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C919起飞了,国产芯片行业呢?

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发表于 2023-6-2 23:21:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
C919起飞了,国产芯片行业呢?

5月28日,国产大飞机成功商业载客飞行。对此,中国商飞副总经理魏应彪表示,“历经几代人的努力,我国民航运输市场首次拥有了中国自主研发的喷气式干线飞机,大飞机事业已经迈入规模化系列化发展新征程。”
国外媒体将C919的首次商业飞行称为,“中国数十年与西方对手在空中展开竞争的里程碑事件”。产业相信国产大飞机的商用,是高端制造业崛起的开端。
提到高端制造业,又不得不想到芯片制造。同样是产业链极其庞大,同样被国外厂商高度垄断,高端芯片制造也是我国当前重点关注的问题。那么造芯片和造飞机哪个更复杂?造飞机已经成功了,造(高端)芯片还会远吗?
01
造飞机难在哪里?
想要研制出一台大型客机,涉及动力、控制、航电、液压等系统工程,飞机要经过可靠性、承力强度、飞行过程中适应硬力变形的能力等重重考验。
C919实现了接近60%的国产化率,其中结构系统36%,发动机系统22%、航电系统17%、机电系统13%等,其余12%为起落架、液压、燃油及环控系统。
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造一个大飞机零部件,要考虑材料、技术、设计等等问题。以在航空发动机中,最核心、加工生产难度最大的部件涡轮叶片为例,涡轮叶片的性能很大程度上决定了航空发动机的涡轮前温度,而这一技术指标是航空发动机划代的重要依据。
涡轮叶片工作环境极其恶劣,要考虑到防水、小冰雹或者小石子种种可能的危害。一万米高空温度会低于摄氏零下40摄氏度,而飞机点火的核心位置高达上千度的高温。所以航空发动机的材料必须耐低温又耐高温,抗胀又抗缩,且能够长时间在高温、高压的环境下保持数万转的高速转动。
高温、高压、高转速、长时间运行,这样苛刻的要求已经不是单靠材料性能提升所能解决的了,涡轮前温度的提高需要材料性能和冷却技术的同时提升。而一架飞机可以拆解出上万个部件,在设计、制造过程中的工程量之大不难想象。
航空航天产品的开发,特点是重资产、投资大、周期漫长、工程实践复杂。客观事实上讲,相对于国外,我国的起步较晚,要追赶的环节有许多。可以看到,C919仍有一部分产品需要进口。
造飞机很难,不过有趣的是,相对于飞机的动力系统,飞机上的芯片是相对容易攻克的产品。
02
飞机用芯片:需求量小,需要成熟制程
在集成电路出现之前,航空业一直在努力利用计算机行业的技术进步,这导致计算机的尺寸越来越大。这是集成电路发明背后的推动力之一。随着集成电路被发明,美国空军首先使用了相关产品,十年后商用航空也紧随其后。
飞机用芯片主要用在导航系统、通信系统、控制系统中。
半导体在航空领域最重要的应用之一是导航系统。全球定位系统 (GPS) 导航是现代飞机的重要组成部分,它在很大程度上依赖于半导体。GPS 接收器使用半导体来放大和处理来自卫星的信号,然后使用这些信号来确定飞机的位置和行进方向。
半导体在航空领域的另一个重要应用是通信系统。无线电通信在包机中至关重要,它被用于从空中交通管制到飞行员与飞行员之间的通信的方方面面。它们用于为无线电设备供电以及处理和放大传输和接收的信号。
飞机的飞行控制系统依靠半导体来处理来自传感器的信号,这些传感器检测飞机的速度、高度和方向。然后,控制系统使用此信息来调整飞机的飞行路径,并在包机服务期间使其保持在航线上。如果没有半导体,飞行控制系统将无法处理运行所需的大量数据,飞机也无法安全飞行。
总的来说,单架飞机对芯片的需求量较小,生产一架飞机只需要1,000个芯片左右,主要用于航电系统、发动机控制系统、客舱系统等。芯片在飞机上的使用寿命非常长,飞机退役前基本无需更换。即使需要升级,大多数时候也是进行软件升级,不用在硬件层面对芯片进行更换。
同时,安装在飞机上的芯片更换需要经历复杂的认证流程,耗时长、成本高。虽然芯片行业一直强调速度和功率,但不同的行业会有不同的需求。在航空业,使用成熟制程的半导体产品更适合项目的需要。
值得骄傲的是,C919已经用上了一些国产芯片。
C919的网络通信类的机载总线交换芯片来自紫光国微。紫光国微的特种集成电路业务包括研发、生产与销售,产品涵盖高性能微处理器、高性能可编程器件、存储类器件、总线器件、接口驱动器件、电源芯片六大系列,主要应用于航空及其他一些对产品稳定性、可靠性有极高要求的行业领域。
C919使用的航电专用GPU也来自国产半导体公司。翔腾微电子自主研制国产GPU通过了大飞机C919联试验证,它是翔腾公司面向航空应用、兼顾多领域嵌入式图形处理应用的第一款GPU,算法、架构、指令集、软件生态全部自主正向设计,具有完全自主的指令架构、核心算法、图形流水、软硬件代码及生态,面向典型机载座舱显示进行了应用级、算法级、架构级、电路级、软件级等系列优化。
03
由国产大飞机起飞想到的
造飞机和制造芯片都是我国正在追赶且重视的任务,两者也有一些相似之处。
材料方面,无论是飞机使用的核心材料,还是芯片制造中使用的材料,国产厂商都在追赶中。
制造飞机的材料仍受制于基础材料领域的局限,国产大飞机身上各种零部件所用材料很多都要从国外引进。引进材料价格昂贵不说,出于技术保护的考虑,外国公司可能不卖给我国,所以一些材料还要从0开始自主研发。
芯片材料方面,我国仍处于发展阶段。以最受关注的光刻胶为例,全球市场为美日公司所垄断,CR5高达87%,行业集中度较高。其中,日本四巨头JSR、东京应化、日本信越与富士电子市占率总和达到72%。
从研发成本来看,两者都需要相当高的研发费用,由于芯片行业更新速度更快,相对来说芯片行业每年的研发成本更高。
2022年英国罗尔斯-罗伊斯(罗罗)的研发费用为13亿英镑。作为对比,2021年中芯国际的研发达到了7.3亿美元。根据IC Insights发布的一份报告,全球半导体公司的研发支出在2021年达到创纪录的714亿美元,增长13%;同时预计2022年全球半导体研发支出可能达到805亿美元。
芯片制造和飞机制造的主要区别之一是芯片市场更加庞大,这也让芯片公司更受市场和投资者的关注。从市场层面看,波音公司的市值为1287.48亿美元(6月1日数据);作为对比近日英伟达的市值突破一万亿。两者的差距很大一部分原因是,飞机产业链上的公司他们的客户比较单一,而芯片可以应用的市场巨大。
在人工智能、云计算、物联网、智能汽车、工业互联网等新兴应用的驱动下,2023年全球芯片市场规模有望达到5393.9亿美元。
这样对比之下,似乎芯片产业的国产之路更加漫长且艰难,但国产大飞机的实现有一些经验值得芯片行业思考。
首先,我们不难发现,其实国产大飞机中也有一些零部件来自其他国家,也有一些产品是我国与外国公司的合资企业生产的。对于芯片行业来说,复杂庞大的产业链决定了全球化的必然性。任何一个国家都不可能凭借一己之力生产出一款芯片,更何况随着芯片的应用领域越来越多,类型越来越复杂,想要依靠一个国家的力量实现半导体的自给自足,可以说难上加难。从这一角度来讲,国内的芯片行业依旧应该保持开放心态,在某些领域发力,而不是做全而浅的努力。
其次,大飞机的国产化离不开校企合作。东华大学参加大飞机材料研发的团队曾经表示,在攻克难题的阶段,中国商飞与课题组实现了高效的合作。中国商飞并没有使用签约的方式,而是通过派遣技术设计人员驻扎在课题组,校企两方一起搞研发。这种校企合作的模式,也是芯片行业可以参考的。当下,芯片行业技术领域校企合作越来越受重视,探索出高效的合作模式也是芯片产业和高校方都在倡导的。
国产大飞机历时16年的研发证明了坚持的力量,虽然芯片行业面前依旧有重重考验,但耐心与坚守会给出答案。


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