12月26日，毛澤東同志誕辰128周年，也是第6個中國制造日。

“中國制造日”，紀念中國制造業的締造者毛澤東。他指出改變經濟貧窮落后，被動挨打局面的唯一道路就是實現國家工業化。

中國制造業從東北車間里的金屬撞擊聲起步，在改革開放后機器轟鳴聲中壯大，如今站在2021年——十四五規劃的開局之年——幾代中國人從未停止努力，中國制造業作為立國之本、興國之器、強國之基日益強大。

70多年間，中國不屈不撓的努力，一步步實現自己的目標。1956年7月，長春一汽誕生了中國第一輛汽車。1970年，中國第一顆人造衛星飛天。而今，高鐵、鋰電池成為中國制造的新名片。

中國也成為世界上唯一一個擁有聯合國產業分類中所列全部工業門類的國家。

今天，中國制造業正處于往高端制造爬坡的關鍵時刻，也意味著中國要往技術、工藝高峰攀爬，其中之一，便是突破一些被卡脖子的領域。

立方知造局將從關鍵材料、核心元器件、先進工藝、產業基礎四個維度，梳理出2021年中國制造業在產、學、研上的17個新突破。

戰斗不息，突圍不止。中國制造業的任何故事，都蘊含同一個母題——

“早已森嚴壁壘，更加眾志成城”。

核心元器件

01. 芯片：湖南大學研究垂直晶體管加工，繞開光刻機限制

卡脖子，很多人的第一反應，是芯片。

中國芯片被卡脖子，因為高端光刻機和設計軟件被瓦森納協議禁售。如果無法突破或繞開壁壘，中國自主研發高端芯片將難以實現。

今年6月份，湖南大學在《自然·電子學》雜志上發表將芯片加工工藝的新思路——超短溝道垂直晶體管。

圖源：湖南大學

不同于芯片加工傳統工藝，晶體管之間平行擺放，當芯片到達3nm工藝時，縮短夠到長度越來越難，對光刻機的精度要求越高。如果采用垂直晶體管加工，能確保在溝道物理長度小至10nm，甚至5nm以下的同時，不需要依賴高精度光刻機。

目前臺灣省臺積電試產3nm制程手機芯片；PC端頭部廠商在7-10nm之間。而國內廠商如果采用全國產設備，只能生產90nm的產品。這或將為中國芯片行業提供一種新的生產加工思路。

中國已經提出2025年實現70%芯片自給率的目標。未來，28nm芯片將成為純國產芯片新起點。中國芯片逆水行舟，等待抵達突圍的港口。

02. 觸覺傳感器：

1. 國產力觸覺傳感器開發首款針灸仿真訓練系統

2. 多模式視觸覺傳感試驗產品誕生

觸覺傳感器能夠讓人與機器人協同交融地工作。

國產觸覺傳感器有兩個地方被卡脖子：生產工藝和材料純度。生產工藝上，國產一致性、穩定性差，傳感器中點與點性能無法做到一樣。材料純度上：石墨烯制作傳感器的技術還不成熟。

工業生產中，對擁有觸覺傳感器的機器人需求不斷增多，日企的陣列式傳感器單個高達10萬元，機器人企業成本壓力很大。

中國目前有100多家傳感器制造商，但大多從事氣體、溫度等傳感器。而真正的觸覺傳感器廠商，大多只能量產一點式傳感器，與國外陣列式差距很大。

圖源：pixabay

突圍，起于狹路。

2021年，上海昕觸與南京先端機器人合作開發世界首款針灸仿真訓練系統，采用力觸覺傳感技術。

中國科學院智能機器人系統研究部，利用光度立體算法，在多模式視觸覺傳感技術上取得進展，試驗產品為GelStereo系列。

觸覺傳感器已列入“中國制造2025”、國家科技創新規劃中，未來政策將繼續扶持，技術研發投入，我們等待著國內頭部廠商崛起，在那片日企壟斷的市場中，撕開一道裂口。

03. 激光雷達：中國制造登上自動駕駛汽車

激光雷達是自動駕駛汽車的眼睛。可以說，激光雷達直接決定自動駕駛的等級。

卡脖子的地方在于：多線數設備趨向芯片化；產品測距、精度等要求。追求100%國產，要解決芯片和技術上的難題。

激光雷達作為小眾行業，又是必需品，完全由賣方市場主導供應和價格。如果不能完全突破，國產汽車的成本、定價權將被國外廠商把控。

中國最早的16線產品于2016年推出，目前已有廠商走在芯片化布局前列，但零部件自研、高工藝制造等核心環節，即使是頭部廠商仍然面臨困難。

專精特新企業從來不會在突圍路上缺席。2021年，禾賽科技推出AT128——長距混合固態激光雷達。并和多個車廠合作，2022年出售的10多款激光雷達車型中，有三分之一搭載禾賽產品。

另一國產激光雷達代表企業鐳神智能，則在今年推出CH128X激光雷達，能適用于L3、L4級自動駕駛。

隨著自動駕駛技術的成熟與普及，L3及以上自動駕駛需要配備的激光雷達數量隨級別提升增加，L3級為 1 個，L4 級為 2-3 個，L5 級高達 4-6 個，利好國產激光雷達行業。

除了自動駕駛外，激光雷達還能在二氧化碳探測衛星、測繪、地質災害防治等熱點場景都能進行多樣化應用。

04. 銑刀：突破0.01mm

機床被稱作工業母機，而銑刀相當于“女媧”之手。

銑刀的原材料是超硬質合金，配比與合成都需要不斷試錯，在加工時又需要用到機床，容易陷入“死循環”。

中國在高端機床和銑刀上，要么受到瓦森納協議的禁售限制，要么面臨賣方單方面抬高售價。高精度的銑刀更是加工芯片時不可或缺的工具，一旦被卡住脖子，多條產業鏈都會面臨停擺。

中國對于銑刀、機床的研發從建國初期就已開始，但在小直徑、高精度的產品上，由于基礎材料和加工技術的限制，與國外還有差距。

2021年6月，中國五礦所下屬中鎢高新金州公司，成功突破0.01mm直徑銑刀，并且破解易折、難監控等難題。

2021年，中國新成立銑刀相關企業74家。銑刀和機床共生互補，未來仍會是我國技術突圍的主要目標。

05. 高壓柱塞泵：

1. 完成190排量高壓柱塞泵配流副關鍵技術研究

2. 開發出智能型電液一體多路閥先導控制模塊樣機

液壓元器件在工程機械中的地位，相當于集成電路領域的硅。

決定高壓柱塞泵產品成敗的是設備精密度和使用壽命。突破的難點一方面是工藝水平，一方面是材料選擇。

2021年，中聯重科開發出智能型電液一體多路閥先導控制模塊樣機；三一汽車制造有限公司已完成190排量高壓柱塞泵配流副關鍵技術研究。

高壓柱塞泵和汽車發動機一樣，研發、制造、應用規模越大，產品改進升級就越快，中國的市場優勢非常有利于這類產品發展。不斷普及的數字孿生和數字仿真技術也將起到關鍵作用。

06. 掘進機主軸承：完成2條主軸承生產線的工藝布局和設備選型

中國的掘進機已經是國際領先水平，但“心臟”部位——主軸承仍然依賴進口。由于掘進機惡劣的工作環境，對于軸承材料的剛度有很高要求；另一方面，這種軸承尺寸巨大且結構復雜，每個都需要上百道工序。

掘進機主軸承非常昂貴，中國每年生產450臺掘進機，進口軸承就要花費近10億元。而在技術沒有成熟的情況下，貿然使用國產替代品，一旦發生故障，造成的損失只會更大。

中國掘進機研發從2002年開始，通過并購德企，技術很快達到世界先進水平。但國外掘進機零部件的生產已近百年，對于主軸承這類核心零部件的生產經驗遠比中國豐富。

2021年，中國鐵建重工研發的“大型掘進機主軸承及數字仿真技術”，已完成2條主軸承生產線的工藝布局和設備選型，并且研制出直徑4.8m主軸承產品，以及大型工況模擬試驗臺。

目前國產掘進機主軸承理論技術已經齊備，量產只是時間問題。但后續的裝配、實驗以及維護保養等工作，仍然需要先進的工程機械經驗積累。

先進基礎工藝類

07. 光刻機：清華大學找到EUV光刻機的潛在光源SSMB

光刻機——半導體行業桂冠上的明珠，集合精密光學、精密儀器、高分子化學、物理、機械自動化軟件、高精度環境控制、流體力學等全球頂尖先進技術。

2020年，全球光刻機由荷蘭ASML、日本佳能和尼康壟斷，三者出貨量占比分別為62.47%、29.54%和7.51%。其中高端光刻機由ASML一家獨大。

一臺高端光刻機涉及超過10萬個零件，和全球5000多個供應商。國產光刻機的突圍之路，仍在進行中。

2021年，中國有一則關于光刻機的好消息。2月25日，清華大學工程物理系教授唐傳祥研究組聯合國外科研人員發布了一項重大科研成果：基于一種新型粒子加速器光源“穩態微聚束”（SSMB），能獲得高功率、高重頻、窄帶寬的相干輻射，波長可覆蓋從太赫茲到極紫外（EUV）波段。

大功率的EUV光源是EUV光刻機的核心基礎。隨著芯片工藝節點的不斷縮小，預計對EUV光源功率的要求將不斷提升，達到千瓦量級。

基于SSMB的EUV光源有望實現較大的平均功率，并具備向更短波長擴展的潛力，為大功率EUV光源的突破提供全新的解決思路。

這或將給光子科學研究提供新的機遇，助力中國EUV（極紫外）光刻機的自主研發。

08. 工業軟件：國內首款Linux系統3D CAD軟件發布

圖源：中望官網

曾有人用失落的30年，形容中國工業軟件行業。這是一段屢戰屢敗，卻又屢敗屢戰的故事。

研發設計類的CAD、EDA、CAE等高端工業軟件技術壁壘高，成為中國工業軟件短板。具體來看：

在CAD研發設計類軟件領域，法國達索、德國西門子、美國PTC以及美國Autodesk公司在我國市場占有率達90%以上。

CAE仿真軟件市場領域，美國ANSYS、ALTAIR、NASTRAN等公司占據了95%以上的市場份額。

目前，國內工業軟件企業寶信、石化盈科只在電力、鋼鐵冶金和石化等細分行業爭得一席之地，而用友、金蝶則在中低端業務管理領域，占得80%左右市場。

2021年，安靜的工業軟件領域被一則消息打破——中國第一家工業軟件A股上市公司中望發布3D 2022 Linux專業版。國內首款基于Linux系統的三維CAD軟件。

與此同時，各地政府也在扶持中國工業軟件企業。以上海為例，政策要求到2023年培育引進200以上工業軟件企業，培育10家左右上市企業，上海工業軟件規模突破500億元。

盡管這仍是一場任重道遠的戰役，但政策扶持下，失落30年的國產工業軟件，變軌至加速發展。

產業技術基礎類

09. 操作系統：鴻蒙亮相，首款量子計算機操作系統誕生

操作系統是管理計算機硬件與軟件資源的計算機程序。它對計算機的重要性，就像中樞系統之于人體，是一種接受用戶指令，并根據指令調度計算機硬軟件的系統。

目前，國產操作系統和蘋果、微軟、谷歌的系統，在技術上差距并不大。國產操作系統被卡脖子的主要原因在于：產業內資源分散，沒能形成完整的生態鏈和軟件適配。

國內目前沒能構建起一個包括硬件開發者、應用軟件開發者和用戶在內的上下游的產業空間。雖然國產系統發展已經有 20 多年發展歷史，但在主流市場的市占率均不到5%。

近年來，國內的計算機產業逐步意識到這個問題，凌亂分散的企業與產品開始步入整合階段。

今年的國產操作系統技術成果有兩大熱聞：我國發布首款國產量子計算機操作系統——本源司南；華為產品的全面“鴻蒙化”。

同時，京東、騰訊、聯通等互聯網及電商企業開始向云端化的操作系統發力，以處理日益膨脹的用戶數據和服務器操作；美的等傳統制造業廠家繼續布局IoT產品的操作系統搭建。

為了實現國產操作系統的推廣，今年不少公司都把重點放在了產品融合、終端適配、和其它行業的合作對接上。

截至2020年，我國操作系統市場規模達到26.68億元，正在以25.65%的年復合增長率高速增長。當前市場占比來看，麒麟軟件和統信軟件呈現兩強局面。在未來，華為、騰訊等巨型信創企業將為市場生態注入更多活力。

目前，國產操作系統已經超越可用的門檻，向好用發展。隨著國產智能產品的增加，國產操作系統在未來會獲得更多的應用場景，產業鏈內的合作將進一步加深。

10. 核心算法：掌握了AR-HUD核心算法

核心算法是指要實現某種軟件功能所必需的算法。信息通過數學模型，輸出為指令被執行，最終解決了使用環境的某個問題。

我國目前在核心算法上，和發達國家還有較大差距，尤其是機器學習相關的算法技術。主要原因在于，產業發展過度依賴開源代碼和現有數學模型，底層算法的研發力度不夠。

沒有高競爭力的核心算法，國產工業機器人就沒法完成復雜的動作序列，人工智能就沒法處理細分、專業的場景，這也意味著國產高端智能產品始終沒法落地。

近年來，針對性的核心算法研發越來越得到產業重視。6月17日，華陽集團表示，公司通過自主研發掌握了AR-HUD核心算法，并搭建了完整的AR-HUD功能實現的整套平臺，包括ADAS、儀表、車機、DMS等，將極大提升駕駛安全性和人機交互。

2021年，一共有6家操作系統及配套軟件公司注冊，位于廣東、江蘇、吉林、山東、山西。

未來，AI市場對大模型算法的需求將會進一步提高，常見開源框架的性能短板將會進一步暴露。

因此，持續底層投入的龍頭企業，將傾向于通過大模型的技術路線解決碎片化的問題。在中國，核心算法企業將形成一超多強的格局。

11. 高壓共軌系統：已實現批量生產

高壓共軌指的是在柴油發動機的內循環系統中，將噴射燃油的壓力和過程分開的一種供油方式，可以讓發動機的轉速不影響高壓油管的壓力。這種系統的好處，是可以降低油耗，讓車運行得更平穩、安靜。

相較于德、美、日等傳統汽車強國，我國在高壓共軌系統上落后，主要是因為產品在性能和質量上有差距，而這又是零件加工水平不高所決定的。

近些年，全國各地都在對國產共軌系統進行試驗應用。成都威特、遼陽新風、龍口龍泵、重慶重油、南岳電控等公司也都投入巨資在高壓共軌項目上，目前都已經實現批量生產。

今年11月，中國船舶集團旗下中國動力子公司河柴重工CHD620V16CR高壓共軌電推發電機組首次通過中國船級社（CCS）船檢試驗，機組將裝備某型60米綜合救援船。

未來，受益于排放標準的日益嚴苛，柴油機市場對于高壓共軌系統的需求將大幅提升。

12. 掃描電鏡：單月銷量達12臺

掃描電子顯微鏡是一種對材料的微觀結構進行觀測的儀器。它的可測樣品種類豐富，幾乎不污染原始樣品便可以獲得形貌、結構、成分和結晶學信息。

每年我國花費超過1億美元采購的幾百臺掃描電鏡中，主要產自美、日、德和捷克等國。國產掃描電鏡占的份額很小，約5%—10%。

主要的原因是，國產掃描電鏡在成像表現上不如進口電鏡。為了獲得較高的圖像分辨率，掃描電鏡匯聚的電子束的束斑直徑要盡可能細。在這方面，國內的電子光學系統技術還不足以產生這種極細的束斑。

同時，直接觀測非導電樣品，需要降低加速電壓。這樣的結果就是電子槍的亮度降低，色差增大。

掃描電鏡是材料科學領域的基礎儀器，70%—80%的學術論文都要用到掃描電鏡提供的信息。因此，國產替代的缺失，將導致材料學領域研究設備的不足，以及科研成本的提高。

以中科科儀為代表的國產科學儀器企業正在追趕。中科科儀于1975年成功研制我國第一臺掃描電鏡，進而是2014年的第一臺場發射槍掃描電鏡。目前國內的公司主要有中科科儀、聚束科技、國儀量子、澤攸科技和善時儀器等。

2021年11月，中科科儀掃描電鏡產品銷量再創新高，掃描電鏡單月銷量達12臺。

未來，國產電鏡的采購主體將仍然是高校、科研機構與研發型企業，每年市場的需求數量將穩中上升。

圖源 pixabay

13. 數據庫管理系統：多款數據庫管理系統發布

數據庫管理系統（DBMS）是一種管理、使用和維護數據的軟件。DBMS就像圖書管理員，按照特定的排列規則，來存書、取書。

目前全世界最流行的兩種DBMS是Oracle和MySQL，都是甲骨文公司旗下的產品。國產數據庫沒有占據主流市場，主要原因在于產品穩定性不足。

數據庫國產化的重要性是顯而易見的：不管是政府信息，還是商業數據，都需要掌握在自己手中，這樣才能夠保證系統的安全性。

數據時代要求的是全產業鏈的信息整合，以及跨產業鏈的信息交流。國產數據庫的挑戰在于：怎么能在破除數據孤島的同時，又保證關鍵信息的隱私強度。

近年來，一些國內的數據庫公司逐漸意識到軟件應該跟隨數據管理市場的發展而進行定向開發。今年，隨著黨政系統、金融系統、云系統對大數據處理的需要加大，與之配對的國產數據庫產品進入了快速更新階段。

關鍵材料

14. 高端軸承鋼 ：強力旋軋技術打破國外技術壟斷

高鐵、大飛機、重載型武器中的高端軸承，對精度、性能、壽命和可靠性等要求極高，需要高端軸承鋼作為原材料支撐。因此， 高端軸承鋼被稱為鋼中之王。

高端軸承鋼需要足夠的純凈度和均勻度，核心技術長期被國外壟斷。

例如，國外產品夾雜物尺寸完全小于等于10微米，而國內最大粒徑達到50—52微米，大小相差五倍之多 。

盡管中國軸承行業已形成近2000億元的行業規模，但國內企業生產的軸承多為中低端軸承和中小型軸承，而高端軸承往往需要向國外購買。

這一年，我們等來了好消息。2021年，西北工業大學材料學院劉東教授團隊研發的強力旋軋技術（PTR），突破了軸承鋼的“卡脖子”技術，打破了國外技術壟斷。

目前國內軸承鋼年產量約350萬噸，中國已成軸承鋼最大生產國，生產工藝與裝備以及產品質量已位居世界前列，軸承鋼出口量逐年上升。

15. 微球:行業巨頭納微科技上市，加快北美、印度子公司布局

微球，是一種比頭發絲還要細小很多的球形物質。現代產業中的生物制藥、醫療診斷、液晶顯示屏等，都離不開微球。

像芯片一樣，微球尺寸越小精度制造難度越大，且涉及到化學、生物、材料、化工等多領域交叉技術，門檻很高。幾乎所有高性能、高附加值納米微球材料都被國外壟斷：

用于液晶顯示的間隔物硅球全世界只有日本Ubo Nitto生產；

塑膠間隔物微球由日本 Sekisui和Hayakawa壟斷；

用于生物制藥的分離純化介質微球以及用于分析檢測的色譜柱硅膠填料微球則由歐美壟斷。

近年來中國微球相關企業日益增多，僅2021年就新增至少30家。

行業龍頭中，納微科技成立于2007年，經過十余年的研發與積累，建立了全面的微球精準制備技術研發、應用和產業化體系，打破了國外廠商對生物醫藥和平板顯示等領域關鍵材料的長期壟斷，已能夠推廣至歐洲、美國等發達市場。

2021年6月23日，納微科技在上海證券交易所科創板上市，發行4,400萬股用于：

研發中心及應用技術開發建設項目（新建研發大樓、研發實驗室，購置先進設備儀器）；海外研發和營銷中心建設項目（新設北美子公司，進一步建設印度子公司）；補充流動資金。

統計，2019年中國微球制劑市場規模達到50億元，預計到2024年規模將達到120億元，近五年的年均復合增長率為19.2%左右。

16 環氧樹脂 ：總產能達到235萬噸/年

環氧樹脂是一種熱固性塑料，具有優良的絕緣性能、力學性能及化學穩定性等，被廣泛用于黏合劑、涂料等領域。

2020年，我國環氧樹脂產能達215萬噸左右，占全球產能的45%左右，消費量為175萬噸，占全球消費量的50%以上，中國已是全球最大的環氧樹脂消費國和生產國。

不過問題也很明顯：中國普通環氧樹脂應用市場幾近飽和，開工率不足50%，而高端環氧樹脂則需求巨大，且大量依賴進口。

宏昌電子是國內第一家有能力生產高端電子級環氧樹脂的專業生產廠商，其高端電子級環氧樹脂可完全替代進口電子級環氧樹脂，填補中國在高端電子級環氧樹脂的空白，成功地降低了國內市場對進口產品的依賴。

2021年上半年，國內環氧樹脂產能有所增加，增加的基本為液體環氧樹脂裝置。截至6月底，中國環氧樹脂總產能達到235萬噸/年。2021年下半年環氧樹脂計劃新增產能51.5萬噸，產能繼續擴大。

在碳達峰、碳中和背景下，風電行業發展有望大幅拉動環氧樹脂需求增長。

17. 光刻膠 ：ArF光刻膠試生產

光刻膠，芯片制造過程中，讓設計圖形嵌刻在晶圓上的核心材料。光刻膠主要由成膜劑、光敏劑、溶劑和添加劑等主要化學品成分和其他助劑組成，除了半導體行業，還能用在PCB、面板等領域。

在這個勞動、資本及技術密集的行業中，是先發優勢，讓日本企業掌握核心技術。單JSR、東京應化、信越化學及富士膠片四家企業，便在2020年占據全球70%以上的市場份額。

包括彤程新材（北京科華）、晶瑞電材、南大光電、上海新陽、廣信材料、華懋科技等中國企業試圖在日企壟斷的市場中，撕開一道裂口。但目前產品主要還是集中在中低端市場。高端光刻膠基本仍依賴進口。

今年，“20余家企業包機‘團購’光刻膠”的新聞折射出高端光刻膠還未實現國產時的某種焦慮。但不到太悲觀。

目前，在國家政策與“02 專項”等扶持項目的支持下，中國半導體光刻膠逐漸實現技術突破。

各類光刻膠國產化階段 制表：立方知造局

就在12月24日，南大北電稱，公司ArF光刻膠生產線在進行試生產，試生產情況穩定，但尚未開始規模量產。

這說明，國產光刻膠往高端邁進的慣性，正在加大。

尾聲

2021年中國制造業的17條軌跡，流向同一個方向——在理論、技術中突破，從試產、量產中積累經驗，最終走出被卡脖子的局面。

70多年前，這條道路已被預判。1949年9月，毛澤東在第一次中國人民政治協商會議第一屆全體會議上說：

“中國人從來就是一個偉大的勇敢的勤勞的民族，只是在近代是落伍了。”

“我們面前的困難是有的，而且是很多的，但是我們確信：一切困難都將被全國人民的英勇奮斗所戰勝。中國人民已經具有戰勝困難的極其豐富的經驗。”

“讓他們去說我們這也不行那也不行罷，中國人民的不屈不撓的努力必將穩步地達到自己的目的。”