高性能航空發動機和高端芯片對比 “中國心”和 “中國芯”天平如何傾斜

高性能航空發動機和高端芯片，分別被譽為“工業皇冠上的明珠”和“工業糧草”，作為技術含量極高的工業產品，它們牢牢占據著當今科技的制高點.同時它們也是我國相對薄弱的兩個領域，在這兩個領域中，國家層面在持續加大投入，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、市場、國家、企業這四個角度提供一些觀點與思考。

首先，我們從技術上了解一下這兩種工業產品的研制難度。

高性能航空發動機和高端芯片都是各自行業的極致，科技含量很高，技術難點很多，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，這也是業內公認的差距所在。

在航空發動機中，最核心、加工生產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動機的渦輪前溫度，而這一技術指標是航空發動機劃代的重要依據。渦輪葉片工作環境極其惡劣，它需要能夠長時間在高溫、高壓的環境下保持數萬轉的高速轉動，高溫、高壓、高轉速、長時間，這樣苛刻的要求已經不是單靠材料性能提升所能解決的了，事實上，渦輪前溫度的提高需要材料性能和冷卻技術的同時提升。

以美國F-22戰斗機裝配的F-119發動機為例，它的渦輪前溫度高達1977K，材料方面使用的是第三代單晶鎳基高溫合金，生產過程中，先在水冷底盤上加入選晶器或籽晶，以便控制單一晶體進入鑄件，然后恰當地控制金屬熔液中的溫度梯度和晶體的生長速度，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;冷卻技術方面采用了先進的氣膜冷卻，即先從壓氣機引出冷氣，然后通過渦輪葉片的根部進入葉片內部的冷卻通道，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氣隔離開來。

單晶材料的生長和冷卻通道的設計都不難掌握，但是，先進的單晶材料與復雜的冷卻內腔疊加在一起就會使問題復雜很多，需要通過極其復雜的工藝才能實現在形狀復雜的模具中生長出符合要求的單晶渦輪葉片，目前只有少數航空發動機強國掌握這種技術。

單晶渦輪葉片的生長原理圖(左)及氣膜冷卻示意圖(右)

芯片領域最難突破的是制造芯片的光刻機，由于是在納米尺度上對芯片進行加工，光刻機本身的控制精度也需要在納米量級，光刻機中有兩個同步工作臺，要求工作臺由靜止到運動，誤差控制在2nm以內，與航空領域的直觀對比是這樣的場景：兩架大飛機從起飛到降落，始終齊頭并進，一架飛機上伸出一把刀，在另一架飛機的米粒上刻字，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，制程工藝的每一次提升，帶來的都是性能的增強和功耗的降低。21世紀以來，芯片制程從180nm、130nm、90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm，一直發展到現在的10nm、7nm、5nm。

目前，半導體晶圓制造集中度顯著提升，只有巨頭才能不斷地研發推動技術的向前發展，世界芯片產業28-14nm工藝節點已然成熟，10nm制程也已經進入批量生產，英特爾、三星和臺積電均宣布已經實現了10nm芯片量產，并且準備繼續投資建設7nm和5nm生產線。芯片制程在進入10nm時會面臨相當嚴峻的挑戰，一個原子的大小約為0.1nm，10nm只有區區100個原子，業內認為，當晶體管的尺寸縮小到10nm時會產生量子效應，這時晶體管的特性將很難控制，芯片的生產難度就會成倍增長，良品率很難提高。

目前，國內28nm工藝僅在2015年實現量產，且仍以28nm以上為主，業內認為，28nm是傳統制程和先進制程的分界點，也就是說我國的芯片制造水平還停留在傳統制程階段，追趕國外先進制程可謂任重道遠。

因此，從技術角度來看，高端芯片比高性能航空發動機還是要難突破一些。

與技術對應的就是市場了，下面，我們從市場規模以及市場培育難度進行分析。

根據World Air Force 2016數據顯示，目前我國擁有各型軍用飛機共計2942架，僅為美軍戰機保有量的1/5，且老舊戰機的占比較高，隨著我國空軍的戰略轉型，新時代的新要求將催生軍機補短板列裝及升級換裝的新需求，受益于此，未來10年我國軍用航空發動機的市場需求將達到335億美元，年均33.5億美元。

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

近年來我國陸續出臺一系列政策，積極促進通用航空業的發展，預計未來20年我國通航飛機新增需求約6萬架。按目前市場上飛行器結構測算單價約為350萬美元，發動機占比約30%測算，未來20年我國通航發動機增量市場需求約為630億美元，年均31.5億美元。

三者相加，我國航空發動機的市場規模約為204.4億美元。

據WSTS數據，2017年世界半導體市場規模為4086.91億美元，首次突破4000億美元大關，而中國半導體市場接近全球的1/3，芯片一般占到半導體市場總值的80%以上，因此，我國芯片行業的市場規模超過1000億美元。此外，隨著5G、消費電子、汽車電子等下游產業的進一步興起，疊加全球半導體產業向大陸轉移，預計我國半導體產業規模將進一步增長。

可見，芯片行業的市場規模要遠大于航空發動機行業。

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

因此，從市場規模和市場培育難度上來看，芯片行業的突破難度更大。

接著，我們從國家層面的重視程度進行分析。

根據2006年通過的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》，國務院篩選出了16個國家科技重大專項，旨在充分發揮社會主義制度集中力量辦大事的優勢和市場機制的作用，力爭取得突破，努力實現以科技發展的局部躍升帶動生產力的跨越發展，并填補國家戰略空白。

作為重大戰略產品，高性能航空發動機和高端芯片均被列入國家科技重大專項，其中，高性能航空發動機屬于“航空發動機與燃氣輪機”國家科技重大專項(簡稱“兩機專項”)，高端芯片屬于“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”國家科技重大專項(簡稱“核高基專項”)。

國家在“兩機專項”上的直接投入在1000億元量級，加上帶動的地方、企業和社會其他投入，總金額至少3000億元，預計這些資金在航空發動機與燃氣輪機兩個分支的分配比例約為80%和20%，因此，國家對于航空發動機的投資約為2400億元。

針對“核高基專項”，中央財政安排預算為328億元，加上地方財政以及其他配套資金，預計總投入將超過1000億元。此外，2014年9月24日，國家成立初期規模高達1200億元的國家集成電路產業投資基金(簡稱“大基金”)，并撬動5000多億元的地方集成電路產業投資基金(包括籌建中)，如果再加上醞釀中的“二期”大基金(預計國家層面2000億元)，規模勢必將直逼一萬億元。

因此，從國家及社會各方的投入規模來看，高端芯片要遠遠超過高性能航空發動機，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的廠商進行分析。

航空發動機研制周期長，技術難度大，耗費資金多，目前世界上能夠獨立研制高性能航空發動機的國家只有美、英、法、俄四國，主要的5個航空發動機設計生產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)，以及俄羅斯的聯合發動機制造集團公司。也就是說至少有四個國家的五家公司具有獨立研制高性能航空發動機的能力。

芯片產業具有投資風險高、技術更新快、生產工序多等特點，核心產業鏈包括設計、制造和封裝，即設計公司根據客戶需求設計芯片，然后交給晶圓代工廠制造，最后交給封測廠進行封裝測試。產業轉移始終伴隨著芯片行業的發展，目前，技術密集型的芯片設計環節仍然集中在美韓日等芯片強國，資本密集型的芯片制造環節已經轉移到韓國和中國***，而勞動力密集型的芯片封測環節正逐步往中國大陸轉移。雖然具有芯片設計能力的企業有很多，但是真正的高端芯片具有較高的技術壁壘和渠道壁壘，后來者很難撼動行業巨擘，而制造環節資金高度密集，購買一臺光刻機需要上億美元，興建一條生產線動輒幾十億甚至上百億美元，其他企業很難介入，因此，很難說一個國家或一家企業同時擅長芯片產業鏈里的三個核心環節，只有多個國家多家企業相互合作才能將高端芯片做到極致。

因此，能夠獨立研制高性能航空發動機的國家和廠商比能夠獨立研制高端芯片的國家和廠商多，從這個角度看，高性能航空發動機突破起來相對容易一些。

我們從技術、市場、國家、企業等角度對比分析了高性能航空發動機與高端芯片的突破難度，結論是高端芯片更難突破。