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全球顶尖技术分别掌握在哪些国家手里?

2021-11-22 15:39     来源:上海华略智库     质子治疗X射线自由电子激光

当前,科技创新正成为大国博弈的主战场,而在顶尖技术上的“科技秀”无疑是国家实力的硬核彰显。本文将聚焦47个领域的全球顶尖技术,并对其技术掌握国家进行详细分析。在美日占据绝对主导地位的现状下,中国的前沿科技创新近年来成果不断涌现的同时,更应客观研判与发达国家的实际差距。

01

——半导体加工设备

基本被日本、美国霸占。目前蚀刻设备精度最高的是日立。比如东丽、帝人的炭纤维,超高精密仪器、数控机床、光栅刻画机、光刻机(ASML)等等,这些是美日严格限制出口的。

一块CPU要制造出来,需要N多设备和材料。全球前十大半导体设备生产商中,有美国企业4家、日本企业5家。

——半导体材料生产

半导体芯片需要19种必须材料,缺一不可,且大多数材料具备极高的技术壁垒,因此半导体材料企业在半导体行业中占据着至关重要的地位。

而日本企业在硅晶圆、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50%及以上的份额。

日本半导体材料行业在全球范围内长期保持着绝对优势。全球70%的半导体硅材料,都是由日本信越化学提供。

——超高精度机床

超高精度机床和材料学并为工业之母。这一领域是日本、德国、瑞士的天下,其中日本更是领先世界一大截。

世界最高精度机床主轴来自日本精工,美国F22猛禽战机就用日本机床SNK(新日本工机)的5轴龙镗铣。

全球超精密加工领域中精度最高的母机,来自于日本捷太科特Jtket的AHN15-3D自由曲面金刚石加工机,此设备主要用来对各种光学镜头和蓝光镜片模具进行超精密车削及研磨。

全球70%的精密机床都搭载着由日本Metrol研制的世界最高精度的微米级全自动对刀仪。

中国高精尖科研设备铜材主要提供商、国家重点扶持机构中铝洛铜向日本生田产机购买一整条伸铜双面铣面切削生产线;世界几乎所有汽车品牌上的铜材加工都要利用生田产机的设备完成。

——工业机器人

工业机器人是未来50年全球大力发展的产业,目前工业机器人的技术基本掌握在日本手中。

机器人四大家族:日本发那科、安川电机、瑞典ABB、德国库卡。其中发那科是全球工业机器人销售记录保持者、利润保持者、技术领导者。德国库卡最弱,其核心技术基本外购,目前被美的收购。

工业机器人有三大核心技术,其实也就是三大核心零部件的关键技术:控制器(控制技术)、减速机、机器人专用伺服电机及其控制技术。

——顶尖精密仪器

美日德基本垄断,其中美国10家、日本6家、德国4家、英国2家 。

美日都是诺贝尔奖大国,日本从2000年开始基本每年一个诺贝尔奖,其中之一就是离不开其高端仪器的制造及使用。

举几个例子。日本SATAKE长期致力于发展稻米方面的机械设备,旗下囊括的粮食食品设备、实验检测设备、关联环境机械设备等市占率均为第一位。

全球主要稻米粮食国家政府与企业均与SATAKE有合作,包括中国、美国、东南亚、南美等地区。

目前全球高端电子显微镜主要有两大品牌:日本的JEOL和美国的FEI。全球唯一一台原子纳米级全息电镜也已经被日本开发成功——来自日立。

医疗硬件的最高峰之一,全球仅有的6台投入使用的重粒子癌放疗设备有5套在日本、1套在德国,目前选择不开刀而接受重粒子线放疗的患者中有80%是在日本进行的。

医疗科技硬件两大最高峰的另一个——质子束放疗加速器,由日立与北海道大学发明,整套设备售价超2亿美元,全球装机量不超15台。

02

——全球工程器械排行榜

美国卡特彼勒、terex分列第一、第三,日本小松、日立分列第二、第四,中国徐工进入前十。

2016年中国大力发展基建,让日本小松同比暴涨97%、日立暴涨42%、神钢增长29%。

——全球碳纤维排行

高端军事、工业、汽车、飞机等都离不开碳纤维。碳纤维技术基本被日本东丽、东邦、三菱丽阳垄断,目前中国T800还不能完美量产,东丽目前已经在玩T1100G了。

继碳纤维之后, 源自日本的新材料SIC纤维将又一次推动世界技术革新,新一代飞机的发动机核心零部件将采用日本开发的新材料。

——光学

世界先进光学玻璃制造商有日本保谷光学Hoya、日本小原光学Ohara、日本住田光学Sumita、德国肖特光学Schott。

日本住田光学的光学玻璃无论在制造工艺,还是在产品种类上都全面领先其他同行。

光学领域最重要母机之一的大型衍射光栅刻划机,全球只有3-4个国家有能力造,日立保有最高刻划精度10000g/mm,直接影响光学领域的研究。

——发电用燃气机轮

三菱重工、日立、西门子的天下。世界最高热效率发电用燃气轮机就来自日本三菱重工的M701J,同时这也是世界最大功率的发电用燃气轮机。

——脱销催化装置

发电机的心脏,目前该领域被日立垄断。每一套脱硝催化装置的体积都相当于一座多层住宅,中国各个电厂都是其客户。

03

——垃圾焚烧设备

强大处理能力的垃圾焚烧设备是城市化推进中不可或缺的环保设备,日立造船引领此领域,其客户遍布全球,中国安装了26件。

——石化领域最关键的一种母机:PP/PE大型挤压造粒机

拥有完全自主设计兼制造能力的全球就3家(日本2家、德国1家)。神户制钢则拥有全球最高占有率,PP/PE挤压造粒机是化工厂必备的设备,中国石油化工集团公司与中国石油天然气集团公司都是日企的客户。

——工业水泵

由日本ebara(荏原制作所)设计建造的世界最高单体扬程最大流量、也是最耐用的工业水泵被用于山西引黄工程。

——企业级扫描仪

日本富士通的天下。旗下有“表单印刷-识别-电子化合体技术”的发明者——富士通pfu。

富士通pfu利用自己世界最高市场份额的商用扫描仪和独立开发的光学字符识别软件(ocr),帮助中国国家统计局高效准确地完成了世界最大规模人口普查 。

——血液诊断设备

国家食品药品监督管理局指定北京市医疗器械检验所,将全球血液诊断设备制造商老大——日本希森美康的血细胞分析仪作为国家标准,以此来审查检测全国所有血细胞计数设备的质量,并用于日常精确度管理的提升。

04

——全球氧化锌避雷器

领先企业——东芝三菱电机产业系统株式会社(tmeic),向中国首条由境外引入兼目前世界上线路最长的天然气输送项目——西气东输二线工程提供全部高压变频器与高速电机。

东芝三菱电机产业系统株式会社同时保有世界最大容量的电压源型变频器与高速电机。

——光伏逆变器

光伏逆变器是将太阳能电池所发出的直流电逆变为交流电,并承担系统保护作用的光伏电站关键设备之一。

日立与东方电气集团在华的合资公司东方日立,向中国乃至全球最大规模的水光互补光伏发电站,提供上百台高出力、高转换率的光伏逆变器。

——HFC-23分解回收装置

日本月岛环境工程与旭硝子、大金工业研发的世界最先进的有效破坏率超过99.99%的HFC-23分解回收装置,占据了全球销毁HFC-23气体所需设备的3成以上份额,我国发改委是其客户。

HFC-23别称氟利昂23,是当今全球气候变暖的元凶,属极难销毁型,必须控制它流入空气中。

——海水淡化、废水利用

在海水淡化、废水再利用、超纯水制备中被广泛应用的反渗透膜等膜工业领域,以日东电工、东丽、帝人、旭化成为首的日本化工企业可以说掌握着相当的话语权。

——加氢反应器

加氢反应器是大型化工厂的必备,在为数不多有能力建造加氢反应器的国家中,日本神钢与日钢的热壁加氢反应器常年保持在全球前列,神钢也是唯一在设计核心材料组装的整条制造过程中具备完全自主能力的厂商。

05

——核心卷绕设备皮带张紧机

在所有板材加工领域(钢板、汽车、家电、建筑)都必要用到的提供板材张力的核心卷绕设备皮带张紧机,全球9成以上份额被日本JDC的RB21和Beltbridle两种型号霸占。

——焦炭生成器

住友重机械作为老牌化工母机制造商,掌控着冶金制铁、基础原料焦炭的焦炭生成器大部分市场,中国、美英、中东大型石油公司都是其客户。

——动力总成精密测试设备

不管是天上飞的、海里游的还是地上跑的,只要是移动型的机械物体就需要发功,而发功的前提是测功——日本Horiba(堀场制作所)在引擎传动制动底盘排放等全套动力总成精密测试设备领域,具有压倒性领导力,在汽车、坦克、飞机等领域都有不可或缺的作用。

——特殊类钢材

世界最大特殊类钢材制造商——日本daidosteel出品的引擎用传动轴和船舶柴油引擎用开关阀分别占到了全球3成、6成份额,特别在传动轴市场是当之无愧的NO.1,历来为波音空客旗下主力客机引擎之首选。

——全成型电脑横机

来自日本和歌山市的岛精机制作所,是世界最快速全成型电脑横机记录保持者,同时还握有此领域全球6成份额,电脑横机与工业缝纫机并称为纺织业界的两大母机。

06

——热转化处理领域

世界最大处理能力、最高耐压的工业冷却板式热交换器——日阪制作所,份额方面与瑞典阿法拉伐并列第一。

另外日阪制作所利用热转换技术首创的高温高压灭菌系统,已被广泛应用在生产医疗输液器械、中草药制剂、家常菜食材、调味料、啤酒、软包装饮料等领域的杀菌工序环节中,市场占有率达7成。

——证件制造设备

世界最大证件母机制造商日本unomatic,多年来向各国政府机关交付了电子护照制造、数距编码、护照发行管理、激光式护照印刷机、钞票剪裁机等各种自动化系统,包括面向中国出货的存折制造设备。

——液压式伺服冲压机

川崎重工旗下附属企业川崎油工,先后向中国第一大客车底盘生产商——安徽江淮汽车公司提供中国最大的(5000t/6000t)液压式伺服冲压机。

——电波暗室

电磁学的顶峰,各种机械、电子成品只要身上存在半导体零件就需要进行电磁波环境测试,测量电磁兼容最重要的设备就是电波暗室,全球最大规模电波暗室制造商是日本TDK。

——高端光缆

nict与住友电工、横滨国立大学、optoquest株式会社共同开发出36光芯兼每条光芯都可以用3种模式传递信息的世界最强性能多功能光纤,实现了利用单根光纤进行10pbps级超大容量传输的可能性 。

07

——SDN-软件定义网络

当下最新兴前沿的IT技术——SDN-软件定义网络,在加强底层选择度与系统集成性并提升对网络和资源访问控制精细度的低成本平台下,让运营商或企业机构以更灵活的可编程化实现不同业务特性适配,使网络的流量控制和转发依赖于硬件设备的传统模式架构发生根本性改变。

SDN的最初概念由stanford大学研究组提出,目前以nec为首的日本IT企业在研发应用化阶段处于绝对的全球领跑位置。

——物联网安全解决方案

是今后物联网发展的重点。三菱电机与立命馆大学利用大规模集成电路在作动时产生的独特微细个体差异,创造出目前最先进的IoT(物联网)安全防护解决方案——lsi指纹id。

——化妆品产业

化妆品产业需要精细化工、医疗、生物方面的科研积累,还需要营销、设计。

目前世界上化妆品产业份额基本被法国、美国、日本、德国占领。由于韩流文化的风靡,韩国爱茉莉也发展为世界化妆品集团中的一员。

化妆品产业超级赚钱,拿欧莱雅来说,2016年欧莱雅在全球销售总额为258.4亿欧元(约合1892亿人民币),营业利润为45.47亿欧元(约合333亿人民币)。

在设计、营销方面做得最好的是法国;日本技术实力最强,以资深堂、花王、kose等为代表;美国则是二者都有。

——乐器行业

乐器行业是日本、德国的天下。日本拥有世界乐器界的绝对王者——雅马哈。

雅马哈钢琴是世界顶尖钢琴家们的选择,也被众多的学校和音乐学院所推崇。日本雅马哈在乐器界的地位非常高,在中高端领域都是全球霸主。市场份额方面,雅马哈占股全球乐器市场的23%,名副其实的压倒性优势。

——电池

未来是电动车、氢动力、混合动力汽车的世界,其最重要的东西是电池,目前由日韩垄断。

但在上游电池材料供应中,日本住友化学、东丽、昭和电工、三菱化学在纯电动汽车上游产业链有压倒性优势。东丽、住友化学为松下、LG供货。

08

——海底电缆

目前日本住友电工在此领域的技术为世界第一,由其开发的全球最轻海底输电电缆已经向英国和比利时的海底电缆供货,长度约130公里,价格为300亿日元,并在菲律宾、东亚、印度尼西亚有广阔的前景。

——CPU/GPU异构式超算系统

CPU/GPU异构式超算系统的提倡者兼此平台程序软件的先驱开发者、超级计算机界最高峰学术奖的新科得主——东京工业大学全球科学信息计算中心prof.satoshi matsuoka教授。目前全球几乎所有高性能超算系统都是此架构的支持者。

——光纤传输

nict kddi研究所和古河电工在太平洋横断光纤传输实验中,结合三方软硬技术,全球首次使单根光纤的容量距离积达到1Exabps级别,打破了ntt先前保持的世界纪录。

——量子计算

东京大学在世界首次采用III族氮化物普及材料(GaN-氮化镓)作为量子点单光子源,成功生成可于常温下操作的单一光子,迈出了量子计算的第一步。

——量子通信

东京大学prof.akira furusawa博士联合ntt先端设备技术研究所,突破性地解决了进行量子隐态传输时承载在光子上的量子位信号因光学系统内元件配置制约导致的运算扩展瓶颈。

09

——矢量超级计算机

日本电气宣布已开发完成最新型SX系列矢量超级计算机——SX-ACE。这台采用sun架构的矢量超算虽然其总体运算能力排不进世界前5,但却具备世界第一的单核性能和世界第一的单核内存带宽,并利用独到的工业设计实现紧凑化与低耗能。

——电脑多头秤

电脑多头秤的发明者、世界最大计量包装解决方案提供商——日本ishida(石田)在如今全球电脑多头组合秤量机市场占有7成份额。联合利华、达能这类具备巨量产能的跨国食品企业是ishida的忠实支持者。

——三维图形转换软件

小企业有大实力。由来自静冈县滨松市不足70名员工的elysium开发的三维图形转换软件,自本世纪初开始为各非盈利型机构,以及跨国公司如NASA波音、达索、IBM、autodesk、西门子、戴姆勒、宝马、福特等的主要项目提供支持。

——复合材料热压烧结炉

川崎重工为应对波音b787-9、b787-10增产和今后更大777x系列机型,最新设计打造的世界最大复合材料热压烧结炉,已正式在名古屋第一工场投入使用。

——太阳帆飞船等

世界首个成功展开并成功实现光子加速推进技术的太阳帆飞船——日本宇宙航空研究开发机构IKAROS飞船。

世界最高精度与第二臂展的引力波望远镜——日本LCGT(激光干折计超过3km的实物只有美国的2台)。

世界最短波长的X射线自由电子激光(XFEL)研究设备——日本理化学研究所的SACLA。

世界最高密度超冷中子源生成设施——由日本KEK阪大RCNP和加拿大TRIUMF研究所共同建造。

——冈野工业

冈野工业,是员工仅6人、注册资本金不足1000万的绝对微型家庭作坊。

但是,其在民用领域拥有移动设备用锂电池不锈钢外壳的几乎100%份额;在军工领域是美国隐型战机和NASA御用的炭素精加工技术提供者、美国国防省激光反射器用抛物面天线指定供应商;在医疗领域利用自己世界第一的冲压技术成功帮助0.02mm的胰岛素注射针问世,从此使糖尿患者打针不再疼痛。

——轮转印刷

三菱重工与德国曼罗兰、高堡都有过向报社提供运转速度每小时18万份的报纸用轮转胶印机的记录,不过在轮转印刷领域他们只能并列第二。

迄今为止世界上最高速的倍幅报纸轮转胶印印刷机由日本TKS(东京机械)在07年开发,印刷能力达到了每小时20万份。

10

 

结语

一个国家的稀土消耗量可以判断一个国家的工业水平,任何高精尖的材料、原件、设备都离不开稀有金属。

日本目前是世界第一大稀土消耗国,其稀土冶金水平世界第一。目前的美日都在大力发展物联网、工业机器人、大数据云计算、新能源,这些都是今后世界发展的重点,从尖端专利申请我们就可以看出,美日现在到底在干嘛。

大数据分析的专利目前基本被美国IBM、微软、日本日立、NTT、富士通垄断。美日在抢占物联网的技术、专利。目前近半的日企都开始应用物联网技术。工业机器人一直都是日本的天下,也是今后第四次工业革命的重点。

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