联科熙和碳中和产业战略研究院研究员董洁林:中国的“卡脖子”技术如何突破困境?

作者:董洁林

联科熙和碳中和产业战略研究院研究员

清华大学中国科技政策研究中心兼职研究员

每一个国家在科技产业上都有短板,没有任何一个国家可以面面俱到,什么都做得最好。但短板并不意味着会被“卡脖子”。

这里的“卡脖子”是指,你不仅做不到,而且也买不到。

联科熙和碳中和产业战略研究院研究员,清华大学中国科技政策研究中心兼职研究员董洁林将用一篇文章为我们解答关于“卡脖子”技术困境的一系列问题:

“卡脖子”现象产生的根源是什么?

后发地区如何切入先进产业?

突破“卡脖子”技术困境的关键是什么?

能源转换会带来怎样的未来?

……

  • “卡脖子”现象产生的根源

我们先从回溯工业革命的进程开始,来理解"卡脖子"现象产生的根源,。

工业革命是于18世纪在机械化领域开始的,蒸汽机的发明使人类从长时间利用草木能源转换为开始利用化石能源。蒸汽机利用煤炭形成蒸汽动力来驱动机器,开启了机械化大潮。这个过程被称为第一次工业革命。

在我看来,工业革命只有两次,第一次由英国领导,第二次由美国领导。

两次工业革命中,发生了四件最伟大的事。

一是能源转换,从古代人类消耗草木、转换为利用化石能源,这是颠覆性变化。

二是机器崛起,即大量利用化石能源的新机器的发明和使用。

三是发明、发现了很多新材料,无机的、有机的、金属的、非金属的,大量新材料不断涌现。四是低价商品和服务的大量涌现,这场深刻的低价革命让所有人都可以成为消费者,享受易得的商品和服务。

从结果来看,首先,工业革命改变了生产方式,从原来手工制作出的每个都不一样的产品,到大工厂高效生产出来的标准化产品。其次,工业革命使经济增长和人口增长同步进行,人均GDP大幅增长。再次,工业革命使我们的生活和工作等方式都发生了极大的变化。最后,工业革命造成了各国实力的差距。欧美国家率先进入发达的现代工业社会,富有了、强大了,而一些传统的农耕国家则相对贫穷落后。

工业革命几百年,随着知识、技术和产品体系的累积和沉淀,现代科技体系和现代工业格局形成了。

现代产业体系的层级结构可以用一个5层模型来描述。

最基本的一层是材料能源层,在此基础上是零部件层,像轮子、螺丝、电池、芯片、电子器件等都属于这一层。基于零部件,可以组合成大量不同设备,形成设备层,如飞机、火车、汽车、机床、计算机、手机等都属于这一层。第四层是基础设施层,像铁路网、公路网、电网、互联网、物联网等都属于这一层。最上面的是服务层,像航空公司、加油站、电话公司、电商公司等都是提供某种服务的机构。

很多产业都可以用这个层级结构模型来描述,一个体系往往对应一个产业链,下层对上层形成技术支撑,同时也形成了一种制约。上层是下层的用户,同时依赖下层的技术创新来改进自身的产品和服务。

重大技术的先发地往往会成为某个产业的技术高地,产业的技术含量越高、产业分工越细,产业链就会越长越复杂。产业链的龙头产业往往出现在零部件层或设备层。所谓“卡脖子”技术,往往出现在下三层,即材料能源层、零部件层和设备层。

  • 后发地区切入先进产业的三种方式

技术问世后,出现扩散和转移现象是必然的,通常有三种方式。

一是后发地区主动学习和模仿先进技术。自古以来,后发地区自发学习和模仿先进地区的例子比比皆是,比如现代的"两弹一星"技术基本也是采用这个模式传播。因为国防类科技保密级别很高,别人不会卖给你技术,所以后发国只能学习追赶。

二是先进地区主动将技术和产业外移。全球化进程,就是先进地区主动将技术和产业转移的大规模行动。例如纺织业,中国宋朝的纺织技术比较先进,在发展中,部分技术跟随蒙古人和阿拉伯人的足迹,不断向西传播;经由意大利传向英国再到美国并在此过程中不断创新,因此这几个国家在历史上都曾先后成为纺织业高地。改革开放后,较先进的现代纺织业又转回中国。

三是技术后发地区率先引入产业体系的上面两层,并进行微创新,使之有更好的性价比。比如,改善产品和服务、提供一些新服务、发明新商务模式等。在较好地发展了上面两层后,再慢慢向下面技术含量高的三层拓展。燃油汽车产业是用这种方式传播的一个典型。燃油汽车产业起源于德国,德国人发明了燃油机、刹车等很多汽车核心零部件,并完成了汽车的设计。而后美国在20世纪初进入汽车产业时,是从第三层(设备层)切入的,日本在第二次世界大战期间,则从军需行业切入发展汽车产业。两国汽车产业的发展都离不开以微创新提升性价比的方式。在当今世界的燃油汽车产业中,德国、美国和日本占据了前三席位。

  • 中国信息产业被“卡脖子”的由来

信息产业也有一个层级结构,这一产业生态系统庞大,分工很细,比汽车产业要复杂得多。现在最先进的汽车,零部件大约是2万个,但是一部手机的零部件却高达20万个。有时一个零部件质量不到位,整个产品就生产不出来,而关键零部件很难找到替代品。

信息产业的“卡脖子"技术,往往就出现在零部件层和材料能源层。

美国是信息产业先发地,并引领了一浪高过一浪的信息技术向前发展。最开始是电信,然后是计算机、互联网。中国从20世纪80年代开始建设现代电信网络,向老百姓提供服务。华为成立于1987年,那时还是中国现代电信网络建设初期,华为就是从彼时代理销售国外设备的业务发展到芯片等核心零部件领域。自2019年5月起,由于多种原因,华为等公司被美国列入"实体清单"。美国对实体清单上的公司实施出口管制以及一系列“长臂管辖”举措,这让这些公司购买国外零部件(包括芯片)受限。

其实,早在20世纪60年代,中国就开始进入半导体产业,研发生产晶体管收音机。但后来,我们离技术前沿越来越远,这是因为这个产业的前沿在以更快的速度发展。而生态产业链之外的国家、企业想要插进来,要学习、模仿,还要跟上发展速度,难度可想而知。

实际上,虽然目前中国产业链比较全,但除了芯片,科技产业的短板还有很多。如果别人想要“卡脖子”的话,还有很多地方可以“卡”,只不过目前大家都把目光放在了芯片上。

“卡脖子”难题之所以出现,原因是信任问题,出钱别人也不卖给你了。在这种情况下,技术高地不仅不会主动转移技术、反而会设置障碍。

  • 美国和日本之间的半导体产业博弈

回顾美国和日本半导体产业发展的历史,也许对我们理解国家之间的产业博弈有所帮助。

半导体产业起源于美国。1947年,美国贝尔实验室的科学家们发表了第一篇晶体三极管的论文,这标志着半导体时代的开启。1968年,任职于IBM的美国工程师罗伯特·丹纳德(Robert H.Dennard)率先发明了半导体DRAM存储芯片,该芯片具有能耗低、读写速度快且集成度高的特点。1971年,英特尔的工程师发明了世界上第一片CPU,开启了民用微处理器的历史新篇章。1975年,面向普通大众的个人计算机正式出现。

就在美国半导体产业快速发展之际,20世纪70年代,日本决定以举国之力进入半导体产业,1976年,日本成立了国家级的VLST技术研究所,全面进入半导体产业链的各个环节。20世纪80年代中期,日本已经占据世界半导体市场的半壁江山。1986年,日本厂商已占据80%的市场份额,几乎垄断了DRAM存储芯片市场。因此,当时的英特尔不得不放弃DRAM,将这个业务部门全部砍掉,转做CPU。

为了对抗日本半导体产业的异军突起,美国产业界也联合起来。1977年,美国半导体行业协会成立,后来,该协会牵头,推动美国政府制定了很多产业政策。与此同时,美国也动用了国家力量来跟日本斡旋。1986年美日两国签署了一个协议,主要内容是反倾销和反市场保护。根据协议,日本不能借国家补贴的低价优势出售产品,日本的市场不得将美国公司拒之门外。

到了20世纪90年代晚期,随着互联网商业化以及移动电话的普及,半导体产品的市场进一步被放大。由于互联网发端于美国,所以美国再一次成为全球半导体产业的领导者。到了2021年,日本半导体产业的市场占有率已大幅下降至6%,商业角逐的起落过程惊心动魄。

在这一轮角逐中,日本的做法是:第一,实行举国体制;第二,覆盖全产业链,什么都做;第三,有不少微创新,但缺乏大创新;第四,注重产品质量。

美国的做法则有很大不同。比如,以企业为主角,政府协助。再如,美国喜欢建设一个较开放的生态链,将韩国、中国台湾等都纳入自己的生态链里一起合作,这一点与日本大不相同,日本是走自己的路,让别人无路可走,这也是日本当时被孤立的一个原因。伴随着美国半导体产业的重新崛起,一个全球产业链也在蓬勃兴起,其中也包括日本公司。

不得不说,美国快速创新的能力非常强。在与日本半导体产业博弈过程中,美国之所以能最终取得胜利,靠的不是政治力量和举国体制,而是创新。

面对芯片"卡脖子"难题,我认为有几点需要注意。

第一,在现有的科技产业中,科学问题基本上都已被解决,所以突破短板的主力必须是企业家、工程师,要着力将技术变成现实。当然,科学家,在必要时需要给予全力支持。

第二,解决"卡脖子"难题,可以考虑多发挥自己的长处,在某个点发力创新,增强自己的技术反制能力。

第三,应对“卡脖子”难题,要重构完整的技术体系,把所有短板都补齐是不现实的。最好的解决之道还是要想办法成为全球化的一部分,而不是将他人都取代,要多花一些智慧去重建互信。

  • 实现重大科技创新有两条路可以走

解决“卡脖子”难题的终极方案是要能做出重大科技创新。具体来说,有两条路可以走。一是将科学应用于产业发展,创造新技术、新产品,甚至孕育新产业。二是做出颠覆性的创新,重建新体系,创建崭新的产业赛道。

第一条路分几个阶段:(1)探索基础科学;(2)发明源头技术;(3)对高科技产品概念进行验证;(4)进行产品开发和完善;(5)产业化发展。在探索基础科学这个阶段,科学家是主角,基本由国家资助。发明源头技术,科学家起到关键作用,有时工程师也会起作用。这期间,往往是国家资助一部分,大的企业也会投入一部分。在对高科技产品概念验证阶段,主角变成创业者,科学家在这个时候是辅助角色。在产品开发和产业化阶段,主角是创业者和工程师。可以说,这条路越到后面,市场化资本参与越多。

实现重大创新的第二条路是从底层颠覆现有技术体系。目前正在进行的从化石能源向可持续新能源的转换将提供很多颠覆性创新的机会。

化石能源是不可再生资源,且有很多副作用,如污染环境、导致全球变暖等。现在我们基本上已形成了向可持续能源转换的共识,这是一个极大的机会,将带来新产品和新产业需求,也会让很多现有产业发生天翻地覆的变化。

上一次能源转换时,我们经历了一场波澜壮阔的工业革命,这一次的能源转换,同样会造成一场新的工业革命,中国有机会成为这一场工业革命的领导者。

我们很多时候把目光聚焦在芯片“卡脖子”难题上,实际上,材料能源层的“卡脖子”问题也非常重要。很多战争和地缘冲突,都跟能源材料的争夺有关系。中国在石油和天然气方面也比较匮乏,超70%的石油和天然气都依赖于进口,底层的短板是绕不过去的硬伤。汽车产业如果可以实现去石油化,将极大地影响地缘政治。

所以,从化石能源向可持续能源转换这个过程,对于中国来说格外重要,因此我认为,对最底层科技的重视程度,应该超越芯片这些技术品。芯片短板固然要补,但千万不要捡了芝麻丢了西瓜。化石能源和材料对于中国来说更为基础,且绕不过去,创新投入的重点应该放在这上面,我们要着眼于未来,而不是过去。

  • 能源转换将带来下一场工业革命

化石能源是上天赐予人类的一个礼物,但用完了就没了,因此未来科技创新的任务非常重。我们需要开发新的储能技术,把太阳能、风能转化成其他优质能源并存储下来,然后,才是按照人们需要的节奏使用。

当前关于利用可持续能源的主流思路,还是在目前的体系上做一些小的调整,太剧烈、太快的调整大家也受不了。电力体系的基本格局还是当年爱迪生和特斯拉那一代人奠定下来的。现在人们只是用一些新能源,如太阳能、地热能、风能来代替煤炭发电上网,但是由于太阳能、风能的不稳定,所以,要增加很多储能系统来调节电力使用的波动。

未来,高能量密度的可持续能源将会是稀缺品,可控核聚变发电将是一项价值极大的技术,可弥补高能量密度能源的缺乏,现在中国和美国等国家都在研发。

化石能源消失之后,大量材料也会消失。塑料、化纤、人造皮革、染料、沥青、炸药等都没有了,农药和化肥产量也会大幅减少。因此,人类需要努力创新,弥补这些空缺。

总的来说,未来百年还会发生一场工业革命,它的底层动力来自从化石能源材料向可持续能源材料转换的过程,很多技术体系都会随之发生巨大变化。这个过程会有五大技术挑战,即高密度能源、新材料、新机器、智能化和分散化管理及地表利用。

放眼未来100年,芯片也许算不上什么,我们不能一叶障目,人类有更严峻更重要的挑战去面对。要成为创新型国家,必须有重大创新成就,在创建新产业体系上有建树,仅仅模仿和跟随远远不够,要着眼重大问题和重大挑战,为人类作出贡献。

此外,扩大开放、加强国际合作也非常重要,千万不要主动脱钩。因为在中国之外,市场、资金、人才还有很多,国外那些挑剔的用户、强大的竞争者都是创新的动力,他们会给企业一些意想不到的需求点,这些都是创新的来源。

7.经观十二问-立体封-800

置身于中国式现代化的必答题

陆铭、丁胜、李冬君等12位观察家的深刻洞见

——内容选自《经观十二问》,《经济观察报》主编,湛庐文化/中国财政经济出版社 出品

 

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