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马来西亚足球贴士 (www.ad6868.vip):从科学到市场需跨越两个“死亡之谷”,硬科技要面对未知的从0到1的颠覆――对话中国科学院北京纳米能源与系统研究所PI研究员魏迪博士

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红周刊 本刊编辑部 | 何艳

弯道超车在避开了一些研发过程的同时,也避开了从0到1的研发经验。而这样的研发经验有一些是卡住我们脖子的原因,远的例子如汽车发动机,近的例子如芯片。硬科技要面对未知的从0到1的颠覆,这要依靠人的创造性。

科技创新概念一直是股市资金追逐的热点,近期,坚守硬科技定位的科创板获得市场青睐,比如,科创50指数备受追捧,大模型训练上游的数据、算力相关的CPO概念热度不减,同时,ChatGPT概念再度升温,6G概念也得到提振,等等。不过,在市场异常火爆的同时,当下硬科技领域的相关技术研发及应用与实际投资之间却出现碰撞,甚至脱节。

对此,中国科学院北京纳米能源与系统研究所PI研究员魏迪博士在接受《红周刊》专访时表示,硬科技需要大量时间和试错来潜心发展,而资本讲究的是有限时间内的最大收益,如果把有限时间的维度缩短在几个月或者几年,硬科技和资本之间可能是存在一定矛盾的。在他看来,无论是最近市场一度爆火的“钙钛矿”,还是石墨烯新能源电池、芯片、人形机器人等,其还未能够谈及基于真正硬科技突破的产业发展。对于国家硬科技战略也绝对不只是发展这些技术本身,其最核心的地方还在于教育以及基于此的整个科技创新体系的构建。只有真正意识到从0到1的硬科技竞争是综合国力的较量,我们的硬科技才有可能成功。

“钙钛矿”们在实验室中的科学突破

从科学到市场需跨越两个“死亡之谷”

《红周刊》:当下硬科技领域相关技术研发及应用与实际的投资之间出现碰撞。比如最近A股市场上一度火爆的“钙钛矿”部分相关公司就遭遇“打假”。“钙钛矿”当前的技术研发情况究竟如何?

魏迪:历史里没有新鲜事,总是在换装重演,如今在资本市场被爆炒的“钙钛矿”跟过去火热的石墨烯、量子计算等都是类似的。“钙钛矿”是一项非常好的太阳能(000591)转换技术,其发展前景是毋庸置疑的。我自己从事有机太阳能电池研究已经二三十年了,曾跟“钙钛矿”类似,在欧美引起资本关注的一种太阳能电池叫做色素增感太阳能电池(DSSC),早在十几年前就非常火爆;二十几年前也有一种有机太阳能电池(OPV),当时发展也很火热,甚至在欧洲已经出现了几家初具规模的公司,但最后全都破产了。不是说这些技术不原创,而是在那个历史维度下,因为中国无机硅太阳能电池的大批量产,大大降低了全球太阳能电池的成本,让这些技术的市场不足以支撑它们。

创新需要经历原始创新(基础科学)、技术转化创新(技术应用研发)、将转化成果变成大规模产品销售能力(市场化)三个阶段。在“科学-技术-市场”之间有两个“死亡之谷”。从科学到技术的转化是第一个“死亡之谷”;从技术到市场的商业化转化是第二个“死亡之谷”。事实上,所有的硬科技,“钙钛矿”也好,石墨烯、量子技术也罢,都要跨越这两个死亡之谷的壁垒。

就“钙钛矿”而言,它只是在从实验室到量产的阶段让大家看到了希望,但资本市场却预期已有大量的市场需求,发展得非常火爆。而真实情况可能并非如此。犹如昨天的DSSC和OPV,其在技术成熟阶段时的市场需求是其商业化成功的关键。硬科技需要时间和试错来潜心发展,无论是材料、软件还是装备都是如此,而资本讲究的是有限时间内的最大收益,如果把有限时间的维度缩短在几个月或者几年,硬科技和资本之间可能是存在一定矛盾的。资本的过度炒作,可能会让老百姓(603883)不相信一些技术的真实性。当有一天这项技术突破需要支持的时候,大家反而会质疑。从硬科技长远发展来看,这是不健康的,犹如李逵和李鬼的故事。

《红周刊》:石墨烯也是您的一大研究方向。作为“新材料之王”,其也一度备受市场关注,但近期热度有所减退。也是因为您刚才提到的矛盾吗?

魏迪:是的。石墨烯作为“新材料之王”,需要时间和试错来潜心发展。资本的过度炒作,不利于任何一项前沿技术的探索。如果说市场上热度有所减退,这其实对于技术发展来说不一定是坏事,因为在Gartner技术发展曲线中,这正是为真正的技术突破蓄力的过程。不论国内还是国外都有潜心做石墨烯研发的团队,对于其杀手锏级别的应用我们是有所期待的。和中国一样,欧盟在10年前也是矢志找到杀手锏级的应用。截至今年9月,欧盟石墨烯旗舰计划中11个先锋项目将结题。这里面包括不会产生废水的超滤膜;自动驾驶汽车用的传感器;电动汽车锂离子高储能电池;用于治疗帕金森、癫痫和其他脑部疾病的植入式诊疗;以及光电子探测器等。同时在纯材料领域,也有包括橡胶、塑料和碳纤维等用途的石墨烯增强型材料。

新能源车续航“鱼与熊掌”不可兼得

碳基电路要在利基市场先突破

《红周刊》:新能源也是目前石墨烯研发创新的热点方向。对于加入石墨烯的新能源电池“充电10分钟续航千公里”这一说法,依据充足吗?

魏迪:是否有科学依据,我们可以用第一性原理验证。举一个例子,算一道难度不超过小学能力的数学题。以特斯拉Model X电动汽车为例,其电池容量是100千瓦时,理论续航500公里,实际续航大概也就300公里。我们目前按照理论续航看,要达到“续航千公里”的要求,电池的容量是2倍特斯拉电池,即200千瓦时。然后充电10分钟(六分之一小时)要达到这个能量的话,我们需要1200千瓦的功率去给这样的电池充电。

居民家的插座,比如功率要求最高的空调插座,大概是4千瓦。1200千瓦vs.4千瓦,前者是后者的300倍。目前电动汽车充电桩的最大功率也才200千瓦左右,也根本达不到1200千瓦的功率。假设真的有这样“充电10分钟续航千公里”的电池,那么该到哪里去实现这样的速度充电呢?

储能器件一般分功率密度和能量密度,能量密度好比一个桶里面可以装多少水,如果装水量多,证明能量密度高,而功率密度相当于给这个桶注水和出水的速度,单位体积内速度越快,功率密度越高。储能领域一直面临着鱼和熊掌不可兼得的问题,即那些能量密度高的,普遍功率密度就相对较低,反之亦然。

目前,我的课题组通过打印电子方案,利用纳米空间限域作用对离子动力学的影响,确实可以实现一些可同时满足高功率密度和高能量密度的储能技术。但都处于实验室阶段,也就是处于跨越第一个“死亡之谷”的阶段,还没有跨越到产业化阶段,更没有跨越到市场化阶段。

《红周刊》:在电子信息领域,石墨烯能否真正替代半导体硅的材料,成为下一代超快集成电路和信息产业的基石?

魏迪:以支撑我们目前电子信息产业这么多年的硅基半导体体系为例:实际贝尔实验室制造的晶体管最初是由元素锗制成的,后来大量开发和使用的是硅,从而奠定了现在半导体产业的基础。从对未来的展望看,可以联想到化学元素周期表里的碳、硅、锗同一族元素的变迁路径。大家会觉得这是否预示着可以从硅基变成碳基,从而实现另一个迭代,毕竟当年从锗基迭代到硅基就只花了10年左右的时间。

从目前硅基半导体的实际情况来看,我们一些中国企业已经可以做出超纯硅的硅片,并实现了量产,已经跨过“死亡之谷”的第一阶段,来到了第二阶段,但很多还是卡在了从规模化到大批量市场化这个阶段。究其原因,就在于整个系统的融入,比如从硅片-半导体芯片制程-电子元器件,这个产业链已经非常成熟而且根深蒂固。如果一家公司经常从一家上游厂商进货,那它就会知道本公司产品良品率大概是多少,如果规模做得足够大,成本也会降低,这会使整个产业链高效协同。这时候,如果突然有另一家全新的上游厂商说它也能供货,而且纯度更高,但由于规模比较小,那么必然价格会贵一些。单从价格上考虑,这家公司一般不愿意更换上游厂商进行采购的。进一步假设,新的上游厂商有政府补贴,价格甚至可能会更便宜,那么这家公司可能也不会采购,因为它并不知道新产品放量后,它产品良品率到底有多少,公司一般不会拿商业信誉在既有产业链中冒险的。

一般颠覆性技术产业化,并不是依靠单一的技术突破去引领产业革新,它需要建立或者依靠一个生态和系统。这就是为什么半导体产业发展对我们比较难的原因之一。因为上下游产业链很多都在欧美西方,除非我们重建一个体系,否则就面临着融入的竞争和挑战,尤其是现在美国对我们技术封锁的情况下,未来有没有可能石墨烯替代一部分硅基呢?我认为比较接近现实的展望是,如果未来有这样的产业化技术,它可能先要在利基市场中发挥其独有的优势,建立或者融入基于这个独特市场的产业链体系,先找到一点突破。

硬科技要面对未知的从0到1的颠覆

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车载芯片仍是我国新能源车短板

《红周刊》:我们再来聊聊资本市场上火热的芯片相关话题。举国体制对于发展芯片的好处是什么?该如何利用好政府和市场两方面力量?

魏迪:一方面,举国体制有大优势,集中力量办大事很有效,只要方向找对且有足够的资源,有重点扶持的行业,就可以迅速形成体系。另一方面,我们也要从唯物主义出发,认识到事物发展有其客观发展规律,很多的时候科学技术是要厚积薄发的。

首先,我们的科技教育体系使我们有很大的优势迅速消化西方的技术,甚至在一些领域可以迅速弯道超车。弯道超车的优势在于可以在西方已经探究好的路径上,规避那些不需要探究的已经落后的技术,直接进入迭代后的技术。比如从旋转拨号盘式自动电话机到手机的研发,我们可以避开前面几代的技术,去直接研发手机,这促进了我们这些年快速发展。但是我们避开了这些痛苦研发过程的同时,也避开了从0到1的研发经验。而这样的研发经验有一些是卡住我们脖子的原因,远的例子如汽车发动机,近的例子如芯片。硬科技要面对未知的从0到1的颠覆,这要依靠人的创造性。

新型举国体制在我国技术发展中有很好的优势体现。比如2003年我们和欧盟达成协议,要加入到欧洲的伽利略(GALILEO)计划,重构全球定位导航系统。各种限制使我们最终退出了伽利略计划,在举国体制和勤奋的科研工作者努力下,我国最终自行研制成功了北斗全球卫星导航系统。打造出了继美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO之后的全球第四个卫星导航系统,成为了联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

《红周刊》:在国产替代和自主可控方面,哪些细分领域有望率先实现突破?

魏迪:中国是制造业大国,所以当年国外企业,包括半导体企业,将生产制造放在了中国,但是,要看到它们的核心技术研发部门并不在中国。这就导致在半导体产业链中,一些工艺相关的内容,比如光刻胶和封装工艺我们都非常擅长,具有优势,这是世界半导体产业分工所决定的。同时我们在资本市场可以看到,前几年光刻胶概念相对火爆,当然,最近光刻胶又有所表现。这是当年我们可以发力的地方,虽然并不是核心技术,但却可以形成自主可控。另外,我们在功率器件的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)领域的突破也是很快的,在和世界巨头的较量中,在功率器件上,我们是可以有一些替代品的,这也是目前封锁情况下的一些突破。

《红周刊》:我国新能源(600617)汽车产量已经连续8年居世界第一。就举国体制而言,我国新能源车如何才能制胜长远?

魏迪:制胜长远考验的是战略,是一个企业建立的核心系统是什么。我记得特斯拉刚开始出现时,我还是在剑桥看的它们的车展,印象很深刻,因为它们的每一辆车都是终身联网的。当时我就意识到特斯拉的电动车做的是物联网,每部车都是它们获取数据的节点,做的是完整的系统,以及这套系统对应的算法和芯片的处理等。特斯拉的核心战略不是在做汽车本身,也不是做电池。不久之后咱们中国也开始做电动汽车。我们去国内一些地方考察当时国内的电动车,大多数本质上就是安装了锂电池的电瓶车。我们企业在开始做电动车时,可能战略层面首先想到的是电池,而锂电是整个电动车产业链里污染最严重的行业,同时这里现在也是一片红海。当然,现在国内也出现一些电动车企业,在仿照特斯拉的思路在做。

全产业链补齐非常重要,如果没有系统的设计或者强工业支撑背景,那么一旦在某些领域比如车载芯片上被断供,那就会被“卡脖子”。当然,在IGBT的功率器件上,我们国产替代已经做得不错,但在更精密的芯片上,则面临困难。事实上,我们在新能源汽车方面也做了很多努力,但努力的方向最初可能是用在了电池上,而不是车载芯片研发这样难啃的硬骨头上,如果举国体制能够真正倾斜到难啃的骨头上,相信还是能够有所突破。

“互联网+”和“机器人+”存在不同

提高硬科技实力 核心在教育

《红周刊》:有机构认为“机器人+”类比此前的“互联网+”。加之最近特斯拉的人形机器人再现进展,您又怎么看人形机器人的产业化?

魏迪:个人认为“互联网+”和“机器人+”存在不同,我国的“互联网+”之所以能够成功,在于基于海量消费人口的电商崛起,以及无数的外卖、快递小哥,但它依靠的并不是硬科技。如果把算法和基础内核去掉,那么它不存在什么科技上的东西。

而机器人本身涉及三个核心的领域。一是芯片,这个无需多说。二是软件,也就是如何控制它,包括ChatGPT,机器学习的算法和数据库的大小决定了它回答的准确度。三是材料,不但极端情况下需要用到特殊材料,在一些传感上也需要用到特有的材料。所以,机器人被称为“制造业皇冠顶端的明珠”。

说到特斯拉的人形机器人,我认为所展示的恰恰是一家公司建立系统后降维打击的优势。正如我刚才所说,特斯拉从开始就是建立整个系统,并不是单独地造车,也不是单独地造机器人,特斯拉无人驾驶打造出了能源管理、光学传感器、雷达等复合系统,这些系统放在机器人身上,本身就是可以轻松实现各种功能的。

另一方面,我们也要尊重研发本身的积累过程。我认为世界最好的机器人技术公司不是特斯拉而是波士顿动力公司(Boston Dynamics),其成立时间是1992年,至今已30余年,经历了多次迭代,其间虽经历了谷歌、软银的收购,后又被韩国现代收购,但是技术是一直积淀和精进的。

如果达到同一既定战略目标,有一条简单的路和一条复杂的路都有可能实现战略,我个人会去选择那条相对难走的路,去啃难啃的骨头。因为天下没有免费的午餐,而低水平的重复不会实现成长。我认为的“机器人+”是用在外太空探索、深海监测、极限环境取样、工业自动化控制、精准手术的机器人等等,而不是在饭店或者银行看到的送菜或者代步机器人。

《红周刊》:硬科技真正的竞争体现在什么方面?怎样提高硬科技实力?

魏迪:只有真正意识到硬科技的竞争是综合国力的抗争,我们的硬科技才有可能成功。如果一个人一直在一些零碎的事情上忙得不可开交,是不可能再有时间做战略性思考的。个人如此,国家也是如此。

个人认为,硬科技绝对不只是什么半导体、新材料等等,其最核心的地方在于教育。对于国家硬科技战略也绝对不只是发展这些技术本身,其最核心的地方还在于教育以及基于此的整个科技创新体系构建,是综合国力的较量。

在我讲到的跨越两个“死亡之谷”的三个阶段,每个阶段都需要极其优秀的人才。第一,从最开始的科研领域,需要好的科学家,这些人需要对科学有极大的兴趣,能够潜心做前沿的基础科学研究。第二,从科学到技术,需要极好的工程师,他们的设计和工程能力能够迅速地将科技得以放大。第三,从技术到市场阶段,需要极优秀的科技产品经理,当然并不是我们现在市场上的产品经理。极优秀的科技产品经理必须对整个产业和技术发展有深邃的洞察力,对商业的本质有很强的理解,而这一切都来自教育。

在引领全球硬科技市场的硅谷,科技企业中很多科学家和科研人员都容易陷入技术陷阱,认为技术为大,只要产品在技术上有非常大的突破,当它走向市场的时候,就假设它一定会成功,事实上,这是不太可能的。比如被誉为“现代电力之父”的尼古拉・特斯拉,为全世界带来了交流电、无线电等一系列重大创新,但这并未使得他个人从经济上受益,而是常年生活拮据,穷困而死。他不是孤例,再比如,查尔斯・固特异,作为“硫化橡胶”的发明者,这项耗费了其无数精力的发明并未帮他致富,反而是别人将其技术进行产业化,才成就了世界上最大的轮胎生产公司固特异轮胎橡胶公司。

所以,对于国家硬科技战略实现,科学家、工程师、科技产品经理三者都不可或缺,而教育是补充或者强化该人才梯队的源泉。

(采访对象著有《国家科技战略引擎丨新型研发机构》一书,其中对本采访中科技市场化两个“死亡之谷”的概念和技术陷阱等概念有详细的阐述。本文已刊发于4月29日《红周刊》,提及个股仅为举例分析,不做买卖推荐。)

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