从芯片之争 忆材料之争往事

0119年前的一封信

2001年1月，时任北京市人大代表的罗益锋先生在全国人民代表大会召开前，揣着一封信件轻车熟路地来到中央领导休息室门外。
大家都在好奇这个素有“议案大王”之称的人大代表这次又准备提出什么建议。
罗益锋没和任何人做过多交流，他这次要提的建议跟往年都不一样。
“我走到中央领导的休息室，就是后来秘书局的局长，我说有两个院士，跟我说要向中央提交一个很重要的建议。他说什么建议？我说就是呼吁碳纤维，太重要了！”
其后，这封信被递交到时任国家领导人手上。这是我国有史以来，材料“上达天听”的少有案例。
但鲜为人知的是，这封信在提到碳纤维窘境的同时，也明确表示微电子芯片有待大力发展。
“我国国防科技存在两个隐患，一是微电子芯片落后，一是高性能碳纤维的生产不能立足国内。”
△ 信件明确提到不能自主生产的微电子芯片与高性能碳纤维是重大隐患
来源于《师昌绪与中国新材料产业》
这封信的执笔正是我国著名的战略科学家、两院院士师昌绪先生。出生于1918年的师昌绪院士，此时已是一位耄耋老者。
在当时的国人看来，这种超前的战略眼光不可谓不犀利，甚至有点“危言耸听”。但如果我们跟随师老的步伐，回顾我国不同时期材料“卡脖子”事件，也许就能理解他老人家的肺腑之言。
02

“中国材料科学之父”艰辛回国路

1952年，美国司法部长的办公桌上，摆放了一份名单，这是明令禁止回到中国的35名学者。对于国防来说，这份名单上的每个名字，大概都可以抵上一支军队。
比如：“中国航天之父”钱学森、“中国力学之父”钱伟长、“中国原子弹之父”钱三强，紧随“三钱”之后的，是一个对大多数人来说略为陌生的名字——师昌绪。
△ 这个国字脸的年轻学者，后来成为了“中国材料科学之父”
图片来源于《波士顿环球报》
那个时代的学者，大多出身书香门第，师昌绪也是如此。后来，抗战爆发，家境中落。斩断了师昌绪富家子弟的人生轨迹，却也激发起了他的满腔热忱。师昌绪选择了“实业救国”。 1937年，“七七事变”爆发，19岁的师昌绪开始了流亡，1948年他赴美留学。师昌绪天赋极高，不到1年时间，就拿到了密苏里大学冶金专业的硕士学位，又用了2年时间在欧特丹大学得到了博士学位。
随后，师昌绪在麻省理工担任博士后。仅三年时间，他就取得了重大突破。基于他的研究成果，开发出了被称为300M的超高强度钢，这种钢材兼具强度与韧性，随后被大规模用在飞机起落架上。
学有所成的师昌绪热切盼望回到东方故土，早前新中国的成立更加坚定了他的回国信念。
在麻省理工学院工作之余，师昌绪的时间、精力和金钱大都花在了争取回国上。而他争取回国的历程，简直就是一场“战争”！
1952年，美国司法部长的办公桌上，摆放了一份名单，这是明令禁止回到中国的35名学者。
1953年夏天，师昌绪以组织夏令营的名义，把中国留学生聚在一起，共同商量争取回国的对策，并向时任国家总理写了一封求助信。师昌绪利用和印度大使馆的旧交，把信件转交给了中国政府。
次年5月，在日内瓦国际会议上，这封信成为中国抗议美国政府无理扣压中国留学生回国的重要依据，周恩来总理向美国政府提出了严正抗议。
紧接着，师昌绪等中国留学生集体写了一封致美国总统的公开信，还自费购买了一台旧油印机印刷了2000份，再由他和另两位留学生秘密分发。
其后，美国报纸大篇幅报道了禁止返回中国的35位学者。
1954年12月，在美国波士顿到纽约的火车上，列车员仔细端详师昌绪之后问：你为什么要回国？师昌绪被这突如其来的问题问懵了，他有些紧张地抓紧了身边两个大皮箱，那里面塞满了他亲手油印、准备到纽约散发的致美国总统艾森豪威尔的公开信。
后来，他才知道，在那一天的《波士顿环球报》上他的大幅照片竟被印在了头版头条，一时成为轰动美国的“名人”！
美国列车司机实在不能理解眼前这个中国小伙子的决定：放弃美国前途无限的科研事业，放弃稳定舒适的生活和令人艳羡的社会地位，拼了命也要回到一穷二白的中国？
对师昌绪表示不理解的还有他的主管科恩教授。
科恩从报纸上得知师昌绪想回国，他便当面询问缘由，并表示如果嫌待遇低、职位低，他都可帮忙解决。
但师昌绪回答：“像我这样的人，在美国比比皆是，但现在的中国需要我这样的人，我是中国人，应该回去帮助建设中国。”
留学生们3年的回国斗争最终取得了胜利。
1955年7月的一个早晨，“克里夫兰号”客轮从旧金山码头迎着朝阳起航。37岁的师昌绪站在甲板上望着无垠的大海万分激动：他终于踏上了归国之路！
半个世纪后的2011年1月14日上午，人民大会堂内，一位皓首老者缓步走上主席台，当时任国家最高领导人胡锦涛将国家最高科技奖获奖证书授予这位老人时，现场热烈掌声经久不息。在全场目光和镜头的聚焦下，这位91岁的老人笑得平静而坦然。
这位老人就是“两院”资深院士、著名材料学家师昌绪。他不仅是我国材料科学与技术界的一代宗师，更是推动我国材料科学发展的杰出管理者和科技战略家，可谓“中国材料科学之父”。
03

高温合金叶片：

诟病已久的航空发动机关键材料

回国后，让师昌绪崭露头角的是高温合金材料，也就是航空发动机的关键材料。
上世纪五六十年代，伴随着紧张的国际局势，我国决定发展航空航天事业。

图片来源于图虫创意
当时，高温合金是航空、航天与原子能工业发展中必不可少的材料。中国既缺镍无铬，又受到国际封锁，高温合金的推广与生产看起来前途渺茫。
1964年的一个晚上，时任航空研究院副总工程师荣科走进师昌绪的家里，在微弱的灯光下，交给他一项艰巨任务。
彼时，中国正在自行设计新型歼击机，为了提高发动机的推力，当务之急是要铸造高温合金空心涡轮叶片。
如果说，航空发动机是现代工业的“皇冠”，那么，涡轮叶片无疑就是“皇冠上的明珠”。这颗“明珠”的制造技术只有少数几个国家掌握，并对技术严格保密。
其实，师昌绪的专长在于物理冶金，但坚信“中国人又不比美国人笨，为什么做不出来”的他毅然接下了这个重任。
师昌绪带领团队，几乎走遍全国的特殊钢厂和航空发动机厂，克服种种困难，历时两年零一个月，终于研制出了第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片。中国成为世界上少数掌握这项尖端技术的国家之一。
△ 空心涡轮叶片
来源于《师昌绪与中国新材料产业》
但让人疑惑的是，时至今日，航空发动机仍然是我国航空事业的一块心病。
其实，根源还是在于材料。
在早期的涡轮喷气发动机时代，涡轮前温度较低，高温镍合金（能够承受1000℃左右高温）是可以对付的。但到了涡扇发动机时代，在燃油利用率和推重比大幅提高的同时，涡轮前温度也更高了。
高温镍合金叶片根本扛不住高温和压力发生变形。这会带来很严重的后果，比如涡轮叶片发生断裂、叶片飞出损伤机匣等，危及飞机安全。
研发出具备高耐热性和高抗变形性的涡轮叶片，成为摆在各国研发人员面前的重要问题。
涡轮叶片处于航空发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是航空产品的第一关键零件。以F-22的发动机F-119为例，其直径仅1.168米，却需要提供15.6吨的推力。
在飞行中，其涡轮和风扇除了承受极大的压力，还需忍受高温的熬煎。在飞机高速飞行时，F-119的发动机涡轮前温度可高达1977K（约1700摄氏度）。
因此，选择合适的材料来制造涡轮叶片至关重要。而拥有强大性能的铼（lái），正是制造涡轮叶片的首选材料。
铼，素有“航空发动机的壮骨粉”之称。把铼加入到镍基超级合金中，只需一点点，就能大幅提高涡轮叶片的抗蠕变性，同时还能提高叶片的抗氧化和抗疲劳性能。目前，全球约80%的铼都被用于生产航空发动机的单晶叶片。
但由于欧美长期对我国实行技术封锁，“铼”成为长期掣肘我国航空发动机研发的瓶颈问题。
西方分析人士认为：如果中国把铼运用到航空发动机领域，并取得技术突破，就会打破美欧对该领域技术的垄断。
在吃霉大米的年代里，师昌绪让中国航空发动机开启了华丽篇章，但在和平年代，由于对核心关键材料的忽视，航空发动机却再次成我国航空工业中的一个短板，并一再被国人诟病。
这不得不让人感怀。
04

碳纤维：重燃曾被搁浅的火炬

碳纤维，是另一种决定航空航天、国防军工事业发展高度的国家战略性新兴材料。
而将碳纤维推到国家战略高度的，正是2001年师昌绪写给中央领导人的那封信。
其实，中国碳纤维研究始于60年代初，基本与世界同步。但由于当时国际环境恶劣，且西方对于碳纤维这种军民两用技术对中国高度技术封锁，加上国内资源紧张，碳纤维的相关研究工作进展相对有限。（高端材料封锁并不是现在才有的事）

图片来源于新材料在线®
1975年11月，时任国防科工委主任的张爱萍将军在其主持的“7511”会议上，将PAN碳纤维确定为战略核武器的关键材料，联合20多家研究所和企业共同攻关，终于解决了有无的问题。
在之后的几年里，国家累计投入2600多万元，用于碳纤维的研发和生产，一定程度上满足了部分国防军工的需求，但也存在诸多问题。
但由于种种原因，“7511”会议之后的20多年里，中国碳纤维行业一直找不到一个有序发展的技术途径。很长一段时间，碳纤维行业都徘徊在沉寂期里。
1999年，南斯拉夫科索沃战争爆发。这是一场高技术局部战争。国内专家意识到，作为重要军事武器的原材料——碳纤维的重要性，以及研制高性能碳纤维的紧迫性。
新世纪之交，国际局势阴晴不定，海峡两岸也风起云涌。碳纤维一方面面临严格的国际封锁，另一方面让人忧心的是，国产碳纤维性能不稳定，无法满足军方要求。
时任中科院化学所研究员徐坚教授回忆道：“什么叫做‘卡脖子’，这才是真正的‘卡脖子’，国际局势那么紧张，我们的军机战机却因缺乏高性能碳纤维只得停工待料。”
不仅仅是军工层面的高端碳纤维，即使是低端民用碳纤维，也处处受制于人。
威海光威复材的首席科学家李书乡谈起那段岁月，仍心有余悸，“‘通知性涨价’‘赏赐性供给’，我们下游产业链全被‘卡脖子’，这种情况下，我们不得不开始自己造碳纤维。”
在这种内忧外患的情形下，此前与碳纤维及复合材料并无太多牵涉的师昌绪坚定地站了出来，这也就有了开篇罗益锋在全国人大中央领导休息室递交信件的故事。
师昌绪在这份《关于加速开发高性能碳纤维的请示报告》中言辞恳切地表示：“我国自60年代研究碳纤维以来，始终毫无起色，但碳纤维是发展先进歼击机和导弹所必须的复合材料的重要组成部分，工业先进国家长期对我实行封锁，因而高性能碳纤维的生产必须立足国内！”
这封信先后转送到科技部、国防科工委等部门。经研究，科技部随即将碳纤维的开发和应用列入“S-863”计划中，并投入1亿元进行技术攻关。
中国碳纤维的发展之炬，在沉寂二十余年后，终于被一个战略科学家重新点燃了！
至此，我国开始高度重视碳纤维的研制，一批批优秀的“碳纤维报国”企业家不断涌现出来。
但与之相随的，则是类似于“孟晚舟事件”针对中国碳纤维技术封锁而衍生的骇人听闻的国际间谍报道层出不穷。


·2015年5月26日，日本《读卖新闻》报道：3名日本商人因对华出口碳纤维被捕。兵库县警方当日以涉嫌非法出口管制商品的罪名逮捕3名日本人。嫌犯包括75岁的Poly-Chemicals公司董事长近藤正二。《读卖新闻》称，碳纤维可用于制造武器，一定强度以上的碳纤维需要获得经济产业省批准才能出口。近藤正二等3人涉嫌以向韩国光州市某企业出口的名义申请到了出口许可证，并于2011年借道韩国釜山，向中国出口总长数千米的碳纤维材料。 · 据美国媒体报道，2012年，一名叫做张明顺(音译)的中国公民被指控非法向中国出口M60JB碳纤维。 · 2013年12月，综合外媒报道，中国商人在美国遭遇“钓鱼执法”，酿成又一起“中国间谍案”。一中国男子因非法采购航天级碳纤维在美国被判近5年。
横跨半个多世纪，经过几代人的攻关进取，中国碳纤维历经几度沉浮，终于逐渐摆脱了当年停工待料那般迫在眉睫的危机。
但21年前那虚惊一场的紧张时局，至今想起仍后背发凉。
2013年，年事已高的师老身体每况愈下，但躺在病床的师老在少有的清醒时刻，仍不忘咨询国产碳纤维的研究发展进度，尤其是高性能碳纤维。
“到后来师老已经说不了话，但每次听我们汇报碳纤维又有新突破时，他就微微点头，有时精神好点就像个孩子一样，认真地听着，不时露出一个微笑。”
但让徐坚感到遗憾的是，师老没有等到碳纤维T800突破成功的消息，“如果老先生能再等3-5个月就好了。”
05

半导体材料：芯片之争，就是材料之争

航天材料的迫在眉睫，让大家对其它尚能进口的材料失去警觉。
当年，师老在提出微电子芯片材料是国防科技的隐患之一时，并不是没有意识到芯片的战略意义，但自主研发芯片的迫切性毕竟还有缓冲区。
但在后来的一系列封锁看来，芯片的战争早已进入白热化状态。
作为高科技发展的要素，超级计算机早已成为世界各国经济和国防方面的竞争利器。经过我国科技工作者几十年不懈地努力, 我国的高性能计算机研制水平显著提高，成为继美国、日本之后的第三大高性能计算机研制生产国。
中国超算的快速发展让美国感到了巨大威胁。
2015年，美国再次以瓦森纳协定为理由，对中国禁售英特尔至强处理器，因为当年霸占超级计算机排行榜第一的，正是中国使用英特尔处理器而造出来的天河二号。
没有了英特尔的芯片，国内的超算研究似乎被极大地限制了。
幸运的是，中国似乎早就意识到会有这一天，因此国内的申威芯片项目在2006年就启动了。国防科大也先后对外发布了“火星”和矩阵2000。
2016年超算榜单出炉，中国超算“神威·太湖之光”问鼎全球超算500强榜首，使用了4万颗申威26010处理器的神威·太湖之光，还一举拿下了超算界当年的诺贝尔奖——戈登贝尔奖。（这个奖项在30年里一直被美日垄断，中国夺冠的意义，不言而喻。）
超算失利，通讯成为下一个狙击目标。
2016年3月7日，BIS将中兴通讯及其附属的三家公司列入“实体清单”，禁止美国企业及代理美国产品、技术的厂商向中兴通讯出口相关的技术和产品。一年后（2017年3月），美方将中兴移出“实体清单”。
美国放过中兴不是没有条件的，除了数十亿美元的巨额罚款和保证金，并作为贸易谈判的筹码，美国在中兴内部设立美国合规官员，用来监督中兴是否遵守了美国的法规。美方人员进驻中兴，对其所有的经营行为进行审核监督，并设立专门的账户随时检查。
人在屋檐下，不得不低头。
数据显示，中兴的智能手机和电信网络设备等产品中有25%-30%的零部件来源于美国供应商，包括基带芯片、射频芯片、存储、光器件等。
2018年4月16日，美国商务部再次对中兴发起制裁，措施包括禁止美国公司向中兴销售零部件、商品、软件和技术以及“天价”罚款。
中兴短期内难以找到替代品，订单交付、新订单获取、回款都受到严重的影响。
改革开放四十年来，中国在科技领域取得了长足进步，但芯片一直是中国工业体系中的短板。中兴事件，彻底暴露中国芯片产业的软肋，同时也为过度依赖外国技术供应链的现象敲响了警钟。
至此，从中兴开始的“芯片之争”正式走向前台。
国家新材料产业发展专家咨询委员会主任干勇院士一语中的地提出：“芯片之争，就是材料之争。”
新一轮的材料之争似乎更明朗了。
当地时间2019年5月16日早间，BIS将华为列入“实体名单”。
次日凌晨，华为海思总裁何庭波紧急发出内部邮件:“今后的路，不会再有另一个十年来打造备胎然后再换胎了，缓冲区已经消失，每一个新产品一出生，将必须同步‘科技自立’的方案。”
在中国相对落后的芯片产业中，华为海思半导体走在了前列。据研究调查机构IC Insights的数据显示，2019年第一季度，华为海思以17.55亿美元的销售额，成功跻身全球前15大半导体厂商。
海思芯片的科技自立之路依然道阻且长。在何庭波发文后的随后几天，国外针对华为的封锁愈加步步紧逼，苹果、谷歌、ARM、微软（这个名单还在不停增长）等国际巨头企业先后对华为“开刀”。
华为正在打造的“中国芯”今后的路或将愈加步履维艰。
据悉，电子信息产业元器件生产需要数十种材料，缺一不可，且大多数材料具备极高的技术壁垒，因此材料企业在电子信息行业中占据着至关重要的地位。而日本在硅晶圆、合成半导体晶圆、光罩、光刻胶、药业、靶材料、保护涂膜、引线架、陶瓷板塑料板、TAB/COF、焊线、封装材料等14种重要材料方面均占有60%及以上的份额，在全球范围内长期保持着绝对优势。与此相对应的是，我国在大多领域尚处空白。
目前，国际上的高端芯片基本由美国垄断，韩国和日本拥有部分中端芯片，而国内的高端芯片则基本完全依赖进口；此外，在芯片生产这个关键环节，中国内地领先的中芯国际比起台积电和韩国三星等厂商还足足落后两代。
邬贺铨院士在谈到中国芯片产业长期势弱的问题时，坦言“一方面是之前我们并没有把芯片提到国家核心竞争力的高度来认识；另一方面，全球化供应链的便利使得我们没有下决心在这个领域多做投入。”
“一定意义上你拿到全球化供应链这个好处，也丧失了自己独立开发的意愿。”但如今看来，中国芯片已然成为另一个迫在眉睫的材料之争的故事了。
06

材料自强不是只争朝夕

根据最新消息，继中兴、华为及28家中企之后，美国商务部再度出手，将33家中企、机构列入”实体清单”。
一大批高新技术企业相继被美国商务部盯上。而这一切，从1996年《瓦森纳协定》签订之日起，就属预料之中了。
1952年，巴黎统筹委员会专门为中国成立了一个“中国委员会”，用于执行针对中国的禁运和封锁。而后，巴黎统筹委员会随着冷战结束而于1994年正式解散，但是17个原巴统成员国和其它11个国家随后于1995年在荷兰瓦森纳召开会议，并于次年在奥地利首都维也纳签署了《瓦森纳协定》，宣布基于“自愿”的原则限制军民两用商品和技术、军品和技术的扩散，其物项内容大部分继承自巴统，而中国则被赫然列入了被封锁的国家名单之中。
自90年代以来，工业发达国家进一步加强了对华的各种禁运和封锁，很多原有物项的封锁和禁运仍未解除，而诸多新的物项却被加入到封锁的名录中去。特别是对于涉及国防、航空航天、电子信息、冶金材料等高精尖领域的技术，西方诸国更是死守严防。
2018年8月1日，美国商务部工业与安全局（BIS）以国家安全和外交利益为由，将44家中国企业（8个实体加36个附属机构）列入出口管制“实体清单”。
这44家中国企业新增至的《出口管理条例》（EAR）中，名单内的中国企业数量此前就已经长达将近20页，包括了中国运载火箭技术研究院、中国电子科技集团等众多军工集团，甚至连北京航空航天大学等高校也在其列。
那年被新增到实体名单中的也包含中国电子科技集团公司第十三研究所。十三所自建所以来的50多年里，在半导体领域先后创造了54项国内第一，如中国第一只锗合金晶体管（1956年）、第一只硅超高频晶体管和第一块硅集成电路（1965年）、第一只砷化镓微波场效应晶体管（1977年）、第一只长波长半导体激光器（1980年）、第一块砷化镓集成电路（1982年）、第一只宽禁带氮化镓功率器件（2004年）等。
技术之争不在一时，材料自强更不是只争朝夕。
当科技之争的核心比拼被层层剥开，当科技瓶颈日渐凸显，当生产技术的天花板清晰可见，材料，尤其是核心关键材料的竞争就成为稀缺资源。
60多年前的那个早晨，师昌绪满心欢喜地登上回国邮轮，在实业救国、科技创新的时代潮流中，当时的他可能永远都不会想到，出身冶金专业的自己，今后的大半辈子都投身在高温合金材料、腐蚀防护材料、生物医用材料等新兴材料开疆拓土的战斗中，并一生致力于中国材料发展的战略布局。
“以史为镜，可以知兴替。”
从一代材料宗师走过的旅程以及他对材料战略的超前布局来看，“材料之争”或许才刚刚开始。
注：本文关于师昌绪回国部分素材参考北洋君的《今天请记住师昌绪！他曾"大闹美国"上了头条，助推中国战斗机起飞！》
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