我们的核心技术弱在哪里，强在哪里？给你原原本本说清楚：芯片全科普

点击：  作者：老和山下的小学僧    来源： 四月网  发布时间:2018-09-05 12:03:53

 

         在中国和“外国”这两国的较量中，究竟哪一国更占上风？有说中国吊打外国，有说外国轻松把中国摁在地上摩擦，双方都列举了林林总总的例子，整得我们吃瓜群众一脸懵逼。

当然，中间派肯定说两国各有利弊，但这结论虽然正确却没啥营养。想要在中外两国这个话题上显得有见识，得先搞明白啥是技术？

核心技术，到底是个啥？

把技术分分类，第一类姑且叫“可山寨技术”，或者叫“纯烧钱技术”，有人喜欢往左边烧，有人喜欢往右边烧，于是就烧出了不同的应用技术。

这本质上是用旧技术整合出新玩意儿，比如，美帝登月的土星五号，中国的跨海大桥，小胡子的鼠式坦克，甚至包括长城和埃及金字塔。

打个比方，这有点像吉尼斯纪录：最长的头发，最长的指甲，等等……这类东西，只要钱到位，搁谁都烧的出，关键看有没有需求，所以这些也可以叫应用技术。

 

比如上图这种架桥机，几个工业大国都能搞，但搞出来只能当玩具，只有中国搞出来才赚钱。

我国在经济发展起来之后，迸发出海量需求，推动各种烧钱的应用技术井喷，赚了钱又可以孜孜不倦地完善各种细节，于是，可以不吹牛的说，中国的应用技术已经和整个外国平起平坐。

第二类技术暂且叫“不可山寨技术”，或者叫“烧钱烧时间技术”，任何牛逼设备，你拼命往细拆，最终发现都是材料技术。

做材料和做菜差不多，番茄炒蛋的成分可以告诉你，但你做的菜就是没我做的好吃，这就是核心技术。 

除了生物医学之外，核心技术说到底就是材料技术，看一串例子：

发动机，工业皇冠上的明珠，是我国最遭人诟病的短板。其核心技术说白了就是涡轮叶片不够结实，油门踩狠了就得散架，无论是航天发动机、航空发动机、燃气轮机，只要带个“机”字，我们腰杆都有点软。

材料技术除了烧钱、烧时间，有时还要点运气。还是以发动机为例：金属铼，这玩意儿和镍混一混，做出的涡轮叶片吊炸天，铼的全球探明储量大约2500吨，主要分布在欧美，70%用来做发动机涡轮叶片，这种战略物资，妥妥被美帝禁运。

前几年在陕西发现一个储量176吨的铼矿，可把国人乐的，马上拼了老命烧钱，这几年苦逼生活才有了起色。

 

稀土永磁体，就是用稀土做的磁铁，能一直保持磁性，用处大大的。高品位稀土矿大多分布在中国，所以和“磁”相关的技术，我们比美帝还能嘚瑟，比如核聚变、太空暗物质探测等。

据说，我国前几年也对美帝禁运，逼得美帝拿铼交换，外加陕西安徽刨出来的那点铼，J20的发动机才算有些眉目。

 

作为“工业之母”的高端机床，我们基本和男国足一个水平，只能仰望日本德国瑞士。

材料是最大的限制之一，比如，高速加工时，主轴和轴承摩擦产生热变形，导致主轴抬升和倾斜，还有刀具磨损，等等，所以对加工精度要求极高的活，国人还是望“洋”兴叹。

 

光学晶体，我国的部分产品还能对美帝实施禁运，所以和光相关的技术都不弱，比如激光武器、量子通信。气动外形，得益于钱学森那辈人的积淀，与之相关的技术也是杠杠的。

 

如果我们继续罗列，就会发现，应用宽泛的基础性材料，中国还是落后外国，应用相对较窄的细分领域，中国逐渐领跑。

下面，重点来了！

这种关键核心材料，全球总共约130种，也就是说，只要你有了这130种材料，就可以组装出世界上已有的任何设备，进而生产出已有的任何东西。

人类的核心科技，某种程度上说，指的就是这130种材料，其中32%国内完全空白，52%依赖进口，在高端机床

火箭、大飞机、发动机等尖端领域比例更悬殊，零件虽然实现了国产，但生产零件的设备95%依赖进口。

这些可不是陈芝麻烂谷子的事情，而是工信部2018年7月发布的数据，还新鲜着呢。

核心材料技术，说一句“外国仍把中国摁在地上”，一点都不过分。这其实很容易理解，毕竟发家时间不长，而材料技术不但要烧钱，更要烧时间。

这里得强调一下，应用技术并不比核心技术次要，它需要资金、需求和社会实际情况的结合，虽然外国有能力烧，但也许一辈子都没机会烧。

这儿肯定有人抬杠了：人家只是不愿意烧，不然分分钟秒杀你！呵呵，如果强行烧钱，后果参照老毛子。

磨叽半天，该回正题了，半导体芯片之所以难，是因为它不但涉及海量烧钱的应用技术，还有众多烧钱烧时间的材料技术。为了便于大家理解，这话得从原理说起。

芯片原理和量子力学

很多人觉得量子力学只是一个数学游戏，没有应用价值，呵呵，下面咱给计算机芯片寻个祖宗，请看示范：

导体，咱能理解，绝缘体，咱也能理解，我们第一次被物理整懵的，怕是半导体了，所以先替各位的物理老师把这债还上。

原子组成固体时，会有很多相同的电子混到一起，但量子力学认为，2个相同电子没法待在一个轨道上。

于是，为了让这些电子不在一个轨道上打架，很多轨道就分裂成了好几个轨道，这么多轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。这种由很多细轨道挤在一起变成的宽轨道就叫能带。

有些宽轨道挤满了电子，电子就没法移动，有些宽轨道空旷的很，电子就可自由移动。电子能移动，宏观上表现为导电，反过来，电子动不了就不能导电。

好了，我们把事情说得简单一点，不提“价带、满带、禁带、导带”的概念，准备圈重点！

有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这就是导体。一价金属的导电原理稍有不同。

但很多时候两条宽轨道之间是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，也就不导电了。

但如果空隙的宽度在5ev之内，给电子加个额外能量，也能跨到空轨道上，跨过去就能自由移动，也就是导电。

这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时能导电有时不能导电，所以叫半导体。

如果空隙超过5ev，那基本就得歇菜，正常情况下电子是跨不过去的，这就是绝缘体。当然，如果是能量足够大的话，别说5ev的空隙，50ev都照样跑过去，比如高压电击穿空气。

到这，由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，即，取决于满轨道和空轨道之间的间隙，学术点说，取决于价带和导带之间的禁带宽度。

 

半导体离芯片原理还很遥远，别急。

很明显，像导体这种直男没啥可折腾的，所以导线到了今天仍然是铜线，技术上没有任何进展，绝缘体的命运也差不多。

半导体这种暧暧昧昧的性格最容易搞事情，所以与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业，如芯片、雷达。

下面有点烧脑细胞。

基于一些简单的原因，科学家用硅作为半导体的基础材料。硅的外层有4个电子，假设某个固体由100个硅原子组成，那么它的满轨道就挤满了400个电子。

这时，用10个硼原子取代其中10个硅原子，而硼这类三价元素外层只有3个电子，所以这块固体的满轨道就有了10个空位。这就相当于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子，为电子的移动提供了条件。这叫P型半导体。

同理，如果用10个磷原子取代10个硅原子，磷这类五价元素外层有5个电子，因此满轨道上反而又多出了10个电子。相当于挤满人的公交车外面又挂了10个人，这些人非常容易脱离公交车。这叫N型半导体。

现在把PN这两种半导体面对面放一起会咋样？不用想也知道，N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的“PN结”。(动图来自《科学网》张云的博文)

 

这时候再加个正向的电压，N型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到P型半导体的空位上，电子的移动就是电流，这时的PN结就是导电的。

 

如果加个反向的电压呢？从P型半导体那里再抽电子到N型半导体，而N型早已挂满了额外的电子，多出来的电子不断增强电场，直至抵消外加的电压，电子就不再继续移动，此时PN结就是不导电的。

 

当然，实际上还是会有微弱的电子移动，但和正向电流相比可忽略不计。

 

如果你已经被整晕了，没关系，用大白话总结一下：PN结具有单向导电性。

好了，我们现在已经有了单向导电的PN结，然后呢？把PN结两端接上导线，就是二极管：

 

有了二极管，随手搭个电路：

 

三角形代表二极管，箭头方向表示电流可通过的方向，AB是输入端，F是输出端。

如果A不加电压，电流就会顺着A那条线流出，F端就没了电压；如果AB同时加电压，电流就会被堵在二极管的另一头，F端也就有了电压。

假设把有电压看作1，没电压看作0，那么只有从AB端同时输入1，F端才会输出1，这就是“与门电路”，

同理，把电路改成这样，那么只要AB有一个输入1，F端就会输出1，这叫“或门电路”：

 

现在有了这些基本的逻辑门电路，离芯片就不远了。你可以设计出一种电路，它的功能是，把一串1和0，变成另一串1和0。

简单举个例子，给第二个和第四个输入端加电压，相当于输出0101，经过特定的电路，输出端可以变成1010，即第一个和第三个输出端有电压。

 

我们来玩个稍微复杂一点的局：

 

左边有8个输入端，右边有7个输出端，每个输出端对应一个发光管。从左边输入一串信号：00000101，经过中间一堆的电路，使得右边输出另一串信号：1011011。

1代表有电压，0代表无电压，有电压就可以点亮对应的发光管，即7个发光管点亮了5个，于是，就得到了一个数字“5”，如上图所示。

终于，我们已经搞定了数字是如何显示的！

如果你想进行1+1的加法运算，其电路的复杂程度就已经超过了99%的人的智商了，即便本僧亲自出手，设计电路的运算能力也抵不过一副算盘。

直到有一天，有人用18000只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线组成了一个超级复杂的电路，诞生了人类第一台计算机，重达30吨，运算能力5000次/秒，还不及现在手持计算器的十分之一。

不知道当时的工程师为了安装这堆电路，脑子抽筋了多少回。

 

接下来的思路就简单了，如何把这30吨东西，集成到指甲那么大的地方上呢？这就是芯片。

芯片制造与中国技术

为了把30吨的运算电路缩小，工程师们把多余的东西全扔了，直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发，说说芯片的制作过程和中国所处的水平。

第一：硅

 

把这玩意儿氯化了再蒸馏，可以得到纯度很高的硅，切成片就是我们想要的硅片。硅的评判指标就是纯度，你想想，如果硅里有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。

太阳能级高纯硅要求99.9999%，这玩意儿全世界超过一半是中国产的，早被玩成了白菜价。

芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了，11个9)，几乎全赖进口，直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产，目前年产0.5万吨，而中国一年进口15万吨。

难得的是，鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国，品质应该还不错。不过，30%的制造设备还得进口……

高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资)，中国任重而道远。

第二：晶圆

硅提纯时需要旋转，成品就长这样：

 

所以切片后的硅片也是圆的，因此就叫“晶圆”。这词是不是已经有点耳熟了？

 

切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的就叫“晶圆厂”。各位拍脑袋想想，以目前人类的技术，怎样才能完成这种操作？

用原子操纵术？想多了，朋友！等你练成御剑飞行的时候，人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件。晶圆加工的过程有点繁琐。

首先在晶圆上涂一层感光材料，这材料见光就融化，那光从哪里来？光刻机，可以用非常精准的光线，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆裸露出来。

然后，用等离子体这类东西冲刷，裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽，这套设备就叫刻蚀机。在沟槽里掺入磷元素，就得到了一堆N型半导体。

完成之后，清洗干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻图，用刻蚀机刻沟槽，再撒上硼，就有了P型半导体。

实际过程更加繁琐，大致原理就是这么回事。有点像3D打印，把导线和其他器件一点点一层层装进去。

 

这块晶圆上的小方块就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路，这些电路并不比那台30吨计算机的电路高明，最底层都是简单的门电路。

只是采用了更多的器件，组成了更庞大的电路，运算性能自然就提高了。

据说这就是一个与非门电路：

 

提个问题：为啥不把芯片做的更大一点呢？这样不就可以安装更多电路了吗？性能不就赶上外国了嘛？

这个问题很有意思，答案出奇简单：钱！

一块300mm直径的晶圆，16nm工艺可以做出100块芯片，10nm工艺可以做出210块芯片，于是价格就便宜了一半，在市场上就能死死摁住竞争对手，赚了钱又可以做更多研发，差距就这么拉开了。

说个题外话，中国军用芯片基本实现了自给自足，因为咱不计较钱嘛！可以把芯片做的大大的。

另外，越大的硅片遇到杂质的概率越大，所以芯片越大良品率越低。总的来说，大芯片的成本远远高于小芯片，不过对军方来说，这都不叫事儿。

 

可别把“龙芯”和“汉芯”混为一谈

第三：设计与制造

用数以亿计的器件组成如此庞大的电路，想想就头皮发麻，所以芯片的设计异常重要，重要到了和材料技术相提并论的地步。

一个路口红绿灯设置不合理，就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去，稍微有个PN结出问题，电子同样会堵车。

这种精巧的线路设计，只有一种办法可以检验，那就是：用！大量大量的用！

现在知道芯片成本的重要性了吧，因为你不会多花钱去买一台性能相同的电脑，而芯片企业没了市场份额，很容易陷入恶性循环。

正因为如此，芯片设计不光要烧钱，也需要时间沉淀，属于“烧钱烧时间”的核心技术。

既然是核心技术，自然就会发展出独立的公司，所以芯片公司有三类：设计制造都做、只做设计、只做制造。

半导体是台湾少有的仍领先大陆的技术了，基于两岸实质上的分治状态，所以中国大陆和台湾暂且分开表述。

早期的设计制造都是一块儿做的，最有名的：美国英特尔、韩国三星、日本东芝、意大利法国的意法半导体；中国大陆的：华润微电子、士兰微；中国台湾的：旺宏电子等。

外国、台湾、大陆三方，最落后的就是大陆，产品多集中在家电遥控器之类的低端领域，手机、电脑这些高端芯片几乎空白！

 

后来随着芯片越来越复杂，设计与制造就分开了，有些公司只设计，成了纯粹的芯片设计公司。如，美国的高通、博通、AMD，中国台湾的联发科，大陆的华为海思、展讯等。

挨个点评几句。

大名鼎鼎的高通就不多说了，世界上一半手机装的是高通芯片；

博通是苹果手机的芯片供应商，手机芯片排第二毫无悬念；

AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。

台湾联发科走的中低端路线，手机芯片的市场份额排第三，很多国产手机都用，比如小米、OPPO、魅族。不过最近被高通干的有点惨，销量连连下跌。

华为海思是最争气的，大家肯定看过很多故事了，不展开。除了通信芯片，海思也做手机用的麒麟芯片，市场份额随着华为手机的增长排进了前五。个人切身体会，海思芯片的进步真的相当不错。

展讯是清华大学的校办企业，比较早的大陆芯片企业，毕竟不能被人剃光头吧，硬着头皮上，走的是低端路线。前段时间传出了不少危机，后来又说是变革的开始，过的很不容易，和世界巨头相差甚多。

大陆还有一批芯片设计企业，晨星半导体、联咏科技、瑞昱半导体等，都是台湾老大哥的子公司，产品应用于电视、便携式电子产品等领域，还挺滋润。

 

还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂，这必须得先说台湾的台积电。正是台积电的出现，才把芯片的设计和制造分开了。

2017年台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%，规模和技术均列全球第一，市值甚至超过了英特尔，成为全球第一半导体企业。

晶圆代工厂又是台湾的天下，除了台积电这个巨无霸，台湾还有联华电子、力晶半导体等等，连美国韩国都得靠边站。

大陆最大的代工厂是中芯国际，还有上海华力微电子也还不错，但技术和规模都远不及台湾。

不过受制于台湾诡谲的社会现状，台积电开始布局大陆，落户南京。这几年台资、外企疯狂在大陆建晶圆代工厂，这架势和当年合资汽车有的一拼。

大陆的中芯国际具备28nm工艺，14nm的生产线也在路上，可惜还没盈利。大家还是愿意把这活交给台积电，台积电几乎拿下了全球70%的28nm以下代工业务。

美国、韩国、台湾已具备10nm的加工能力，最近几个月台积电刚刚上线了7nm工艺，稳稳压过三星，首批客户就是华为的麒麟980芯片。

这俩哥们儿早就是老搭档了，华为设计芯片，台积电加工芯片。

说真的，如果大陆能整合台湾的半导体产业，并利用灵活的政策和庞大的市场促进其进一步升级，我们追赶美帝的步伐至少轻松一半。

 

第四：核心设备

芯片良品率取决于晶圆厂整体水平，但加工精度完全取决于核心设备，就是前面提到的“光刻机”。

光刻机，荷兰阿斯麦公司(ASML)横扫天下！不好意思，产量还不高，你们慢慢等着吧！

无论是台积电、三星，还是英特尔，谁先买到阿斯麦的光刻机，谁就能率先具备7nm工艺。没办法，就是这么强大！

 

日本的尼康和佳能也做光刻机，但技术远不如阿斯麦，这几年被阿斯麦打得找不到北，只能在低端市场抢份额。

阿斯麦是唯一的高端光刻机生产商，每台售价至少1亿美金，2017年只生产了12台，2018年预计能产24台，这些都已经被台积电三星英特尔抢完了。

2019年预测有40台，其中一台是给咱们的中芯国际。

既然这么重要，咱不能多出点钱吗？

第一：英特尔有阿斯麦15%的股份，台积电有5%，三星有3%，有些时候吧，钱不是万能的。

第二，美帝整了个《瓦森纳协定》，敏感技术不能卖。

有意思的是，2009年上海微电子的90纳米光刻机研制成功(核心部件进口)，2010年美帝允许90nm以上设备销售给中国。

后来，中国开始攻关65nm光刻机，2015年美帝允许65nm以上设备销售给中国，再后来美帝开始管不住小弟了，中芯国际才有机会去捡漏一台高端机。

不过咱也不用气馁，咱随便一家房地产公司，销售额轻松秒杀阿斯麦，哦耶！

 

重要性仅次于光刻机的刻蚀机，中国的状况要好很多，16nm刻蚀机已经量产运行，7-10nm刻蚀机也在路上了，所以美帝很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁。

在晶圆上注入硼磷等元素要用到“离子注入机”，2017年8月终于有了第一台国产商用机，水平先不提了。离子注入机70%的市场份额是美国应用材料公司的。

涂感光材料得用“涂胶显影机”，日本东京电子公司拿走了90%的市场份额。即便是光刻胶这些辅助材料，也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。

 

2015年至2020年，国内半导体产业计划投资650亿美元，其中设备投资500亿美元，再其中480亿美元用于购买进口设备。

算下来，这几年中国年均投入130亿，而英特尔一家公司的研发投入就超过130亿美元。

论半导体设备，中国，任无比重、道无比远啊！

第五：封测

芯片做好后，得从晶圆上切下来，接上导线，装上外壳，顺便还得测试，这就叫封测。

封测又又又是台湾的天下，排名世界第一的日月光，后面还跟着一堆实力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。

大陆的三大封测巨头，长电科技、华天科技、通富微电，混的都还不错，毕竟只是芯片产业的末端，技术含量不高

（按：最新的消息，紫光29.18亿台币入股第一封装大厂日月光：占股30％）

说说我们的中国芯

说起中国芯片，不得不提“汉芯事件”。2003年上海交通大学微电子学院院长陈进教授从美国买回芯片，磨掉原有标记，作为自主研发成果，骗取无数资金和荣誉，消耗大量社会资源，影响之恶劣可谓空前！以致于很长一段时间，科研圈谈芯色变，严重干扰了芯片行业的正常发展。

 

硅原料、芯片设计、晶圆加工、封测，以及相关的半导体设备，绝大部分领域中国还是处于“任重而道远”的状态。

那这种懵逼状态还得持续多久呢？根据“烧钱烧时间”理论，掐指算算，大约是2030年吧！

国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出，2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平，一批企业进入国际第一梯队，产业实现跨越式发展。

当前，中国芯片的总体水平差不多处在刚刚实现零突破的阶段，虽然市场份额微乎其微，但每个领域都参了一脚，前景还是可期待的。

 

芯片的极限在哪里

文末，习惯性抱怨一下人类科技的幼稚。

芯片，作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准，其基础的能带理论竟然只是个近似理论，电子的行为仍然没法精确计算。

再往大了说，别看现在的技术纷繁复杂，其实就是玩玩电子而已，至于其他几百种粒子，还完全不知道怎么玩！

芯片加工精度已经到了7nm，虽然三星吹牛说要烧到3nm，可那又如何？

你还能继续烧吗？1nm差不多就是几个原子而已，量子效应非常显著，近似理论就不好使了，电子的行为更加难以预测，半导体行业就得在这儿歇菜。

烧钱也好，烧时间也罢，烧到尽头就是理论物理。基础科学除了烧钱烧时间，还得烧人，烧的异常惨烈，100个高智商，99个都是垫脚石！

工程师可以半道出家，但物理学家必须科班出身，基础科学在中国被忽视了五千多年，如今每年填报热度还不如耍戏的。

不能光折腾电子了，为了把中微子也用起来，咱赶紧忽悠，哎，不对，是呼吁更多孩子学基础科学吧！

中国发现超级金属“铼”！飞机上天全靠它，一克300元！

长期以来航空发动机一直都是我国航空工业中的一个短板。现在，我国部分军用飞机依然使用国外发动机，而在商业航空领域，C-919大型喷气式客机使用的发动机也产自一家美法合资企业。

　　为了尽快补足这块短板，国家一直在加大航空发动机的研发力度。国务院印发的《中国制造2025》明确提出要“建立发动机自主发展工业体系”，在十三五期间，我国又启动了航空发动机和燃气轮机重大专项。如今，航空工业持续发力，正不断缩小着与国际一流发动机的差距。

　　航空发动机每秒散热1700多度，唯有“铼”金属不被熔化

　　在河北廊坊科技园，一款为无人机和商务机而设计的航空发动机正在进行150小时试车，考核发动机在各种状态下技术性能和可靠性及寿命等综合指标。

中国科学院工程热物理所所长朱俊强：150小时做完了，首飞保证就没问题了，可以到不同高度进行试飞了，这个发动机基本定型。

 

　　航空发动机是当今世界上最复杂的、多学科集成的工程机械系统之一，需要在高温、高压、高转速和高载荷的严酷条件下工作，并满足功率大、重量轻、可靠性高、安全性好、寿命长等众多十分苛刻甚至相互矛盾的要求，因此航空发动机被誉为现代工业的“皇冠”。我国虽然已经是国际上为数不多的几个可以独立研制航空发动机的国家之一，但是航空发动机性能不达标，一直都是中国航空业的一块心病。

十三五期间，我国启动了航空发动机和燃气轮机重大专项，航空工业持续发力，不断缩小与国际一流发动机生产企业的差距。

 

中国科学院工程热物理所轻型动力实验室实任徐纲：这一款涡扇发动机它的耗油率，它的寿命，这些指标都达到了国际先进水平，国内也是个空白，所有的零件都是自主设计，然后自主生产，尤其是像里面的高温的单晶涡轮叶片，实际上就是可以说发动机里面，加工的难点中的难点。

 

　　单晶叶片处于航空发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是航空产品第一关键零件，它的铸造工艺直接决定了航空发动机的性能。

　　在这台1000公斤推力的发动机中心，核心部件就是眼前这60片单晶叶片。发动机将空气进行压缩之后压入燃烧室，在有限的空间内和燃料发生剧烈燃烧，产生猛烈的燃气喷射流，推动这些叶片高速旋转，让看似单薄的零件迸发出惊人的动力，每一片叶片输出的马力都相当于一台2.0排量的SUV汽车。

朱俊强：我们一千公斤级的发动机，它的高压转速都在三万多转接近四万转，大概的切向速度就是每秒种450米左右，温度大概是1720多度。

 

　　为了防止熔化，工程技术人员把每一片叶片都制作成空心，中间还设计了一个精密而复杂的冷却系统。冷却系统带走的热量，可以在1/20秒、甚至更短的时间内烧开一壶水。但是在1700度的高温之下，普通金属还是不够耐热。生产单晶叶片，离不开一种珍贵的稀有金属-铼。

　　在成都航宇超合金技术有限公司，我们见到了单晶叶片生产中最为关键的金属——铼。这是人类发现最晚的天然元素，因为发现者是德国化学家，因此以莱茵河的名称命名为铼。它在地壳中的含量比所有的稀土元素都小，比钻石更难以获取。根据美国地质调查局的报告，全球探明的铼储量仅为2500吨左右，铼的价格跟白金的价格相仿，一克大概需要两三百块钱。

能够提纯铼金属的，是成都航宇超合金技术有限公司的母公司，这是一家上市的矿业公司。2010年，这家公司在其下属的陕西省洛南县黄龙铺钼矿区矿山中斟探到铼，储量达到176吨，约占全球储量的7%，仅次于智利、美国、俄罗斯和哈萨克斯坦。近年来，随着航空工业的发展，铼消费量的年均增长率为3%，虽然价格不菲，却一直处于供不应求的状态。

 

　　为了找到获得更多的铼金属，成都航宇超合金技术有限公司通过与湖南有色研究院的合作，用一年多的时间攻克了技术难题，实现了铼的提纯。但是坐拥这样的稀缺资源，张政和股东们却发现这种稀有金属在国内却几乎没有销路。

　　无奈之下，他们把眼光转向国际市场，希望用资源换技术的模式，寻求与国外这类合金制造企业的合作。

　　成都航宇超合金技术有限公司董事长张政：每一家都希望跟我们签长协价，我们只要生产出来他们就要，但是因为这项技术，所有掌握这个单晶技术的国家的企业，都受制于美国的一个法律，是不得参与技术合作的。

　　美国是最大的铼金属消费国，控制着全球销售市场，一直处于垄断地位。由于铼可以广泛应用于喷气式发动机和火箭发动机，全球约80%的铼用于生产航空发动机，其在军事战略上有重要意义。为了维持在航空工业的优势地位，美国和其它一些西方国家常年针对中国进行材料和技术封锁。英国的航空发动机巨头罗尔斯罗伊斯虽然在中国投资建厂，但是对中国员工层层设防，既便当时已经在公司工作了七年的宋阳，也从来没有机会接触其核心技术。

　　成都航宇超合金技术有限公司副总经理宋阳：它有一些区域是限制中国人进入的，他们不希望这样的一些技术机密，被中国所了解和掌握。我相信这不光是对于我个人，对于很多在外企航空企业工作的中国人，可能都会经历这样的一个比较尴尬的一个时刻。

　　越是封锁，就越说明航空发动机的战略重要性，就越需要突破。当宋阳在上海立下这一志愿的时候，远在千里之外的西安，矿业公司董事长张政也拍板做了一个重要的决定：自己生产用于航空发动机的单晶涡轮叶片。

成都航宇超合金技术有限公司董事长张政：自己想办法去解决这个技术，因为我不想只作为一个元素的供应商，而且这样稀有的一个元素，我们把它供应给海外的这些企业，而对中国毫无帮助。

 

　　民营企业进军中国航空业单晶叶片国内首次量产

　　一家民营企业，决定要进入航空工业这样一个资金密集型、人才密集型的行业，这个行业投资大，周期长，回报慢，而他们打算生产的单晶涡轮叶片又是目前航空发动机所有零件中制造工序最多、周期最长、合格率最低、国外封锁和垄断最为严重的零件。面对严峻的现实，要实现单晶涡轮叶片的量产，从人才到技术再到设备，他们怎么才能突破这重重难关呢？

成都航宇超合金技术有限公司董事长张政：必须先把人才的团队建成，才能去把整个生产工艺设计出来，根据生产工艺才能在全世界选设备，这种人才都是全球顶级的人才，我们国家的人才计划库里头，一定有他们的相应的信息，我们是到那儿求援去了。

 

不出张政所料，在政府帮助下，他很快物色到了几位国外合适的顶级专家，他们先后就职于几大著名的航空发动机公司，有多年年航空发动机零部件研发、制造、安装测试、维修、质量控制的相关经验。求贤若渴的张政很快向他们抛出了橄榄枝，但最初却遭到了婉拒。张政明白，一家民营企业很难对他们产生巨大的吸引力，何况还要远赴异国，一切都还要从零开始。

 

　　正当张政为专家团队而奔走的时候，2012年7月，国务院印发《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，将航空装备产业列为高端装备制造产业中的第一个项目，明确提出要突破航空发动机核心关键技术，加快推进航空发动机产业化。国家层面的大力倡导无疑为张政的说服工作增加了最有份量的砝码。也就从这一年起，张政的公司通过国家海外高层次人才引进计划，也就是“千人计划”，先后成功地引进了2位海外顶尖专家，同时又通过“四川省千人计划”、“成都人才计划”，搭建起自己的专业团队。根据各级政府相关政策，这些引进人才不光能够享受最高达到每人100万的政策补助，还在出入境及居留、配偶安置、子女入学、医疗保险、激励表彰等方面享受相关特殊待遇。

　　宋阳就是由成都人才计划引进的团队骨干之一。政府的人才政策和公司的发展前景让他毫不犹豫地选择了从外企辞职，加盟正在兴建的成都航宇公司，圆自己的国产航空发动机之梦。

　　有了团队，也有了士气，2013年底，在成都市双流郊区这片原本荒芜的土地上，开始生长出中国国产发动机单晶叶片的希望。为了能够早日投产，厂房建设和设备购置同步进行。

　　成都航宇超合金技术有限公司副总经理宋阳：单晶炉是单晶浇铸工艺中最重要的一个设备，单晶炉是我们整个厂房开始筹建的第一天，就开始寻找合适的供应商和技术方案。

　　他们最开始在欧洲找到一家业内颇有名气的单晶炉供应商，但是对方却表示只能提供标准化的设备，拒绝按中国客户的参数要求进行定制。虽然团队多次沟通，但是都无功而返。几经辗转，他们又找到英国一家单晶炉的供应商，那那供应商只是想多卖一套设备，并没有想到中国能自己生产单晶叶片。

　　随着谈判的深入，成都航宇拿出他们的订制化方案，这家专业的单晶炉制造商不由得对这位行业新入者另眼相看。

成都航宇超合金技术有限公司副总经理宋阳：他们认为跟西方的先进的航空企业提出的方案是一致的，所以在后边他们打消了这样的一个疑虑，相信成都航宇是一个有技术能力，能够攻克单晶叶片这样的一个厂商。

 

这家供应商并没有看走眼，2015年7月22日，成都航宇第一批产品出炉，合格率一鸣惊人。

　　2016年，国际权威第三方检测机构出具的检测报告表明，成都航宇超合金技术有限公司送检的单晶叶片在高温拉伸性能、高温持久性能等方面的测试结果均符合欧美标准。成都航宇也成为国内首家单晶叶片成品率达到量产水准的企业。

　　宋阳：中国这么多年的经验，凡是国外对中国进行封锁的，靠我们自己的自力更生艰苦奋斗，我们都能够在这个领域取得突破。

　　单晶叶片投产的时间不过短短一年，一些生产细节还在不断改进。每一片不合格的叶片都是一份保贵的样本，能为工艺细节的改进提供有价值的参考。根据电子显微镜分析的结果，宋阳打算在重新生产这批叶片时，更换浇铸环节所使用的坩埚。

工艺改进后，再通过层层工序，制造出一批这样的单晶叶片需要一个半月的时间。因为航空工业的特殊性，比生产周期更为漫长的，则是打开市场所需要的时间。

 

　　实际上，就在航宇生产出第一炉单晶页片的2015年，《中共中央国务院关于深化体制机制改革加快实施创新驱动发展战略的若干意见》出台，成都航宇这个航空工业的新来者，在带着自己的创新成果走向市场的过程中，得到了政府的有力支持。

2017年2月，成都获批成为“中国制造2025”试点示范城市。做为国家确定的民用航空高技术产业基地和重要歼击机研发制造基地，成都正在致力于打造较为完整的产业体系。成都航宇也持续得到各级政府的项目资金，从2015年以来已经到位的资金就接近4000万元。其中包括国家、省、市、区千人计划及配套资金946万元，四川省战略性新兴产业及高端成长型产业专项资金项目2040万元，四川省省级军民结合产业发展专项资金600万元。而且对于这样投资大周期长的高科技产业，政府的支持正在由以前的一步到位转变为根据项目需要持续投入。

 

　　四川省成都市经济和信息化委员会军民融合推进处处长宾格：我们也希望能够通过一些基础领域原创领域的一些东西，形成今后我们制造业的真正核心能力，我们知道这个过程比较长也比较难，所以我们是做好了思想准备的。

　　半小时观察：企业发力政府助力王者才能归“铼”

　　科技部的数据显示，2015年全社会研发支出当中，企业占比高达77%。到了2016年，这个占比超过了78%。企业是社会组织中最具创造力的经济细胞，更是科技创新的主体。加快实施创新驱动发展战略，就是要使市场在资源配置中起决定性作用，最大限度地激发企业的创新活力，同时政府要发挥适当的政策引导作用，鼓励切切实实的创新活动，把创新成果变成实实在在的生产力。