編者按：本文來自微信公眾號 立方知造局（ID：m3zhizaoju），作者：劉錚，編輯：小材，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

華為崛起史，也是一部中國光通信更迭史：

• 華為第一桶金來自中國光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)期間的交換機(jī)；

• 家庭/個人成為網(wǎng)絡(luò)用戶主力后，華為與電信運(yùn)營商合作推出家用調(diào)制解調(diào)器，也就是我們熟悉的“貓”（modem）；

• 2019年5G商用之初，華為又在基站制造上大放異彩。

直至2019年5月，華為遭遇美國芯片斷供，卻間接為一個中國光通信基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)的突圍拉開序幕。

鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)包括上游鈮礦，在“貓”上用于轉(zhuǎn)化光電信號的鈮酸鋰原材料，以及下游光通信核心元器件鈮酸鋰調(diào)制器等。

今天是俄羅斯對烏克蘭的特別軍事行動第8天，俄羅斯的GPS——格洛納斯衛(wèi)星系統(tǒng)，充當(dāng)著“指南針和時鐘”，讓分布在不同位置的軍隊(duì)，能在同一時間實(shí)施指令。信號從地面和太空間不斷回傳，需要用到鈮酸鋰電光調(diào)節(jié)器。

俄羅斯衛(wèi)星 圖片來源：wikimeidia

可以說，鈮酸鋰是整個光通信世界的“守門人”。誰掌握了鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)，誰就不僅能掌握整個虛擬世界的生殺大權(quán)，也掌控現(xiàn)實(shí)世界的話語權(quán)。

這片市場曾落入日美的手掌，單單美企Lumentum和日企富士通兩家，占據(jù)了超過9成的中國市場鈮酸鋰元器件份額。但華為斷芯的檔口，Lumentum失去了大客戶，不得不將一條鈮酸鋰調(diào)制器產(chǎn)線賣給了中國企業(yè)，為中國光通信領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)幦〉搅舜翱谄凇?/p>

如今，我們徘徊在6G、元宇宙的門口，等候著關(guān)于未來暢想的應(yīng)用落地，但這之前，需要經(jīng)歷一場中國鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)的突圍戰(zhàn)。

要有光，但首先要有鈮酸鋰。

01. 先來認(rèn)識鈮酸鋰（材料）。沒了它，你的手機(jī)會一直慢三拍？

摩爾定律：芯片的信息處理能力每18個月翻一番。

戈?duì)柖桑夯ヂ?lián)網(wǎng)神話與現(xiàn)實(shí)的距離每18個月翻一番?！纳亍つ箍伞稊?shù)字化崇拜》

太長不看版：

每當(dāng)蘋果、英特爾發(fā)布新一代芯片時，鼓吹性能比上一代提升20%-30%的時候，總會出現(xiàn)這樣的評論：“好像在擠牙膏?！?/p>

摩爾定律說好的“翻一番”，為什么會在牙膏廠的車間里失效，其中“學(xué)問”很大，原因復(fù)雜，后果嚴(yán)重。

首先來說“學(xué)問”。芯片信息處理能力，取決于晶體管數(shù)量，按照這種思路，首選的解決方式肯定是增加晶體管數(shù)量。

的確有企業(yè)這么做了：2021年，美國Cerebras就推出一塊芯片，晶體管數(shù)量達(dá)到2.6萬億個；今年，英偉達(dá)鼓搗出1400億個晶體管的新一代顯卡。

要知道，當(dāng)前手機(jī)和電腦上能用到的頂級芯片，晶體管數(shù)量剛剛超過100億——相差這么大，難道主流的牙膏廠們都在消極怠工？

Cerebras用一整塊12英寸晶圓制作的超大芯片 圖片來源：Cerebras官網(wǎng)

這就要說到復(fù)雜的原因。讓我們先看看兩塊芯片的參數(shù)：Cerebras的芯片比iPad還大，英偉達(dá)的新顯卡GH100——面積1平方米；功耗上，這兩塊芯片也是名副其實(shí)的電老虎——23kw和1kw。

簡單來說，要用這倆貨組臺電腦，不僅要家里有礦，估計還得自備發(fā)電機(jī)。如果考慮便攜性，最好再投資一副扁擔(dān)。

芯片制造，是一種在體積、能耗、成本之間妥協(xié)的藝術(shù)。而被“妥協(xié)”掉的，自然就是性能。后果也是嚴(yán)重的：現(xiàn)行技術(shù)前提下，在手機(jī)和電腦上實(shí)現(xiàn)真正意義上的AI，基本不可能。

因此，現(xiàn)在的芯片技術(shù)發(fā)展得用兩條腿走路：

用新材料、新技術(shù)填補(bǔ)妥協(xié)的坑——但這也只是過渡選擇；

而想要實(shí)現(xiàn)芯片小體積、大算力，還是得依靠戈?duì)柖芍械幕ヂ?lián)網(wǎng)神話——光芯片。

芯片 圖片來源：Pixabay

鈮酸鋰恰好能夠同時滿足兩種需求。

納米級薄膜鈮酸鋰作為新材料，可以作為硅基芯片的襯底材料，提升性能；

同時，鈮酸鋰憑借優(yōu)秀的電光效應(yīng)，也是當(dāng)前學(xué)界公推的光芯片基礎(chǔ)材料。

美國國防部在一份報告中這樣評價：“如果電子革命的中心是以使其成為可能的硅材料命名的，那么光子學(xué)革命的發(fā)源地則很可能就是以鈮酸鋰命名了?！?/p>

對于中國來說，新材料和光芯片，都是彎道超車的關(guān)鍵要素，鈮酸鋰現(xiàn)在和未來都被將賦予重任。

精簡版：

芯片制造受到體積、功耗、成本制約，產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到瓶頸。

解決的兩種方式：短期依靠新材料，提升芯片性能；長期展望光芯片，開創(chuàng)光子時代。

鈮酸鋰滿足兩種需求：一方面與硅芯片鍵合，實(shí)現(xiàn)新工藝；另一方面是科學(xué)界公推的光芯片理想基礎(chǔ)材料。

02. 誰讓中國鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)陷入卡脖子困局？

鈮酸鋰之于光通信，相當(dāng)于硅之于半導(dǎo)體。

1964年，美、蘇、英等國相繼掌握厘米級鈮酸鋰晶體的合成技術(shù)。幾乎同一時間，激光器和光纖實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)了，于是用電話線上網(wǎng)時你經(jīng)常打交道的“貓”誕生了——鈮酸鋰轉(zhuǎn)換、還原著計算機(jī)的電信號和網(wǎng)路的光信號，在滴滴滴的聲響中，網(wǎng)頁緩緩顯示。

中國對鈮酸鋰的研究開始于1970年，起步并不算太晚。甚至在1980年，南開大學(xué)與西南技術(shù)物理合作的研究成果摻鎂鈮酸鋰晶體，被譽(yù)為“中國之星”。

只是在中國鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，遭遇過兩次挫折——

第一次，在國外企業(yè)技術(shù)突破后，錯失了原先突出技術(shù)的持續(xù)研發(fā)。

90年代南開大學(xué)研制出“光全息存儲器”原型機(jī)，成功將存儲通量提高至10T/cm2，比當(dāng)時主流的軟盤容量高1000倍。遺憾的是，隨著新千年到來，機(jī)械硬盤存儲技術(shù)和容量獲得突破，這項(xiàng)突出世界的科技成果在實(shí)用優(yōu)先級上不斷下調(diào)。

緊接著 ，在通信產(chǎn)業(yè)中，中國遭遇瓦森納協(xié)定，關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備被禁運(yùn)、禁售。

和芯片產(chǎn)業(yè)一樣，在鈮酸鋰的光芯片領(lǐng)域中，中國遇到了熟悉的配方——“卡脖子”，甚至受掣肘的元器件也一樣——高精度光刻機(jī)。

中國的光刻機(jī)產(chǎn)品仍在中低端領(lǐng)域，高端突圍，仍在路上。木桶效應(yīng)之下，硅基芯片的短板，也成為中國光芯片落地的阻礙。

03.全球鈮酸鋰元器件產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)怎樣的市場格局？

鈮酸鋰作為材料，前景是樂觀的。但是鈮酸鋰元器件市場，現(xiàn)狀比較悲觀，這也是中國在鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)上被“卡脖子”最嚴(yán)重的一環(huán)。

樂觀的點(diǎn)前面已經(jīng)說過：材料優(yōu)勢、符合趨勢、技術(shù)上仍有挖掘的潛力。

悲觀在于“三高”：市場集中度高、企業(yè)集中度高、技術(shù)研發(fā)難度高。

Modem 圖源：wikimedia

先來說市場集中度。很多人會認(rèn)為，市場集中度高不正是行業(yè)成熟的表現(xiàn)嗎？對普通的toB行業(yè)來說，的確如此，但半導(dǎo)體行業(yè)恰恰相反。

以芯片行業(yè)為例，早期跑出的英特爾、AMD能文又能武——既搞設(shè)計，又搞生產(chǎn)，通過IDM模式（Integrated Design and Manufacture，垂直整合制造），進(jìn)而壟斷市場。

如今，原本打零工的臺積電，反而因?yàn)榉艞壴O(shè)計，專注生產(chǎn)端，已經(jīng)在資本支出和芯片制程上反超英特爾，而AMD通過將生產(chǎn)轉(zhuǎn)交給臺積電，搶占了更多市場份額。

鈮酸鋰元器件市場，目前正處于經(jīng)歷芯片行業(yè)早期格局。高質(zhì)量鈮酸鋰調(diào)制解調(diào)器（非薄膜）行業(yè)已被美國Lumentum公司和日本富士通公司壟斷，兩家的市場占有率超過90%。

Lumentum作為文章后面的主要配角，這里要重點(diǎn)介紹一下：這家公司一直以來都是世界最大的光器件供應(yīng)商之一，前兩大客戶分別是蘋果和華為。2018年，Lumentum通過收購排名第三的Oclaro，成為全球鈮酸鋰元器件市占率第一。

其次是企業(yè)集中度。Lumentum和富士通這種IDM模式的壟斷企業(yè)，業(yè)務(wù)整合度高，技術(shù)壁壘厚，率先搶占了鈮酸鋰比較成熟的下游應(yīng)用。其中包括光通信、光纖傳感、光纖陀螺、有線電視、視頻傳輸、光芯片。

兩個層面的高度整合，為鈮酸鋰本就頗高的技術(shù)門檻，進(jìn)一步加碼。

當(dāng)前，光纖通信在超高速和超遠(yuǎn)距離的信息傳輸上有了新的需求，5G基站密集程度進(jìn)一步提升——調(diào)制解調(diào)器也在不斷迭代。原先的晶體鈮酸鋰，在速度、體積和功耗上已面臨瓶頸，薄膜鈮酸鋰將成為主流，也是亟待突破的一項(xiàng)技術(shù)。

鈮酸鋰調(diào)制解調(diào)器（上），薄膜鈮酸鋰調(diào)制解調(diào)器（下）

圖片來源：Dr. Wang Cheng and Dr. Zhang Mian

然而，壟斷型的IDM企業(yè)更多會從成本角度考慮問題——成熟的產(chǎn)線意味著消極的研發(fā)。

比如Lumentum，在薄膜鈮酸鋰的大趨勢下，寧愿選擇另挖新坑——用未來潛力遠(yuǎn)不如鈮酸鋰的磷化銦作為替代品，填補(bǔ)高速光調(diào)制器市場。而薄膜鈮酸鋰產(chǎn)線說賣就賣（行為值得批判，結(jié)果拍手稱快，下面會具體分析）。

對于中小企業(yè)來說，在資本、技術(shù)密集型的鈮酸鋰元器件行業(yè)里，先發(fā)企業(yè)占據(jù)高位，后發(fā)追趕十分困難，市場份額的局促影響收益，而收益直接關(guān)聯(lián)到研發(fā)。

中國鈮酸鋰調(diào)制解調(diào)器市場，正是因?yàn)殚L期被Lumentum和富士通把持，本土企業(yè)沒有生存空間，才會出現(xiàn)被“卡脖子”的窘境。

鈮酸鋰作為小眾賽道，專業(yè)人才本就稀少，而頭部IDM公司通過收購、合并的方式，以及資本優(yōu)勢，已經(jīng)“招安”了大部分的核心技術(shù)人員。

先別急著嘆息，芯片產(chǎn)業(yè)中有臺積電超越巨頭英特爾的前車之鑒，中國鈮酸鋰元器件企業(yè)也在美國的“友好打壓”下，等來突圍時機(jī)。

04.“華為的冬天”為什么反而給中國制造帶來了突破？

每次華為低谷，都給讓中國制造業(yè)留出突破窗口期。

2001年，華為第一次冬天，將辛苦培養(yǎng)的“大太子”安圣電氣賣了出去，結(jié)果賣出了中國工控界的“華為系”：10家A股上市公司，市值超過1800億。

2019年，華為又一次冬天，卻讓另一家本土企業(yè)光庫科技抓住機(jī)會買下Lumentum高速鈮酸鋰調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)線。

那年5月，美國將華為列入實(shí)體名單，隨之而來的是芯片和各種配件的斷供。但華為通過提前備貨芯片、找替代供應(yīng)商，成功度過危機(jī)，三大業(yè)務(wù)不減反增。

華為2019-2020年財報 制圖：立方知造局

倒是美國企業(yè)被砸到了腳。

比如，前面提到的鈮酸鋰元器件壟斷企業(yè)之一，也是全球市場占有率第一的光器件企業(yè)Lumentum，其手機(jī)光器件業(yè)務(wù)總銷售額的15%來自華為。

斷芯令下，華為的供應(yīng)商里多了兩家日企，富士通和住友，借此補(bǔ)上缺口。而Lumentum卻失去了第二大客戶，只能對著美國總統(tǒng)先生大叫三聲“爸爸”（跌！跌！跌?。?/p>

2019年第二季度，Lumentum銷售額比預(yù)期下調(diào)12%；股價在3個交易日內(nèi)下降22.55%；2019財年，凈利潤下滑至虧損3640萬美元。

為了挽回?fù)p失，2020年，Lumentum向中國本土企業(yè)光庫科技出售其位于意大利的鈮酸鋰高速調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)品線，以及相關(guān)庫存和資產(chǎn)。

對中國光器件市場來說，這次收購的意義重大——在此之前，中國電信級鈮酸鋰高速調(diào)制解調(diào)器全部依賴Lumentum和富士通的進(jìn)口產(chǎn)品，如今總算有了國產(chǎn)替代。

就在光庫科技收購Lumentum產(chǎn)線后幾個月，華為則入股一家名為德清華瑩的電子公司，后者的主要研發(fā)產(chǎn)品，就是鈮酸鋰晶片。

“卡脖子”的處境緩解了，自主研發(fā)的進(jìn)程開始了。

05. 目前國內(nèi)鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)中專精特新企業(yè)有哪些？

專精特新企業(yè)是中國制造突圍路上的利器。它們專注于垂直領(lǐng)域，依靠技術(shù)研發(fā)和工藝積累，完成一次次從0到1的突破，在國產(chǎn)替代過程中寫下序章。立方知造局發(fā)現(xiàn)，目前共有11家專精特新企業(yè)進(jìn)入鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)的細(xì)分賽道。

中國鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)專精特新及專精特新小巨人企業(yè)

信息來源：企查查 深色企業(yè)為專精特新小巨人企業(yè) 制圖：立方知造局

06. 中國對鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)有什么政策規(guī)劃？

今年是鈮酸鋰調(diào)制器發(fā)展目標(biāo)的驗(yàn)收之年。根據(jù)2017年末，中國電子元件行業(yè)協(xié)會發(fā)布《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》顯示，今年國產(chǎn)鈮酸鋰調(diào)制器的市場占有率要實(shí)現(xiàn)30%。

“十四五規(guī)劃”則對“信息光子技術(shù)”與薄膜鈮酸鋰新材料提出要求。立方知造局提取出以下三個關(guān)鍵點(diǎn)：

1. 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，建設(shè)開放共享的納米級薄膜鈮酸鋰光電子加工工藝平臺；

2. 建設(shè)薄膜鈮酸鋰光器件工藝產(chǎn)線，研制薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制解調(diào)器等器件；

3. 開發(fā)薄膜鈮酸鋰光電子芯片的耦合封裝技術(shù)。

光纖 圖源：pixabay

再來看看接手Lumentum產(chǎn)線的光庫科技。經(jīng)過定增后，光庫科技變更了控股股東，實(shí)控人成為珠海國資委——國家隊(duì)空降鈮酸鋰調(diào)制器賽道。

國資進(jìn)入后，光庫科技開啟“鈮酸鋰高速調(diào)制器、芯片研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，分為芯片研發(fā)設(shè)計和封裝測試生產(chǎn)兩個部分，向國際主流的IDM模式發(fā)展。

值得一提的是，光庫科技收購Lumentum產(chǎn)線后，需要對相關(guān)客戶重新認(rèn)證。目前光庫科技的鈮酸鋰產(chǎn)能主要釋放在非通信領(lǐng)域。不過，得到認(rèn)證只是時間問題，國產(chǎn)替代已顯現(xiàn)曙光。

07.中國缺鈮，該如何突破上游原材料的制約？

回到鈮酸鋰的源頭，鈮礦在地殼中的自然儲量僅為420萬噸，是極稀缺的礦物。而鈮礦石主要分布在巴西和加拿大，兩國從1950年就一直是全球鈮精礦的兩大產(chǎn)地。

中國缺鈮，鈮礦主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、江西，但大多與鉭礦伴生，品質(zhì)不佳。因此，要保障鈮礦儲備，中國需要通過對外投資解決。

巴西擁有世界最大的兩個鈮礦藏，總產(chǎn)量占世界的75%，其中位于米納斯吉拉斯州的礦藏屬于巴西礦冶公司，2013年一度控制世界85%的鈮生產(chǎn)；另一處則屬于英美資源。

2011年，中國的中信、鞍鋼、寶鋼、首鋼和太鋼合資建成中國聯(lián)合體公司，以19.5億美元完成巴西礦冶公司15%股權(quán)的收購。但當(dāng)時收購的主要目的，是用于合金生產(chǎn)、汽車制造、油氣輸送管道、大型橋梁、高層建筑及飛機(jī)引擎等領(lǐng)域。

時至今日，鈮酸鋰、薄膜鈮酸鋰調(diào)制解調(diào)器，以及種種仰賴這兩種材料的細(xì)分行業(yè)光器件，已經(jīng)全面覆蓋國土安全、醫(yī)學(xué)檢測、高能物理、工業(yè)探測等領(lǐng)域?？梢哉f，在鈮酸鋰制備端，對于鈮礦的需求不僅迫切，而且用量巨大。

只是，2021年中國商用鈮酸鋰調(diào)制解調(diào)器的進(jìn)口比例仍在90%，國內(nèi)鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)內(nèi)對于鈮礦稀缺的感知還不明顯。但隨著未來國產(chǎn)替代的全面鋪開，頭部廠商陸續(xù)出現(xiàn)，中國需要著眼光子時代，提前布局，打破上游礦產(chǎn)資源將成為光器件行業(yè)發(fā)展最大的制約魔咒。

08.鈮酸鋰材料、及元器件將在未來的6G網(wǎng)絡(luò)中將發(fā)揮什么作用？

6G將通過天地一體基站形成網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”。不過相比5G，6G波長更短，需要搭配更多基站，保證信號源無處不在，才能滿足日常使用需求。

有日本專家預(yù)測，所需基站的數(shù)量要達(dá)到人口數(shù)量的10倍才可能完成一個國家的6G升級。在中國，部署完6G需要裝載140億臺基站。

未來你會看到基站加裝在隨處可見的路燈、標(biāo)識、公共汽車等基礎(chǔ)設(shè)施上。6G時代的基站尺寸也將從5G的“冰箱”縮小至“手機(jī)”大小。

6G概念圖 圖源：pixabay

光器件的需求量和尺寸自然會因此產(chǎn)生質(zhì)的改變，薄膜鈮酸鋰將成為未來6G基站的核心材料。

除了基站應(yīng)用，鈮酸鋰還現(xiàn)身在光全息存儲器上。6G時代，地球上的每一粒“沙子”有屬于自己的編號和信息，服務(wù)器硬盤的吞吐量則會直接在指數(shù)上增加。根據(jù)當(dāng)前理論：世界上所有的網(wǎng)絡(luò)信息的總和每兩年就會翻一番。

這讓具有高帶寬、大容量的鈮酸鋰現(xiàn)身6G云邊端網(wǎng)絡(luò)，成為元宇宙中處理信息的守門人。

尾聲

對于中國鈮酸鋰產(chǎn)業(yè)中，立方知造局感慨曾“起了大早，趕個晚集”——90年代，有科幻感的“光全息存儲器”，已被南開大學(xué)研制出來，只因?yàn)閲鈾C(jī)械硬盤技術(shù)取得突破，這項(xiàng)技術(shù)便沒了下文。這是一個被先發(fā)者主導(dǎo)和壟斷的時代。

后發(fā)者中國依舊走在突圍的道路上，被一股政策的引導(dǎo)、專精特新企業(yè)深耕的堅定力量推動。為的是改變卡脖子現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，從而惠及全球產(chǎn)業(yè)鏈。

一個國家制造業(yè)的發(fā)展路徑，取決于兩種力量的拉鋸：企業(yè)逐利，政策逐益。

中國選擇了后者。

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