ)國家戰(zhàn)略空白。

作為重大戰(zhàn)略產(chǎn)品，高性能航空發(fā)動機(jī)和高端芯片均被列入國家科技重大專項，其中，高性能航空發(fā)動機(jī)屬于“航空發(fā)動機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)”國家科技重大專項(簡稱“兩機(jī)專項”)，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”國家科技重大專項(簡稱“核高基專項”)。

國家在“兩機(jī)專項”上的直接投入在1000億元量級，加上帶動的地方、企業(yè)和社會其他投入，總金額至少3000億元，預(yù)計這些資金在航空發(fā)動機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)兩個分支的分配比例約為80%和20%，因此，國家對于航空發(fā)動機(jī)的投資約為2400億元。

針對“核高基專項”，中央財政安排預(yù)算為328億元，加上地方財政以及其他配套資金，預(yù)計總投入將超過1000億元。此外，2014年9月24日，國家成立初期規(guī)模高達(dá)1200億元的國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金(簡稱“大基金”)，并撬動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)計國家層面2000億元)，規(guī)模勢必將直逼一萬億元。

因此，從國家及社會各方的投入規(guī)模來看，高端芯片要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過高性能航空發(fā)動機(jī)，這也說明高端芯片突破起來更有難度。

最后，我們從掌握核心技術(shù)的廠商進(jìn)行分析。

航空發(fā)動機(jī)研制周期長，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)動機(jī)的國家只有美、英、法、俄四國，主要的5個航空發(fā)動機(jī)設(shè)計生產(chǎn)商均來自這四個國家，它們分別是美國的通用電氣(GE)、普惠(PW)，英國的羅羅(RR)，法國的斯奈克瑪(SNECMA)，以及俄羅斯的聯(lián)合發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)公司。也就是說至少有四個國家的五家公司具有獨(dú)立研制高性能航空發(fā)動機(jī)的能力。

芯片產(chǎn)業(yè)具有投資風(fēng)險高、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、制造和封裝，即設(shè)計公司根據(jù)客戶需求設(shè)計芯片，然后交給晶圓代工廠制造，最后交給封測廠進(jìn)行封裝測試。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)計環(huán)節(jié)仍然集中在美韓日等芯片強(qiáng)國，資本密集型的芯片制造環(huán)節(jié)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到韓國和中國***，而勞動力密集型的芯片封測環(huán)節(jié)正逐步往中國大陸轉(zhuǎn)移。雖然具有芯片設(shè)計能力的企業(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，后來者很難撼動行業(yè)巨擘，而制造環(huán)節(jié)資金高度密集，購買一臺光刻機(jī)需要上億美元，興建一條生產(chǎn)線動輒幾十億甚至上百億美元，其他企業(yè)很難介入，因此，很難說一個國家或一家企業(yè)同時擅長芯片產(chǎn)業(yè)鏈里的三個核心環(huán)節(jié)，只有多個國家多家企業(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)動機(jī)的國家和廠商比能夠獨(dú)立研制高端芯片的國家和廠商多，從這個角度看，高性能航空發(fā)動機(jī)突破起來相對容易一些。

我們從技術(shù)、市場、國家、企業(yè)等角度對比分析了高性能航空發(fā)動機(jī)與高端芯片的突破難度，結(jié)論是高端芯片更難突破。