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今天是12月26日，毛泽东同志诞辰128周年，也是第6个中国制造日。
“中国制造日”，纪念中国制造业的缔造者毛泽东。他指出改变经济贫穷落后，被动挨打局面的唯一道路就是实现国家工业化。
中国制造业从东北车间里的金属撞击声起步，在改革开放后机器轰鸣声中壮大，如今站在2021年——十四五规划的开局之年——几代中国人从未停止努力，中国制造业作为立国之本、兴国之器、强国之基日益强大。
70多年间，中国不屈不挠的努力，一步步实现自己的目标。1956年7月，长春一汽诞生了中国第一辆汽车。1970年，中国第一颗人造卫星飞天。而今，高铁、锂电池成为中国制造的新名片。
中国也成为世界上唯一一个拥有联合国产业分类中所列全部工业门类的国家。
今天，中国制造业正处于往高端制造爬坡的关键时刻，也意味着中国要往技术、工艺高峰攀爬，其中之一，便是突破一些被卡脖子的领域。
立方知造局将从关键材料、核心元器件、先进工艺、产业基础四个维度，梳理出2021年中国制造业在产、学、研上的17个新突破。
战斗不息www.cechina.cn，突围不止。中国制造业的任何故事，都蕴含同一个母题——
“早已森严壁垒，更加众志成城”。
核心元器件
01. 芯片：湖南大学研究垂直晶体管加工，绕开光刻机限制
卡脖子，很多人的第一反应，是芯片。
中国芯片被卡脖子，因为高端光刻机和设计软件被瓦森纳协议禁售。如果无法突破或绕开壁垒，中国自主研发高端芯片将难以实现。
今年6月份，湖南大学在《自然·电子学》杂志上发表将芯片加工工艺的新思路——超短沟道垂直晶体管。
图源：湖南大学
不同于芯片加工传统工艺，晶体管之间平行摆放，当芯片到达3nm工艺时，缩短够到长度越来越难，对光刻机的精度要求越高。如果采用垂直晶体管加工，能确保在沟道物理长度小至10nm，甚至5nm以下的同时，不需要依赖高精度光刻机。
目前台湾省台积电试产3nm制程手机芯片；PC端头部厂商在7-10nm之间。而国内厂商如果采用全国产设备，只能生产90nm的产品。这或将为中国芯片行业提供一种新的生产加工思路。
中国已经提出2025年实现70%芯片自给率的目标。未来，28nm芯片将成为纯国产芯片新起点。中国芯片逆水行舟，等待抵达突围的港口。
02. 触觉传感器：
1. 国产力触觉传感器开发首款针灸仿真训练系统
2. 多模式视触觉传感试验产品诞生
触觉传感器能够让人与机器人协同交融地工作。
国产触觉传感器有两个地方被卡脖子：生产工艺和材料纯度。生产工艺上，国产一致性、稳定性差，传感器中点与点性能无法做到一样。材料纯度上：石墨烯制作传感器的技术还不成熟。
工业生产中，对拥有触觉传感器的机器人需求不断增多，日企的阵列式传感器单个高达10万元，机器人企业成本压力很大。
中国目前有100多家传感器制造商，但大多从事气体、温度等传感器。而真正的触觉传感器厂商，大多只能量产一点式传感器，与国外阵列式差距很大。
突围，起于狭路。
2021年，上海昕触与南京先端机器人合作开发世界首款针灸仿真训练系统，采用力触觉传感技术。
中国科学院智能机器人系统研究部，利用光度立体算法，在多模式视触觉传感技术上取得进展，试验产品为GelStereo系列。
触觉传感器已列入“中国制造2025”、国家科技创新规划中，未来政策将继续扶持，技术研发投入，我们等待着国内头部厂商崛起，在那片日企垄断的市场中，撕开一道裂口。
03. 激光雷达：中国制造登上自动驾驶汽车
激光雷达是自动驾驶汽车的眼睛。可以说，激光雷达直接决定自动驾驶的等级。
卡脖子的地方在于：多线数设备趋向芯片化；产品测距、精度等要求。追求100%国产，要解决芯片和技术上的难题。
激光雷达作为小众行业，又是必需品，完全由卖方市场主导供应和价格。如果不能完全突破，国产汽车的成本、定价权将被国外厂商把控。
中国最早的16线产品于2016年推出，目前已有厂商走在芯片化布局前列，但零部件自研、高工艺制造等核心环节，即使是头部厂商仍然面临困难。
专精特新企业从来不会在突围路上缺席。2021年，禾赛科技推出AT128——长距混合固态激光雷达。并和多个车厂合作，2022年出售的10多款激光雷达车型中，有三分之一搭载禾赛产品。
另一国产激光雷达代表企业镭神智能，则在今年推出CH128X激光雷达，能适用于L3、L4级自动驾驶。
随着自动驾驶技术的成熟与普及，L3及以上自动驾驶需要配备的激光雷达数量随级别提升增加，L3级为 1 个，L4 级为 2-3 个，L5 级高达 4-6 个，利好国产激光雷达行业。
除了自动驾驶外，激光雷达还能在二氧化碳探测卫星、测绘、地质灾害防治等热点场景都能进行多样化应用。
04. 铣刀：突破0.01mm
机床被称作工业母机，而铣刀相当于“女娲”之手。
铣刀的原材料是超硬质合金，配比与合成都需要不断试错，在加工时又需要用到机床，容易陷入“死循环”。
中国在高端机床和铣刀上，要么受到瓦森纳协议的禁售限制，要么面临卖方单方面抬高售价。高精度的铣刀更是加工芯片时不可或缺的工具，一旦被卡住脖子，多条产业链都会面临停摆。
中国对于铣刀、机床的研发从建国初期就已开始，但在小直径、高精度的产品上，由于基础材料和加工技术的限制，与国外还有差距。
2021年6月，中国五矿所下属中钨高新金州公司，成功突破0.01mm直径铣刀，并且破解易折、难监控等难题。
2021年，中国新成立铣刀相关企业74家。铣刀和机床共生互补，未来仍会是我国技术突围的主要目标。
05. 高压柱塞泵：
1. 完成190排量高压柱塞泵配流副关键技术研究
2. 开发出智能型电液一体多路阀先导控制模块样机
液压元器件在工程机械中的地位，相当于集成电路领域的硅。
决定高压柱塞泵产品成败的是设备精密度和使用寿命。突破的难点一方面是工艺水平，一方面是材料选择。
2021年，中联重科开发出智能型电液一体多路阀先导控制模块样机；三一汽车制造有限公司已完成190排量高压柱塞泵配流副关键技术研究。
高压柱塞泵和汽车发动机一样，研发、制造、应用规模越大，产品改进升级就越快，中国的市场优势非常有利于这类产品发展。不断普及的数字孪生和数字仿真技术也将起到关键作用。
06. 掘进机主轴承：完成2条主轴承生产线的工艺布局和设备选型
中国的掘进机已经是国际领先水平，但“心脏”部位——主轴承仍然依赖进口。由于掘进机恶劣的工作环境，对于轴承材料的刚度有很高要求；另一方面，这种轴承尺寸巨大且结构复杂，每个都需要上百道工序。
掘进机主轴承非常昂贵，中国每年生产450台掘进机，进口轴承就要花费近10亿元。而在技术没有成熟的情况下，贸然使用国产替代品，一旦发生故障，造成的损失只会更大。
中国掘进机研发从2002年开始，通过并购德企，技术很快达到世界先进水平。但国外掘进机零部件的生产已近百年，对于主轴承这类核心零部件的生产经验远比中国丰富。
2021年，中国铁建重工研发的“大型掘进机主轴承及数字仿真技术”，已完成2条主轴承生产线的工艺布局和设备选型，并且研制出直径4.8m主轴承产品，以及大型工况模拟试验台。
目前国产掘进机主轴承理论技术已经齐备，量产只是时间问题。但后续的装配、实验以及维护保养等工作，仍然需要先进的工程机械经验积累。
先进基础工艺类
07. 光刻机：清华大学找到EUV光刻机的潜在光源SSMB
光刻机——半导体行业桂冠上的明珠，集合精密光学、精密仪器、高分子化学、物理、机械自动化软件、高精度环境控制、流体力学等全球顶尖先进技术。
2020年，全球光刻机由荷兰ASML、日本佳能和尼康垄断，三者出货量占比分别为62.47%、29.54%和7.51%。其中高端光刻机由ASML一家独大。
一台高端光刻机涉及超过10万个零件，和全球5000多个供应商。国产光刻机的突围之路，仍在进行中。
2021年，中国有一则关于光刻机的好消息。2月25日，清华大学工程物理系教授唐传祥研究组联合国外科研人员发布了一项重大科研成果：基于一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”（SSMB），能获得高功率、高重频、窄带宽的相干辐射，波长可覆盖从太赫兹到极紫外（EUV）波段。
大功率的EUV光源是EUV光刻机的核心基础。随着芯片工艺节点的不断缩小，预计对EUV光源功率的要求将不断提升，达到千瓦量级。
基于SSMB的EUV光源有望实现较大的平均功率，并具备向更短波长扩展的潜力，为大功率EUV光源的突破提供全新的解决思路。
这或将给光子科学研究提供新的机遇，助力中国EUV（极紫外）光刻机的自主研发。
08. 工业软件：国内首款Linux系统3D CAD软件发布
图源：中望官网
曾有人用失落的30年，形容中国工业软件行业。这是一段屡战屡败，却又屡败屡战的故事。
研发设计类的CAD、EDA、CAE等高端工业软件技术壁垒高，成为中国工业软件短板。具体来看：
在CAD研发设计类软件领域，法国达索、德国西门子、美国PTC以及美国Autodesk公司在我国市场占有率达90%以上。
CAE仿真软件市场领域，美国ANSYS、ALTAIR、NASTRAN等公司占据了95%以上的市场份额。
目前，国内工业软件企业宝信、石化盈科只在电力、钢铁冶金和石化等细分行业争得一席之地，而用友、金蝶则在中低端业务管理领域，占得80%左右市场。
2021年，安静的工业软件领域被一则消息打破——中国第一家工业软件A股上市公司中望发布3D 2022 Linux专业版。国内首款基于Linux系统的三维CAD软件。
与此同时，各地政府也在扶持中国工业软件企业。以上海为例，政策要求到2023年培育引进200以上工业软件企业，培育10家左右上市企业，上海工业软件规模突破500亿元。
尽管这仍是一场任重道远的战役，但政策扶持下，失落30年的国产工业软件，变轨至加速发展。
产业技术基础类
09. 操作系统：鸿蒙亮相，首款量子计算机操作系统诞生
操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。它对计算机的重要性，就像中枢系统之于人体，是一种接受用户指令，并根据指令调度计算机硬软件的系统。
目前，国产操作系统和苹果、微软、谷歌的系统，在技术上差距并不大。国产操作系统被卡脖子的主要原因在于：产业内资源分散，没能形成完整的生态链和软件适配。
国内目前没能构建起一个包括硬件开发者、应用软件开发者和用户在内的上下游的产业空间。虽然国产系统发展已经有 20 多年发展历史，但在主流市场的市占率均不到5%。
近年来，国内的计算机产业逐步意识到这个问题，凌乱分散的企业与产品开始步入整合阶段。
今年的国产操作系统技术成果有两大热闻：我国发布首款国产量子计算机操作系统——本源司南；华为产品的全面“鸿蒙化”。
同时，京东、腾讯、联通等互联网及电商企业开始向云端化的操作系统发力，以处理日益膨胀的用户数据和服务器操作；美的等传统制造业厂家继续布局IoT产品的操作系统搭建。
为了实现国产操作系统的推广，今年不少公司都把重点放在了产品融合、终端适配、和其它行业的合作对接上。
截至2020年，我国操作系统市场规模达到26.68亿元，正在以25.65%的年复合增长率高速增长。当前市场占比来看，麒麟软件和统信软件呈现两强局面。在未来，华为、腾讯等巨型信创企业将为市场生态注入更多活力。
目前，国产操作系统已经超越可用的门槛，向好用发展。随着国产智能产品的增加，国产操作系统在未来会获得更多的应用场景，产业链内的合作将进一步加深。
10. 核心算法：掌握了AR-HUD核心算法
核心算法是指要实现某种软件功能所必需的算法。信息通过数学模型，输出为指令被执行，最终解决了使用环境的某个问题。
我国目前在核心算法上，和发达国家还有较大差距，尤其是机器学习相关的算法技术。主要原因在于，产业发展过度依赖开源代码和现有数学模型，底层算法的研发力度不够。
没有高竞争力的核心算法，国产工业机器人就没法完成复杂的动作序列，人工智能就没法处理细分、专业的场景，这也意味着国产高端智能产品始终没法落地。
近年来，针对性的核心算法研发越来越得到产业重视。6月17日，华阳集团表示，公司通过自主研发掌握了AR-HUD核心算法，并搭建了完整的AR-HUD功能实现的整套平台CONTROL ENGINEERING China版权所有，包括ADAS、仪表、车机、DMS等，将极大提升驾驶安全性和人机交互。
2021年，一共有6家操作系统及配套软件公司注册，位于广东、江苏、吉林、山东、山西。
未来，AI市场对大模型算法的需求将会进一步提高，常见开源框架的性能短板将会进一步暴露。
因此，持续底层投入的龙头企业，将倾向于通过大模型的技术路线解决碎片化的问题。在中国，核心算法企业将形成一超多强的格局。
11. 高压共轨系统：已实现批量生产
高压共轨指的是在柴油发动机的内循环系统中，将喷射燃油的压力和过程分开的一种供油方式，可以让发动机的转速不影响高压油管的压力。这种系统的好处，是可以降低油耗，让车运行得更平稳、安静。
相较于德、美、日等传统汽车强国，我国在高压共轨系统上落后，主要是因为产品在性能和质量上有差距，而这又是零件加工水平不高所决定的。
近些年，全国各地都在对国产共轨系统进行试验应用。成都威特、辽阳新风、龙口龙泵、重庆重油、南岳电控等公司也都投入巨资在高压共轨项目上CONTROL ENGINEERING China版权所有，目前都已经实现批量生产。
今年11月，中国船舶集团旗下中国动力子公司河柴重工CHD620V16CR高压共轨电推发电机组首次通过中国船级社（CCS）船检试验，机组将装备某型60米综合救援船。
未来，受益于排放标准的日益严苛，柴油机市场对于高压共轨系统的需求将大幅提升。
12. 扫描电镜：单月销量达12台
扫描电子显微镜是一种对材料的微观结构进行观测的仪器。它的可测样品种类丰富，几乎不污染原始样品便可以获得形貌、结构、成分和结晶学信息。
每年我国花费超过1亿美元采购的几百台扫描电镜中，主要产自美、日、德和捷克等国。国产扫描电镜占的份额很小，约5%—10%。
主要的原因是，国产扫描电镜在成像表现上不如进口电镜。为了获得较高的图像分辨率，扫描电镜汇聚的电子束的束斑直径要尽可能细。在这方面，国内的电子光学系统技术还不足以产生这种极细的束斑。
同时，直接观测非导电样品，需要降低加速电压。这样的结果就是电子枪的亮度降低，色差增大。
扫描电镜是材料科学领域的基础仪器，70%—80%的学术论文都要用到扫描电镜提供的信息。因此，国产替代的缺失，将导致材料学领域研究设备的不足，以及科研成本的提高。
以中科科仪为代表的国产科学仪器企业正在追赶。中科科仪于1975年成功研制我国第一台扫描电镜，进而是2014年的第一台场发射枪扫描电镜。目前国内的公司主要有中科科仪、聚束科技、国仪量子、泽攸科技和善时仪器等。
2021年11月，中科科仪扫描电镜产品销量再创新高，扫描电镜单月销量达12台。
未来，国产电镜的采购主体将仍然是高校、科研机构与研发型企业，每年市场的需求数量将稳中上升。
13. 数据库管理系统：多款数据库管理系统发布
数据库管理系统（DBMS）是一种管理、使用和维护数据的软件。DBMS就像图书管理员，按照特定的排列规则，来存书、取书。
目前全世界最流行的两种DBMS是Oracle和MySQL，都是甲骨文公司旗下的产品。国产数据库没有占据主流市场，主要原因在于产品稳定性不足。
数据库国产化的重要性是显而易见的：不管是政府信息，还是商业数据，都需要掌握在自己手中，这样才能够保证系统的安全性。
数据时代要求的是全产业链的信息整合，以及跨产业链的信息交流。国产数据库的挑战在于：怎么能在破除数据孤岛的同时，又保证关键信息的隐私强度。
近年来，一些国内的数据库公司逐渐意识到软件应该跟随数据管理市场的发展而进行定向开发。今年，随着党政系统、金融系统、云系统对大数据处理的需要加大，与之配对的国产数据库产品进入了快速更新阶段。
关键材料
14. 高端轴承钢 ：强力旋轧技术打破国外技术垄断
高铁、大飞机、重载型武器中的高端轴承，对精度、性能、寿命和可靠性等要求极高，需要高端轴承钢作为原材料支撑。因此， 高端轴承钢被称为钢中之王。
高端轴承钢需要足够的纯净度和均匀度，核心技术长期被国外垄断。
例如，国外产品夹杂物尺寸完全小于等于10微米，而国内最大粒径达到50—52微米，大小相差五倍之多 。
尽管中国轴承行业已形成近2000亿元的行业规模，但国内企业生产的轴承多为中低端轴承和中小型轴承，而高端轴承往往需要向国外购买。
这一年，我们等来了好消息。2021年，西北工业大学材料学院刘东教授团队研发的强力旋轧技术（PTR），突破了轴承钢的“卡脖子”技术，打破了国外技术垄断。
目前国内轴承钢年产量约350万吨，中国已成轴承钢最大生产国，生产工艺与装备以及产品质量已位居世界前列，轴承钢出口量逐年上升。
15. 微球:行业巨头纳微科技上市，加快北美、印度子公司布局
微球，是一种比头发丝还要细小很多的球形物质。现代产业中的生物制药、医疗诊断、液晶显示屏等，都离不开微球。
像芯片一样，微球尺寸越小精度制造难度越大，且涉及到化学、生物、材料、化工等多领域交叉技术，门槛很高。几乎所有高性能、高附加值纳米微球材料都被国外垄断：
用于液晶显示的间隔物硅球全世界只有日本Ubo Nitto生产；
塑胶间隔物微球由日本 Sekisui和Hayakawa垄断；
用于生物制药的分离纯化介质微球以及用于分析检测的色谱柱硅胶填料微球则由欧美垄断。
近年来中国微球相关企业日益增多，仅2021年就新增至少30家。
行业龙头中，纳微科技成立于2007年，经过十余年的研发与积累，建立了全面的微球精准制备技术研发、应用和产业化体系，打破了国外厂商对生物医药和平板显示等领域关键材料的长期垄断，已能够推广至欧洲、美国等发达市场。
2021年6月23日，纳微科技在上海证券交易所科创板上市，发行4,400万股用于：
研发中心及应用技术开发建设项目（新建研发大楼、研发实验室，购置先进设备仪器）；海外研发和营销中心建设项目（新设北美子公司，进一步建设印度子公司）；补充流动资金。
统计，2019年中国微球制剂市场规模达到50亿元，预计到2024年规模将达到120亿元，近五年的年均复合增长率为19.2%左右。
16 环氧树脂 ：总产能达到235万吨/年
环氧树脂是一种热固性塑料，具有优良的绝缘性能、力学性能及化学稳定性等，被广泛用于黏合剂、涂料等领域。
2020年，我国环氧树脂产能达215万吨左右，占全球产能的45%左右，消费量为175万吨，占全球消费量的50%以上，中国已是全球最大的环氧树脂消费国和生产国。
不过问题也很明显：中国普通环氧树脂应用市场几近饱和，开工率不足50%，而高端环氧树脂则需求巨大，且大量依赖进口。
宏昌电子是国内第一家有能力生产高端电子级环氧树脂的专业生产厂商，其高端电子级环氧树脂可完全替代进口电子级环氧树脂，填补中国在高端电子级环氧树脂的空白，成功地降低了国内市场对进口产品的依赖。
2021年上半年，国内环氧树脂产能有所增加，增加的基本为液体环氧树脂装置。截至6月底，中国环氧树脂总产能达到235万吨/年。2021年下半年环氧树脂计划新增产能51.5万吨，产能继续扩大。
在碳达峰、碳中和背景下，风电行业发展有望大幅拉动环氧树脂需求增长。
17. 光刻胶 ：ArF光刻胶试生产
光刻胶，芯片制造过程中，让设计图形嵌刻在晶圆上的核心材料。光刻胶主要由成膜剂、光敏剂、溶剂和添加剂等主要化学品成分和其他助剂组成，除了半导体行业，还能用在PCB、面板等领域。
在这个劳动、资本及技术密集的行业中，是先发优势，让日本企业掌握核心技术。单JSR、东京应化、信越化学及富士胶片四家企业，便在2020年占据全球70%以上的市场份额。
包括彤程新材（北京科华）、晶瑞电材、南大光电、上海新阳、广信材料、华懋科技等中国企业试图在日企垄断的市场中，撕开一道裂口。但目前产品主要还是集中在中低端市场。高端光刻胶基本仍依赖进口。
今年，“20余家企业包机‘团购’光刻胶”的新闻折射出高端光刻胶还未实现国产时的某种焦虑。但不到太悲观。
目前，在国家政策与“02 专项”等扶持项目的支持下，中国半导体光刻胶逐渐实现技术突破。
各类光刻胶国产化阶段 制表：立方知造局
就在12月24日，南大北电称，公司ArF光刻胶生产线在进行试生产，试生产情况稳定，但尚未开始规模量产。
这说明，国产光刻胶往高端迈进的惯性，正在加大。
尾声
2021年中国制造业的17条轨迹CONTROL ENGINEERING China版权所有，流向同一个方向——在理论、技术中突破www.cechina.cn，从试产、量产中积累经验，最终走出被卡脖子的局面。
70多年前，这条道路已被预判。1949年9月，毛泽东在第一次中国人民政治协商会议第一届全体会议上说：
“中国人从来就是一个伟大的勇敢的勤劳的民族，只是在近代是落伍了。”
“我们面前的困难是有的，而且是很多的，但是我们确信：一切困难都将被全国人民的英勇奋斗所战胜。中国人民已经具有战胜困难的极其丰富的经验。”
“让他们去说我们这也不行那也不行罢，中国人民的不屈不挠的努力必将稳步地达到自己的目的。”
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