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工业基础四大“卡脖子”领域，如何破局？

百家作者：人工智能学家 2021-07-06 17:01:35

来源：机床杂志社

TOP4 重型燃气轮机领域

重型燃气轮机被称为制造业的王冠！原因是，它在技术复杂度上是最困难的少数几种工业产品之一，也是我国发展制造业强国的道路上的攻克方向。

燃气轮机轮机分为：重型燃机、中小型燃机和微型燃机。重型燃机通常专为工业发电设计、中小型燃机往往用于调峰、压气机和航空或舰船用动力系统。陆用中小型燃机又可分为工业燃机及航改燃。

欧美国家的船用燃机一般都是航改燃产品，而前苏联的产品大多为舰船专门研制，因此，前苏联的船用燃气轮机大小往往介于欧美船用燃机和工业燃机之间。因此，重型燃气轮机技术同航空用燃气轮机技术上差别很大，二者不能简单转换。

2019年上半年，全球前四大燃气轮机生产厂家在发电用燃气轮机市场的份额为：GE 占比49.66%，西门子占比26.13%，三菱日立占比12.36%，安萨尔多占比6.41%，目前，全球也仅有这四家可以生产最高水平的H/J级燃气轮机。

重型燃气轮机的级别越高代表着热效率也越高，E级燃气轮机的单循环热效率为34%左右，联合循环为53%左右。F级的单循环在38%左右，联合循环在57%左右。而效率越高，意味着同样的能源，将能够获得更多的电力，这个对于舰船、电厂等是十分关键的一个指标。

国内的东方电气生产过70多台300万MW的燃气轮机，虽然国产率达到了80%，但其核心的20%是无法买的，同时这些技术也没有人转让，无疑这些核心技术制约着我国向更高水平迈进。此后，东方电气完全自主研发出来50MW重型燃气轮机，为将来研制出来更大型的燃气轮机奠定了重要的基础。

之前世界上能独立研制重型燃气轮机的国家却只有美国、德国和日本。而重型燃机的研发制造水平往往很大程度上代表了一个国家的重工业水平。因为重型燃气轮机在研发上，不仅看重性能，还要强调性价比，必须能够为电厂等使用单位带来好的的效益。

好在中国已经成功研制出了50兆瓦级重型燃气轮机，实现了F级50兆瓦重型燃气轮机从无到有的突破。中国在重型燃气轮机三大体系的构建上日趋完善，实现了原型设计、设备制造和试验交付的三位一体。中国也成为了全球第五个完整掌握重型燃气轮机设计制造技术的国家。

TOP3 高端电容电阻领域

中国是最大的基础电子元件市场，一年消耗的电阻和电容，数以万亿计。而最好的消费级电容和电阻，来自日本。

电容和电阻，是电子工业的黄金配角。电容市场一年200多亿美元，电阻也有百亿美元量级。此领域市场头号“玩家”是日本，占据一半以上份额，尤其是以村田、TDK等企业为代表，中国台湾地区位居次席，而中国大陆的产品则多属于中低端。

电子工程师、瑞迪航科（北京）技术有限公司总经理曾经说，“在军用级别，国产电阻电容是能满足需求的，但一些特殊的定制电阻，国内公司也能生产。我们比起日本有差距的，是在消费级的、大批量生产的元件上。国内企业相当于“什么菜都会炒，但不保证每次炒出来是一个味儿”。

电容电阻的最大用户来自手机、电脑、家用电器、汽车等消费类电子行业这一领域。在高端的电容电阻方面，最重要的是同一个批次应该尽量一致，日本这方面做得最好，国内企业差距较大。

基础电子元件一批次可生产百万件，对质量控制极端重要。比如某个电容不达标，可能会让手机充电更慢，因此国际上手机各大品牌往往只采购大厂商的电容电阻。

日本的MLCC产品可以做到1000层，中国产品在300层左右。所谓MLCC（多层片式陶瓷电容器），是消费电子行业用量最大的基础元件，也是日本企业的强项，因为日本的MLCC产品可以做到1000层。

国内业内资深的电子工程师曾经说：“MLCC就像千层酥，只不过小得多。”MLCC只有米粒大小，是一个内有电极的陶瓷块儿，是几百层陶瓷和几百层金属叠压起来的。电容的原理是两电极夹一层绝缘介质，用来储存电荷。并且介质层越薄，电容数值越大。

制作MLCC有点像摊煎饼：陶瓷粉末浆，被刮刀摊平成厚度约1微米的涂层，再敷上去一层金属粉末浆，陶瓷介质贴上了电极。之后，一大张薄膜被叠压、烘干、烧成瓷。

陶瓷浆和电极浆如果不配套，干燥时就会“起皮”；烘干太快会出裂纹，烘干不彻底也会导致瑕疵；烧瓷要暴露于特殊气体；冷却不会开裂。哪一环节不到位，产品就可能大比例不达标。客户要求是一百万个MLCC只允许一个不合格。重要的是，MLCC十分脆弱，相同一种规格的产品，大品牌可能细节更优秀，而且不易机械损坏。

值得一提的是，始终坚持基础研发的日本巨头企业，始终关注高端，集中精力做利润更大的高端市场。

据业界估计，随着手机更轻薄和频段更多，体积小性能好的元件用量会大大上升，iPhone使用的MLCC是手机中最多的，最新的iPhone要用上千颗。

汽车（尤其是电动汽车）行业使用的电容和电阻更多，并且元件质量要求十分苛刻，由于冲击、温度、粉尘和腐蚀等条件更恶劣，而且不能有安全上的隐患。汽车用元件市场大，技术门槛非常高，未来市场或继续被日本巨头公司控制。

据日经亚洲评论之前报道，世界上电子器件厂商在5G智能手机的供货方面竞争激烈。其中，尤其在4G产品上拥有稳固市场份额的日本制造商希望通过MLCC的微型化技术，保持其对于中韩竞争对手的领先优势。

日本村田制作所董事长村田恒男曾经表示：“考虑到目前的芯片安装技术，它的尺寸要尽可能小。”该公司的新型多层陶瓷电容器，已经开始大量生产，而且成为智能手机的关键部件。

在智能手机中，MLCC的重要作用是，被用于存储和放电以维持电路中的稳定电流。村田制作所的新设备尺寸仅为0.25毫米x 0.125毫米，是全球最小的MLCC！但它的体积仅为同类产品的五分之一，但蓄电能力却达到惊人的十倍！

MLCC放置在智能手机的整个电路板上。根据统计，在高档电话中使用了大约800个MLCC，而在5G手机中，这个数字要高出20%。

英国技术研究专家，Omdia的日本电子研究负责人南川明（Akira Minamikawa）曾经表示，由于其先进的微型化技术，日本MLCC制造商在竞争中具有超越外国竞争对手的坚实优势。他说：“中国和韩国的竞争对手仍然不能”复制”日本的MLCC”。

事实上，5G智能手机比4G型号需要更多的具备更严格规格的零件，以使得更高的速度处理更大的吞吐量。由于空间十分宝贵，因此，5G设备在很大程度上依赖于可以缩小零件并增强其功能的技术。

手机占用最多空间的组件是电池。5G手机消耗会更多的功耗，而且可以更快地处理更多数据。由于受到设计体积限制，5G手机需要更大容量、且体积较小的电池。

日本TDK在中国香港的子公司Amperex Technology曾经占据了全球智能手机锂离子电池市场30%的份额，TDK一直在通过开发层压锂离子电池来提升其小型化技术。

日本东京的Techno Systems Research的研究人员藤田满隆（Mitsutaka Fujita）曾经表示，除苹果（Apple）和三星电子（Samsung Electronics）等传统客户外，ATL还为中国和其他地区的中型制造商提供了越来越多的服务。他预测，今年ATL的市场份额将继续增长。

日本的NEC子公司Japan Aviation Electronics Industry正在研究制造无噪声连接器的新技术，并利用其为航空航天应用开发的技术来在5G智能手机组件市场中占据优势。事实上，很多日本电子元件制造商能够自行开发材料和制造先进设备，并且拥有无法效仿的核心技术，让世界上的竞争对手无法重复他们的产品。

南川明曾经说：“中国和韩国的竞争者将在未来十年缩小与日本竞争者的差距，但由于日本制造商还将发展其技术，它们将无法轻易追赶。”

除日本制造商在智能手机关键零部件上占据一定的地位外，韩国的三星和其他韩国公司控制着全球90%的有机发光二极管显示器市场，这些显示器由于比LCD更轻薄，因此，在越来越多的5G手机中使用。目前国内的京东方科技集团也曾经努力从韩国竞争对手中获得份额。

值得一提的，许多美国公司是智能手机芯片技术的领导者。高通公司计划在2021年推出兼容5G的处理器，其专家表示，这将为低价手机带来更快的网络标准。这将是高通公司的最新芯片组产品，高通公司正在稳步扩展其5G兼容产品组合。

日本的Kioxia是世界上唯一一家至今仍站立不倒的日本存储芯片制造商。同时该公司正为大规模生产下一代存储器做准备，并利用对大容量产品需求的预期增长获利。

综上所述，高端MLCC被海外市场把控。从全球市场份额来看，日本厂商占据十分明显的领先优势。特别是在全球前十大MLCC厂商中，日系厂商全球市场销量占有率为五成左右，且日系各大厂商在高端产品及核心原材料陶瓷粉末技术上领先世界其他厂商，产能规模上也大于其他地区，在行业内有较大话语权，技术优势非常明显。

日本村田制作所是这个行业的绝对龙头，其市场占有率多年保持行业第一，重要的是它的产品规格、电容量范围十分齐全，而且技术领先。早在2017 年，其全球市场占有率就达到 25.8%。

韩国的MLCC 厂商三星电机位居行业第二位，其2017 年市场占有率达到 21%。中国台湾地区的国巨和华新科也占有重要的市场地位，国巨市场份额位居全球第三。大陆厂商风华高科2017 年的市场占有率仅为 2.7%。

TOP2 数控机床领域

中国自2003年起至今都是世界数控机床最大的消费国及进口国，但国产的数控机床大多为中低端产品，高端数控机床90%依赖进口，其中，日本是主要的进口来源国，大约占三分之一。

所谓数控机床，是指装有程序控制系统的自动化机床，能够在编程好的系统控制下让机床加工零件，与传统机床比，具有加工精度高、对加工对象适应性强、生产效率高等优点，尤其在航空航天、船舶、汽车、铁路建设、国防军工等行业都有着十分广泛应用。

数控机床产业属于资金密集型、劳动力密集型、知识密集型等三位一体的产业。中国曾经是全球机床产量最大的、采购额最高的国家，但机床的销售额并不高，特别是在高档机床领域，中国主要还是从美日德等国家进口机床。

据新思界产业研究中心公布的《中国高端数控机床行业市场深度评估及2020-2024年投资可行性咨询报告》显示，2018年我国高档数控机床的国产化率大约在7%左右，依然处于偏小状态。从需求方面看，2013年，我国高端数控机床的需求占比已经达到了10%左右，2018年大约在20%左右，与7%的国产化率相比差距非常大，2018年中国高端数控机床市场规模为617.4亿元。

由于中低端数控机床产品市场是国内企业集中竞争的区域，因此，产品同质化程度非常高，已进入了完全竞争的态势。我们的数控产业，不管是技术水平还是成熟度，与发达资本主义国家相比差距明显。从产业成熟度来看，我国高端数控机床与国外的差距大约在15-20年左右，相当于发达国家二十世纪末二十一世初水平，而且我国一直处于制造业中底端，数控机床工业化水平极需提高。

新思界产业研究员认为，2020年目标为当年实现国产高档数控系统1000台配套。国家发布的《中国制造2025》也重点提出到2025年中国的关键工序数控化率要从当前的33%提升到64%。我国数控机床市场需求十分广阔、政策支持力度非常大，重要的是具有非常好的发展潜力，进口替代空间也较大，但是需要时间。

日本在数控机床方面，其出口量一直位居世界首位。自1958年研制出第一台数控机床以来，日本政府长期通过规划和法规鼓励科研机构和企业大力发展数控机床，并且提供十分充足的研究经费。值得一提的是，日本不断通过在机床部件配套方面向德国学习，在数控技术和数控系统的开发研究方面不断向美国学习，最终日本获得巨大的成效。1978年至今，日本数控机床的产量、出口量始终位居全球首位。

美国是数控机床发明国，美国在数控机床的主机设计、制造和数控系统方面具有很强的市场竞争力。美国的机床技术尽管依然属世界一流水平，但其产量上却居世界第三，同时也是全球数控机床主要进口国。

原因是美国对数控机床的进口需求仍然很大，早在2012年，数控机床进口需求一直超过金属加工机床。2013年，由制造业回流拉动的设备投资开始放缓，机床缺口尤其是数控机床缺口开始缩小。

德国自1956年研制出第一台数控机床，从此以后，德国的数控机床开始稳健发展，并且在传统设计制造技术和先进工艺基础上，德国数控机床不断采用先进电子信息技术，叠加科研的基础上自行创新开发。

德国十分重视各种配套元部件、数控系统的研发，自60年代开始，德国的西门子公司就开始涉足数控系统，目前，德国公司与日本法那科共同占据高端数控系统市场80%的份额。值得一提的是，德国数控机床的主机配套件，机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统等各种功能部件无论在质量上、还是性能上都位居世界先进水平。自2013年，德国机床行业产值实现4%的增幅，总产值一度达到111.5亿欧元的最高纪录，尤其在全球的占比达到18.9%。

中国近些年无论经济发展还是科技水平都取得了令人惊叹的成就，中国是最大的发展中国家，我们在看到巨大的成绩面前也要看到不足之处，不妄自菲薄，同时也要奋发图强，努力去追赶，最终实现中华民族的伟大复兴。

TOP1 工业软件领域

中国的工业产能、工业出口规模早已经领先全球，尤其是中国制造业增加值占比达到世界市场份额的28%以上。值得一提的是，在联合国划定的所有工业门类和细分领域(41个工业大类，191个中类，525个小类)当中，中国是工业门类最齐全的，中国的很多企业被称为重量级玩家。可是，中国工业企业要真正做大做强，仍有一个无法回避的关键短板——工业软件。

中国目前最大的工业软件企业属于华为技术。但即使华为十分强大，但在设计产品时，仍然需要用到美国的三家软件公司Synopsys、Cadence、Mentor提供的EDA(电子设计自动化)软件工具。值得一提的是，美国软件企业的芯片设计极为复杂，芯片里面拥有几十亿个晶体管，因此，他们的EDA工具的极限设计精度是很难替代的。

国内市场在核心工业软件领域：CAD研发设计类软件市场，被法国达索、德国西门子、美国PTC以及美国Autodesk公司占据达90%以上，国内数码大方、中望软件等只占不到10%的市场。CAE仿真软件市场领域，被美国ANSYS、美国ALTAIR、美国MSC等公司占据了几乎全部市场份额。即使技术含量较低的生产管理类工业软件领域，高端市场被德国SAP与美国ORACEL公司垄断90%以上。

工业软件绝不是简单的IT软件，更不是普通的互联网公司能够涉足其中的。比如其中的代码行数，全球最大的软件公司不是微软，也不是SAP（德国的全球领先软件公司），而是世界最大的军火商美国的洛克希德·马丁公司。

再来看下三大行业，比如制造业：AutoCAD、proIE、ug、SolidWorks、建筑业：AutoCAD、Revit、3dsMax、娱乐媒体：3dsMax、Maya、Autodesk Smoke，以上发现里面经常使用的软件，没有一个软件是我们研发的，它们全部来自国外的软件企业。

再比如国内各行各业几乎都在使用的软件AutoCAD，这是美国Autodesk（世界领先的设计软件和数字内容创建公司）的产品，它几乎垄断了中国所有的CAD工具，值得一提的是，在俄罗斯根本没有人使用AutoCAD，因为俄罗斯人使用的是nanoCAD, 是俄罗斯自己研发的CAD工具。

在工业软件领域如果缺乏核心，不亚于缺乏芯片技术一样。不过，中国管理软件和嵌入式开发做得还不错。事实上，如果要掌握工业软件核心技术，就要实现建模技术，虚拟仿真，数学运算，而这些完全依赖于数学算法，这些算法需要长时间的潜心研究及高端的人才。

德国最大的工业软件公司仍然不是西门子，也不是大众，更不是蒂森克虏伯，而是SAP SE（思爱普）。尽管只是一家软件公司，但它是一家引领着德国工业4.0国家战略的公司，虽然它在2019年世界500强中只排名427位，德国人厉害的是，世界500强中80%的公司却都是它的客户。

著名的SAP（System Applications and Products）软件就属于这家公司的产品，它是ERP（Enterprise-wide Resource Planning，芯片设计生产必备神器）解决方案的先驱，也是全球排名第一的ERP软件。可以说，几乎每分每秒，SAP软件都运行在全世界120多个国家、超过172,000家企业的机房里。有人说，一旦SAP断供，三分之一的芯片企业会死得很难看。

日本的工业软件发展相对差一些。全球第三大经济体的日本，在软件销售方面仅次于美国，因为日本本土的工业软件却没有拿得出手的品牌。日本企业更愿意在制造业的硬件方面下功夫，不愿意花太多精力去研发软件。日本人他们更青睐于软件的外包开发。全球软件外包市场规模达到1000亿美元，而日本一家就占了十分之一。

可以说，制造业的最核心技术其实就是工业软件，其中包括：逻辑编程、数据建立分析、设备驱动、程序更改、传感器应用等，这些全部都需依赖软件技术。

德国西门子、美国GE、法国施耐德之前为了维持他们传统的垄断地位，疯狂并购世界上的工业软件公司。比如2016年11月，德国西门子以45亿美元收购了全球三大电子设计自动化软件EDA之一的Mentor。

当前，进入中国工业领域的重要工业软件，包括研发类的CAD、CAE、CAM、CAPP，信息管理类的ERP、CRM、HRM，及生产控制类的MES、PCS、PLC，总共占比接近40%。此外，还有60%的嵌入式软件(嵌入特定设备的专用软件)，原因是工业企业对工业智能终端、工业传感器、工业自动化装备需求巨大。时至今日，可以说几乎每一件工业品的生产、每一台工业设备的上线运行，都是最先来自于工业软件中，然后才有最终实体的产品及运行实体。

中国工业发展的最大瓶颈就是工业软件，并且工业软件企业的发展水平及瓶颈将会成为下游企业掣肘因素。比如中国核电技术已达到世界一流实力，尤其是国产的华龙核电系统已走向了世界。但据业内人士透露，核电系统的软件采用的是德国西门子的NX软件(西门子公司提供的产品工程解决方案，NX软件设计的模型、生产制造过程的管理等起到很大的作用。再比如在航天工业方面曾长期使用美国Analytical Graphics公司开发的STK分析软件，STK可以支持航天任务的全部过程，包括设计、测试、发射、运行和任务应用，目前STK最高版本是11.0。因此，工业软件往往被称为中国工业企业“短板中的短板”，在此领域需要发力追赶。

在CAD研发设计领域，法国达索、德国西门子、美国PTC以及美国Autodesk公司在中国市场的份额超过90%，国内数码大方、中望软件、山大华天等只不到10%的市场份额，神舟航天、金航数码也仅仅在航天领域拥有一定市场份额。

在CAE仿真软件领域，美国公司ANSYS、ALTAIR、NASTRAN占据的市场份额超过95%。但是目前国内的软件企业开始在汽车研发、建筑CAD等领域正发起奋力冲击。

在生产管理领域，德国SAP与美国ORACEL公司占有高端市场的90%以上，国内的用友、金蝶大约只占据中低端市场的80%左右。

值得一提的是，德国SAP公司的营收水平高达250亿欧元上下，曾经超过国内同行用友网络15倍以上。在生产控制领域，西门子、施耐德、GE、罗克韦尔也具有优势明显。而国内的南瑞、宝信、石化盈科因为在电力、钢铁冶金和石化行业积累多年，具有一定的竞争力。

EDA被认为是工业软件的尖端领域，我们的集成电路芯片技术的更新换代，主要一个制约因素就是EDA。值得一提的是，三家美国软件公司Cadence、Synopsys和Mentor占据了全球EDA行业营收的70%以上。

EDA主要用于芯片设计，设计费用也不断持续增加，而且每一次技术精度的迭代，软件都会有30%-50%的代码需要重新编写，软件所形成的瓶颈是其关键限制因素。

国内软件企业比较擅长管理软件(比如办公软件、财税软件)，而工程软件弱势明显，目前，国内80%的规划软件、50%的制作软件、95%的效劳软件依然无法做到自主可控。

什么是工业软件？是指在工业领域里应用的软件，包括系统、应用、中间件、嵌入式等。一般来讲工业软件被划分为编程语言、系统软件、应用软件和介于这两者之间的中间件。其中系统软件为计算机使用提供最基本的功能，但是并不针对某一特定应用领域。而应用软件则恰好相反，不同的应用软件根据用户和所服务的领域提供不同的功能。

工业应用软件包括三大类：

1、支持产品研发创新的工具类和管理类软件，即产品创新数字化软件领域。

包括：1）CAD（计算机辅助设计，包括MCAD和ECAD，及计算机辅助机械和电气设计）；2）CAE（工程仿真）；3）CAM（计算机辅助制造，主要指数控编程软件）；4）CAPP（计算机辅助工艺规划）；5）EDA（电子设计自动化）；6）Digital manufacturing（数字化制造）；7）PDM/PLM（产品数据管理/产品全生命周期管理），

以及其他专用软件，比如公差分析、软件代码管理（CASE/ALM）、MRO（大修维护管理）、三维浏览器、实验数据管理、设计成本管理、设计质量管理、三维模型检查、可制造性分析等。

2、支持业务运营的各类管理软件领域（管理软件）

包括ERP（企业资源计划）、MES（制造执行系统）、CRM（客户关系管理）、SCM（供应链管理）、SRM（供应商关系管理）、EAM（企业资产管理）、HCM（人力资产管理）、BI（业务智能分析）、APS（先进生产排程）、QMS（质量管理系统）、PM（项目管理）、EMS（能源管理）、MDM（主数据管理）、LIMS（实验室管理）、BPM（业务流程管理）、协同办公与企业门户等。ERP是从MRP（物料需求计划）、MRPII（制造资源计划）发展起来的。

3、支持对设备和自动化产线进行管控、数据采集和安全运行的工控软件领域。