干勇院士：制造强国三大基础要素——新型信息技术、新材料和技术创新体系
中国金属学会理事长、中国工程院院士
在第二十届中国科协年会上，中国金属学会理事长、中国工程院院士干勇作了《制造业强国的三大基础要素—新型信息技术、新材料和技术创新体系》主旨报告。以下为报告节选。
很高兴和大家来交流一下制造业强国的三大基础要素，新型信息技术、新材料、技术创新体系，这是每个领域都必须具备的支撑条件。中国制造2025是中国制造业的强国战略，由中国工程院和工信部在国家层面共同发布的方针战略，我们坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，用网络化、数字化、智能化抢占重要领域的先机。
分三阶段，第一阶段2025基本进入德国、日本第二方阵，2035年从这个方阵出来，到2050年和美国可以并驾齐驱。中国制造2025的九大任务、10大重点领域和5项重大工程里面，我们最后凝练出来三大基础要素。大家看10个重点领域可以分为四个方面：一是新一代信息技术，新型信息技术基础要素，我们在五个领域统计一下网络与通信、先进计算、虚拟现实与数字媒体、信息安全、微电子与光电子，我们在和国际比较领跑、并跑、跟跑占的比例，在微电子与光电子领域，我们领跑只有5%，将近70%是跟在人家后面，而且差距很大。另一个是新材料，这是基础要素，高端装备占七个领域，高端装备里包括高端数控机床、机器人、航空航天装备、海洋工程和高技术船舶、先进轨道交通、新能源汽车、智能电网、数控机床等。
集成电路包括了设计、制造、封装，受到了重大装备和关键材料的限制，差距比较大。我们芯片虽小，却是“国之重器”，装备制造的芯片相当于人的心脏，很重要。我们很快每个月需求300毫米的大硅片，将达到100万片，但是国内还是外商的生产厂家，只有20万片左右，我们每个月的缺口在80万片。1万片投资将近10亿美元，这不光是投资问题，还包括了大量的技术。特别是中兴通讯事件，体现我们核心芯片的大量依赖进口的缺点。核心技术不在我们手里，而且差了1.5到2代，中低端芯片对外依存度达到80%，高端芯片对外依存度超过90%。2017年我国服务器销售了255万台，但是服务器98%都是英特尔的x86的CPU指令集的服务器，尽管曙光、华为、联想及浪潮等国产厂商占据了主要的整机份额。但是材料的成本85%以上来自于国外供应商，技术受制于人。PC行业虽然我们早都实现了国产化，但是一些高端技术元器件，包括高端电容电感国产化率很低等等。现在CPU在国内差距很大，至少是两代以上。仅飞腾才用了ARM指令集，国产CPU生态环境在英特尔的压力下十分艰难。
内存：内存颗粒主要被韩国、美国垄断，硬盘行业也被国外垄断。集成电路材料和器件，所有的半绝缘碳化硅衬底、导电衬底及外延片是0，主要从美国进口。MEMS器件玻璃粉封装，自给率0%，电子信息功能陶瓷材料自给率0，都是在国外进口。高性能氮化物陶瓷粉底及基板自给率也是0，光刻胶自给率只有5%等等，高纯石英玻璃及制品、探测用的人工晶体主要来自于国外。
新一代信息技术产业需要重点补充短板的材料一大堆，特别是193纳米光刻胶完全空白。2025年我们制定了硅及硅基半导体材料发展重点目标，这是国家新材料重大专项方案刚刚出来编制，我们向国务院和科技部做了汇报，300毫米硅片产品由14nm提升到7mn水平等等，这是2025年的目标，特别是在新型半导体材料上，我们希望换道超车，比如说开发三维RRAM器件材料体系与结构单元，或包括1G到5G更高容量的磁性随机存储芯片等等。
光电子器件。主要面向宽带光纤通信网络、物联网、数据中心、无人驾驶等等，但是硅基光电子集成芯片技术、混合光电子的集成技术，包括微波与光波的技术非常重要，成为我们当前的掣肘技术。如果我们在10个GP以上，速率光电子器件国产化几乎为零，光电子器件研发中心技术高、更迭迭代快，所以需要长期积累。中兴在光传输、数据通信和宽带接入等信息通信系统，光光交换、光复用收发器件与模块，从美国采购的光电子芯片与器件每年总金额达到31亿美元，占总采购额53%。
举例，中兴通讯卡脖子的产品，高速激光器芯片等等，100、200Gb/S相干光调制解调芯片，还有窄线可调激光器芯片全部进口。
光电子器件和集成是我们通信5G发展的关键。建立标准化的集成工艺标准，光交换和光互连的核心芯片集成技术已进行重点突破。我们必须要在超100G光传输技术上，大踏步前进，这里光电子和微电子的融合支撑产业升级和高质量的发展是我们要选择的一个道路。比如说氮化物半导体是唯一覆盖红外到紫外波场范围的半导的体系，包括Micro-LED新型显示技术。另外发展宽带同心合新型网络优势。我们移动通讯、新一代网络，特别是五代通讯网络在超高速、大容量、智能光传输和光交换方面一定要达到国际的高端水平。我们的光带通讯和信息网络要超低延伸了无线联通设计技术，大规模的天线配置等等，网络化系统，去蜂窝化、个性化和云化方面也比较取得突破。
在移动互联网方面我们是很强大的，但是我们应该在网络功能虚拟化、智能化、平台通用化方面，在移动互联网体系构架、基础芯片、软件方面要取得突破。自主可控的互联网关键技术非常重要，习总书记强调高端服务器和处理器必须自主可控。2018中国大数据产业博览会大数据安全高峰论坛，习近平总书记发去了贺信，要求保证我们的网络安全，特别利用我们的物联网、大数据、智慧城市、人工智能的优势，要大力研究自主可控的互联网关键技术，要真实可信、信息安全、访问授权、攻击预防、事后追溯、容器网络、分级控制。所以，要发展云计算与大数据的优势，这是我们重要的中心任务。
发展物联网及智慧城市，这是我们中国人的优势，我们在数百个城市开展智慧城市的建设。包括大规模的视频监控和智能传感。网络协同制造，新一代人工智能中大数据智能整体框架，三元空间的大数据，一会儿还会讲人工智能，包括信息空间人类社会，物理空间人工智能的基础架构和平台，人工智能的理论与模型等等，都要开始进行。大数据智能的计算范式，从数据到知识的决策。包括工程院最近开展人工智能发展的一些课题研究，基于大数据的人工智能，群体智能的理论方法与技术，跨媒体智能，混合增强智能，智能无人系统，无人机、车联网等等，这是我们的信息技术，这是一个基础支撑。
新材料：这次发现中美摩擦，封锁中兴通讯除了元器件之外关键是材料，高端材料是重大工程成功的保障，突破封锁和高质量发展需要强大的新材料支撑，我们了解到2030年，我们需要的材料的一些重要材料情况，大尺寸的硅片每年要达到40亿平方英寸，第三代半导体先进半导体抛光光片要达到7.5亿片，三代半导体材料外延芯片又需要6亿平方英寸，特别是显示面板每年3.5亿平方米，包括现在我们有14条8.5代一级面板和10代最高级的面板，但是还是需要大量新型的显示技术。
另外发展航空大飞机需要高温的合金材料，我们的燃煤技术将近8亿千瓦的装机容量，现在600度超超临界的改造只有2亿千瓦，我们还有大量的改造任务，需要几千万的耐热合金和耐热钢，包括高端轴承、齿轮、液压、模具，包括海洋的各种耐蚀合金，深海开采，包括海水淡化的膜材料，特种塑料在现代制造业核心元器件的应用非常重要，这些红色的字都是美国封锁的重点。
我们新材料用的很多，基础支撑变成13类，我们选择其中几类作为国家重大科技项目。一是高端装备的特种合金，在海洋装备、高铁、飞机和高档汽车的重大装备里，比如说发电，如果我们的蒸汽温度到600度到700度，每度电的煤耗将从330个标煤降到210克，我们每年40亿吨煤一半以上在发电，每度电降1克标煤，节能效果就非常好。必须把700度的耐蚀合金、耐热合金攻下来。而且中国虽然晚了20年，但是现在我们在汽轮机大型船只上走在了全世界的前面，包括压水碓核电站的核能材料，包括深海油气的采钻技术各种材料，1400米以下我们很多材料高端空白、低端不能用，连标准都没有。高磁感能源硅钢，非晶合金，在非金材料上我们已经有24条线，把日本日立挤出了中国，非晶合金每秒钟要冷却100万度，金属玻璃，每公斤只有0.16瓦的铁水，在配电变压器里可以大量的降低损耗70%以上，是非常好的节能材料。
航空发动机代表一个国家的工业水平，航空发动机的难度难在材料和高温合金上，新一代的涡轮盘制备技术使我们国家的高温合金性能得到提高。先进的钛合金材料、镁合金、铝合金的应用将使我们大大的节能，而且获得更高的性能。钛合金是一个最好的海洋材料和航空航天材料，性能优良，中国的钛储量全世界第一，我们也开发了很多钛合金，应用没有上去，全国只用了5万吨，徘徊了近15年。这是镁合金，比重只有1.7很轻，所以如果进入汽车，可以大量的减重。
特别是在飞机上，如果用镁合金代替铝合金可以使飞机的减重达到数吨以上，镁合金有一个缺点是高温自燃，但是中国已经解决了这个问题，上海交通大学在镁合金里加入重离子系统，这是中国特有的，是850度镁合金燃烧，美国联邦航空管理局FAA计划年内取消商业飞机用镁的禁令，并且和上海交大谈判，镁合金有望在航空当中应用。
铝加温技术大断面的复杂铝合金型材，中国在技术上取得全面突破，新一代飞机大型整体式结构件，在铝合金上得到提升。先进的轻合金将是我们重大的中国高端装备应用下一代的高端材料。新型高分子材料还包括高性能碳纤维，碳纤维的应用是结构材料的革命。美国787飞机，52%是用碳纤维，大大减重，材料性能高、耐腐蚀、安全，所以交通、海洋、建筑工程、能源战略新材料需要的碳纤维量将会很大。但是现在我们只有2万多吨碳纤维产能，反而过剩，全行业处于亏损边缘。目前我们在工艺装备和技术上全面突破，成本逼近了日本东立。
稀土的作用。每个领域特别是国防领域大量应用于稀土工程材料。爱国者导航之所以能精准拦截，得益于稀土工程材料的应用，“猛禽”战斗机能够实现超音速的巡航功能，依赖于强大的稀土永磁发动机。精制导武器和武器平台的惯性导航和制导需要稀土工程材料，高静安潜艇需要用稀土永磁电驱动动力系统。雷达、微波通讯、电子战系统需要我们的永磁行波管、磁控管。卫星、飞船姿态轨道调控和空间探测推进器要利用稀土材料。先进战机用的多电发动机要用高温永磁体大功率内置式启动发动机。所以，在整个新能源、机器人数控机床、稀土功能材料大量应用，汽车上利用了100多种稀土的材料，催化、除清、发光、永磁。而且稀土永磁的伺服小型电机成了关键，一个机器人面部表情，一个表情需要24个小型的稀土永磁伺服电机，而数控机床也需要大量的永磁伺服电机。
我们看看这些年工业技术创新的方向，最早是蒸汽机，都是动力体系。第二是电气化。第三是液压体系。第四是光功能。在现在我们认为下一个创新热点将是磁。产业升级永磁科技，产业升级，永磁发动机、永磁齿轮、永磁轴承、永磁悬浮将会起来，将会成为新型节能磁动力系统。市场力量巨大，这是一个新型的万亿产业。永磁调速体系已经变了，不用传统的减速体系，永磁自动体系在30层楼高，如果电梯出现故障掉到地面，如果在导轨加上永磁，一杯水在地上都不会荡出一滴来，非常稳定，可以永保安全。永磁齿轮，加上齿轮以后没有磨损，不需要润滑，寿命大大增加。可以可以来巨大的产业集群，应该列入国家重大专项，微电子、光电子材料，新型显示第三代半导体，包括印刷与激光显示是第三代现实技术，中国必须要突破，我们印刷显示材料已经走在全世界前列。激光显示，特别是绿光上，我们有蓝光、红光半导体，所以激光显示和印刷显示将是下一阶段的所要显示的技术。
大功率激光材料与器件，包括新型激光材料与器件不断问世。高端光电子和微电子和国外差距巨大，但是在第三代半导体，我们和国外仅差三到五年的时间，特别是LED、光电器件上，我们有的地方领先国际。
大力发展三代半导体特别是在光电器件、功率器件和通信微波器件将起到巨大作用。绿色能源材料，我们不讲动力电磁，我们就讲现在部分发达国家计划2040年到2050年实现氢能社会。中国社科院主席徐匡迪10年前认为，21世纪中国将进入氢能时代。
燃料电池，将是氢能时代的一个重要的代表，我们燃料电池全面启动，在车上的工程化应用在某种程度上是一个终极目标零污染，现在整个技术在中国已经开始启动，而且达到很高的水平。包括前沿的膜材料、智能仿生材料、石墨烯材料等等。
3D打印金属粉末的各种材料体系也正在进行完善。新一代生物医药材料包括材料基因组工程，主要是在智能化设计新材料，材料基因组工程。基本概念是降低研发成本，新材料研究周期长，投入大，要降低研发周期缩短一半，降低成本一变，利用高通量的计算方法，高通量的试验方法，材料大数据的技术来设计新一代的新材料。
最后是创新体系。我们发现美国在新的制造业工业互联网下，开始创新，制造业的创新网络建设计划，已经建设了九个制造业研究院。德国产学研创新体系非常完善，为基础应用技术和产业化做出了贡献。英国的创新中心建设也非常成体系。中国以上海为主，我们的技术创新体系在上海还是很完整的。共性平台，产业技术研究院，包括上海全球的科创中心建设已经进入一个新的阶段，江苏的制造业创新体系也是可圈可点，它的江苏产业技术研究院作为中小企业的创新平台。包括深圳四个体系，科技创新、创新服务、政策法规、投融资体系，非常完整。所以新型的平台体系和互联网时代为我们技术创新提供新的模式，技术创新平台的大数据，技术设计服务网络化产业化。
我们提出互联网时代，制造业创新的新的模式。一个是技术创新平台公司模式，第二是技术创新体系新型“联盟公司”模式。“小核心、大协作”模式。制造业创新体系的基本思路与对策。军用民用三基研发一体化，军民融合的关键是基础技术、基础材料、技术核心元器件的融合，这是关键。材料和元器件研发一体化，料要成材，材要成器，包括设计技术创新平台大数据的建设。
我们这边提出每一个产业的创新服务平台的基础平台云，包括基础云、数据云、服务云。我们的原始创新水平不够，应对国际封锁和高质量发展已经成立数家国家制造业的创新中心。下面是已经成立的7家制造业创新中心。第一是动力电池国家制造业创新中心，第二是3D打印制造业创新中心，第三是新一代光电通讯制造业创新中心，第四是印刷机柔性显示新技术的创新中心。第五是智能机器人制造业创新中心。第六是智能传感制造业创新中心，5月23号刚刚在上海成立了两个国家级的创新中心，一个是集成电路制造业创新中心，非常重要。之后还要成立一系列国家制造业创新中心，包括轻量化材料、燃气轮机、工业信息安全、先进复合材料、智能语言、石墨烯，深海远洋工程装备、数字化设计、智能网联、汽车、工业云制造、工业信息物理系统，工业大数据，高性能的医疗器械，也包括先进的功能纤维，轻合金等等。
形成中国制造业技术创新体系的十大系统能力，包括创新体系的统筹策划能力、组织保证能力、资源利用能力、战略运作能力、中国数字能力、机械导向能力、转化固化能力等等，最后实现中华民族的制造业强国之梦。谢谢大家！
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