2022美国在先进制造业的领导地位

美国在先进制造业的领导地位国家创新生态系统存在的差距美国产业公地的问题加剧了美国创新生态系统的另一些差距，特别是在美硬件领域。经过几十年的离岸外包，无论是公共部门还是私营部门的思想领袖们都意识到一点，国家不能主要依靠软件来维持其经济和国防安全优势。硬件和软件的集成，即操作技术和信息技术的集成，对

于竞争性产品和武器系统来说，比以往任何时候都更加重要。因此，美国人民越来越认识到国家创新生态系统存在一定的差距，需要尽快改变这一现状。图1美国的创新循环周期重塑美国在先进制造业的领导地位重塑美国在先进制造业的领导地位程。从历史上看，这种循环周期在整个战后时期都对美国发展制造业起到了很好的作用，但在过去20年～30首先，外国竞争对手利用研究成果的机会是该体系目前的一个基本组成部分。学术研究，特别是科学和工程领域的研究，主要依赖于来自亚洲的外国研究生。在美国大学里，超过三分之一的外国学生其次，美国大学经常被鼓励与外国机构合作，外国公司也经常参与美国学术研究中心的工作。研究中心可能别无选择，因为它需要获得国外制造的最先进的设备，但是外国的参与者可以获取研究成果，并将其应用到本国的生产中；转化研究提供资金，同时获得前景良好技最后，将新技术扩大到商业化规模

生产的成本很高，并且通常需要一个全面的供应基础，这在美国往往难以获得，所以，利用联邦研发资金研发的新技术成果，得以在国外生产并创造财富。为基础研究提供资金，特别是向美国研究型大学提供联邦资金，仍然是这一循环周期的重要基础。但过去合理的假设已经不在那么现实，即私营部门将为所需的转化研究提供资金，并提高制造能力和生产商业产品的能力。国家应优先考虑建立机制，解决创新循环周期中的这些差距。整个循环周期都需要在以下领域投入资金：（1）为美国工科研究生提供助学金和奖学金；（2）为转化研究提供资金，以推进有前景技术的技术成熟度（TechnologyReadinessLevels，TRL）和制造成熟度确保潜在产品在美国商业化。目前的情况是，学术研究人员在证明了基础科学后，初创企业进行投资，以便它们能够在美国（4）将美国的供应商基础与致力于将新硬件技术商业化的企业家的需求紧密联系起来，并向新制造商提供政府采购合同，以加快其批量生产的步伐。研究，而在国外成功商业化的外国公司有更多的机会采用基础研究所获得的发明和发现。由于创新循环周期中的这些漏洞，导致美国对基本研发的投资正在为外国公司的产品开发提供补贴。在当前环境下，联邦政府必须在转化研究领域加大投入，作为基础科学支出的补充，从而提高国家andTechnology，NIST）发布了一份名为《释放美国创新力的投资回报倡议》的绿皮书，该绿皮书阐述了技术转让的多重障碍、完善技术成熟（即转化研究）资金的需求，以及联邦资金资助型研究对知识产权国内制造的倾向性。通过采取适当行动，绿皮书中确定的举措将开始解决创新循环周期的差距，不过，这仅仅是一个开始。

当然，政府还有更多空间做更多事情来恢复国家的产业公地，填补制造业创新生态系统中的缺口，并为长期的全球竞争力奠定更坚实的基础。例如，由于人们认识到绝大多数联邦研发支出用于基础研由于信息不充分和标签不一致，联邦政府在制造相关研发方面的支出难以（Organizationrcnd，OECD）的7.73亿美元到美国审计总署研发资金投入可合理归入于制造业，主要通过三个机构进行：美国能源部的先进制AMO）、美国国家科学基金会（NationalDoD、美国能供资金，目前有14和工艺技术。包括研究所所需的成本份额重塑美国在先进制造业的领导地位重塑美国在先进制造业的领导地位图2制造业相关研发的核心联邦资金（来源：MForesight分析）（非联邦资金），使投资资金总额增加到7.96亿美元（见图2）。如果这7.96亿美元被认为是制造业研发的核心资金，那么这些机构和其他机构资助的相关研发项目通常包含制造业。例如，国防高级研究计划局（Defense经常向解决制造能力问题的项目提供资金，电子复兴计划就是一个例子。该计划为期4年，耗资2亿美元，旨在重振美国的

半导体制造基地。美国NIST和美国国家造的研究活动提供资金，但由于缺乏详细的支出数据，很难确定它们的研发预算对此外还有一些项目，如美国DoE的生物能源技术办公室（BioenergyTechnologyOffice，BETO）、化石能源办公室（FossilEnergyOffice，FE）和高级研究计划局能发活动提供资金。如果将这些项目和类似项目包括在内，对制造业有影响的联邦政府研发支出总额可能高达29亿美元（资额。即使按最高额29亿美元粗略估计，美国也远低于日本、德国和韩国。日本在制造业相关研发方面的支出是美国的3

出是美国的10必须指出的是，日本、德国和韩国这三个国家在先进制造业中保持了贸易顺差，在工业机器人的使用方面远远领先于美国，在制造业中高科技生产的份额也更大。除非美国以新的转化研发投资来作为其在基础研究方面的巨额投资的补充（投图3联邦制造业相关研发的总资金（来源：MForesight分析）重塑美国在先进制造业的领导地位重塑美国在先进制造业的领导地位资幅度至少与其他发达经济体相当），否则美国的科学发现将继续让海外制造商受益，因为海外制造商拥有资源，可以进一步开发这些科学发现，实现规模化生产，并将制成品出口回美国。在美国私营企业重新有能力为转化研发、生产成品和大规模生产中的此类关键步骤提供资金并执行这些关键步骤之前，联邦政府必须在应用工程和制造研发方面投入更多资金。中小制造企业是美国工业的基础支柱。尽管大型跨国制造企业享有全球利益，但其大部分收入和利润往往来自国外市场，而中小制造企业通常扎根于当地社区。他们面临的风险往往来自进口竞争，因进口竞争很可能破产，而不是被推向海外。对他们而言，美国生产基地带来的利益要比海外市场大得多，但因国家产业公地的衰落而带来的损失，也要比拥有多样化全球生产能力和资源的大型跨国公司大得多，因为跨国公司可以把工厂和供应商设置在对他们最有利的地方。这至少在一定程度上解释了中小制造企业在美国制造业的地位越来越重要，以及支持中小制造企业参与迫在眉睫的政府重建产业公地项目的原因。

业，以及全面、有竞争力的供应商基础对美国制造业整体未来的重要性。然而，多重市场和网络不畅阻碍了中小制造企业采用先进技术的步伐，也阻碍了高生产率、集成化的下一代供应链的出现。克服这些障碍，需要政府和企业协同合作，至少要跟上国际竞争者的步伐。尽管有诸如霍林斯制造推广伙伴关系和美国制造研究院等项目，但其他国家在支持中小制造企业和开展转化研究的项目上投入的资金更多。例如，德国在制造业扩展服务上的支出是美国的20倍；日本的支出甚至更多。对美国中小制造企业进行调查，有助于了解他们所面临的挑战和众多机遇，以及政府必须在哪些方面提供帮助。降低成本和加速增长是当前存在的两个主要挑战，是企业一致的优先事项，受到大客户对年度成本削减的一致需求和进口竞争的推动。然而，随着时间的推移，寻找有技能的人才变得越来越具有挑战性，因为大家都需要升级生产技术和开发新的产品。尽管可以从环保部、小型企业管理局和专项国家计划中获得一些政府援助，但还需要做更多的工作，例如，贷款担保和其他形式的财政援助可以帮助中小制造企业加速设备升级和采用智能制造技术；增加政府对学徒计划和技术教育的资助，将有利于重建技术人才渠道；与大学进行更多的转化研发项目，将有助于新产品的引进和出口机会；退休的业务和技术专家与初创企业合作的研修项目能提供宝贵的专业知识。竞争国家能在这些方面为其中小制造企业提供支持。因此，它们在制造业方面保持贸易顺差，制造业产出和就业状况远好于美国。2018年，美国的商品贸易逆差为8910亿美元，而德国的商品贸易顺差为2800亿美元，日本超过260亿美元，韩国则超过950亿美元。这些贸易差额受到多种因素的影响，但总体上反映了国家支持制造业的政策（特别是对中小制造企业的支持），以及一系列不同的商业决策，这些决策有力阻止了生产能力的大规模外包。新兴技术在重点行业的发展状态尽管近年来出现了一些积极的发展，例如，成立美国制造研究所，但总体而言，美国制造业的发展趋势一直疲软。只有少数几个行业实现产出和就业增长，企业减税带来的预期新投资基本未能实现，贸易逆差（特别是对中国的贸易逆差）达到了创纪录的高位。DoD已经认识到商业工业基础的薄弱对国防工业基础造成的威

胁，但这些问题错综复杂，难以一次性解决，并且除了关税之外，尚未形成具体的解决办法。在这种背景下，考虑美国制造业在利用新技术方面的优势是有用的，这些新技术将在商业和国防工业方面掀起不小的波动。鉴于汽车工业对国家工业基础的重要性，汽车工业的未来值得特别关注。（包括汽车、卡车和零部件）至少占美国制造业产出的业产出增长中所占份额最大。显然，美国制造业最显著和最普遍的变化将来自向电2030年EV主驾驶方面的投资。例如，福特公司将其研发工作都是在其位于中国上海附近的先对于这种大规模技术转移对美国市重塑美国在先进制造业的领导地位重塑美国在先进制造业的领导地位场汽车产量的影响，存在一些争议。2017年美国市场的汽车产量为1750着自动驾驶汽车鼓励拼车和按英里付费的商业模式，未来可能会降至不超过1200工业带来了更大的潜在干扰。成本将从机械部件（汽油发动机成本约为5000美元转移到电动马达和逆变器（成本为2000足够续航里程的电池组。作为最大制造部电池目前占EV成本的40%。计划在未来几年推出的EV将大幅增加电池产量需求。美国长期以来一直有一个强大的电池研究计划，20世纪80年代由联邦政府资助的研发项目，为锂离子电池技术的出现提供了扎实的基础。但美国没有太多先进的锂离子电池的生产基地。宣布电池技术的突破并不少见，但是随后并没有出现在商业市场上。实验室原型经常不能很好地转化为商业生产规模，尽管从这些商业化失败的案例我们可以知道什么东西才能大规模制造。例如，在波士顿电力公司的一些案例中，拥有在美国开发技术的电池初创企业已经搬到了中国，因为在中国，它们

得到了强有力的政府和财政支持，这对推动制造业发展非常有利。通常，规模化制造阻碍了负担得起的EV取得能量密度、安全性和寿命方面的突破，更别说还要实现市场接受的续航里程和充电时间目标。美国汽车行业正在合作解决关键技术需求。美国先进电池联盟是一个由福特、通用汽车和菲亚特•克莱斯勒组成的合作组织，为移动应用的先进储能系统的研发提供资金。计划到2020伏特电池的工厂，并计划在乔治亚州建立许多美国电池初创企业要么正在建厂，要么计划在不久的将来投产。其中许多企业专注在固态电池或替代性阳极材料上。他们中的大多数公司都是通过企业投资者（包括许多外国汽车公司）筹集资金，而不是通过风险投资公司，例如：斯坦福大学于2010年成立的子公司，在固态锂离子电池领域拥有20多项专利和专利申请。斯坦福大学最初的研发工作得到ARPA-E的支持，大众汽车是主要投资者，继2014年投资之后，2018年再投资1亿美元，要到2025年才有可能投产；固体动力公司Solid0括宝马、三星、现代汽车和苏威。位于肯塔基州路易斯维尔的一家在建工厂于2019成立于马萨诸塞州沃本，正在开发使用塑料电解质的固态电池。投资者包括雷诺日（4）24M公司——麻省理工学院在马萨诸塞州坎布里奇的分支机构，开发生产半固态锂离子电池的专有制造工艺。已从日本京瓷等风险投资公司和企业筹集到6000多万美元。初期生产将集中于固定式充电桩，还计划将其生产技术授权给其他制造商。

只要生产基地在美国，美国就将受益于先发优势，并为支持创新的联邦研发活动带来经济回报。在这种条件下，即国内生产应该是任何公共或私人投资的基本要求，以资助必要的转化研究和支持联邦资助的研发活动的商业化。这些初创企业和许多其它初创企业正在开发电池技术。他们有潜力提供消除EV续航里程焦虑所需的能量密度，并实现降低电池组成本所必需的成本突破。这些新电池技术中的部分技术正在达到规模化生产的程度，但它们最终能否成功仍未确定。筹集足够的资金来完善新技术和新材料、开发有效的制造工艺、进行必要的测试以证明无数充放电循环的可靠性，以及建设所需的大规模工厂，仍然是大多数初创企业面临的普遍挑战。与此同时，中国的大型电池制造商，如宁德时代新能源科技有限公司和比亚迪汽车公司，正在迅速建立生产能力。中国生产商将大量投资于产能，然后向全球市场大量出口低成本产品，就像10年前太阳能电池板的情况一制器自动车辆使用传感器、控制器和软件重塑美国在先进制造业的领导地位重塑美国在先进制造业的领导地位的组合来了解其周边情况。自动驾驶需要集成来自多个传感器的复杂输入数据，无论驾驶条件如何，这些传感器必须是万无一失的。这种集成必须实时进行，需要快速的控制器、继电器和致动器，以及在随时间适应和学习的同时避免误报的控制算法。这种传感器输入、来自其他车辆的通信和其他可能的信息源的复杂集成也必须具备不受黑客攻击的功能。制造商和消费者需对整套硬件和软件抱有最大的信心，而只有当自动驾驶汽车无处不在的时候，人们的信心才能越来越足。拥有强大的国内供应基础才有可能达到这种信心水平，令人焦虑的是其中的一些供应基础目前尚不完善。

成本较低（理想的是每台不到1000美元的激光雷达传感器。激光雷达捕捉来自激光脉冲的反射，以探测车辆的周围环境。一些公司，例如，行业领先者Velodyne，通过机械旋转激光器和接收器实现全视野探测。其它固态技术（如光学相控阵列）则避免了采用机械机构，因而可以通过较低的价格和较高的可靠性实现汽车应用。Velodyne于2017年发布了固态版。最近估值超过20亿美元的硅谷初创企业Quanergy的生产基地位于加州森尼维耳，称其激光及比竞争对手更小的反射率。该公司2018年开始批量生产，目前正在与多家汽车公司合作，包括沃尔沃、大众和丰田。另一Cepton已经与日本一家大型车前灯供应商Koito合作，将其激光雷达传感器整合到前照灯设计中。Waymo宣布2019年开始向其他公司销售其激光雷达传感器，生产将在加利福尼亚州的几家工厂进行，并计划在密歇根州东南部新建一家工厂。在中国、以色列、加拿大、德国和澳大利亚等国家，其他初创企业也在争夺这个预计价值数十亿美元的汽车动力市场。实时分析来自多个传感器的数据流，并且利用这些信息来精确且一致地驱动车辆控制是一项巨大的技术挑战。尽管电子产品在车辆总成本中所占的比例持续上升，预计到2030年将从如今的三分之一增加到一半，但到目前为止，这些设备还未要求自主性所需的处理能力和速度。一个正在开发中的系统将以每秒25亿输入的速率处理数据，在这个过程中需要结合多种技术，从车载通信网络到可能为该应用程序专门构建的复杂处理器。传感器集成将需要从具有设计复杂和Board，PCB）转移到高密度互连（HighDensityInterconnect，HDI），当前正在智能电话和其它便携式设备中使用。HDI使用更细的线条、更薄的材料和激光切割微通孔技术，来实现每个区域更多的功能。

当前大多数情况下，HDI用于在亚洲制造内的最新技术水平。在许多情况下，美国国内生产商已濒临关闭国内生产设施，并美国仍然是全球二大汽车市场，但是传统行业参与者和新进入者（如Waymo、Uber等）都在对自动驾驶汽车进行重大投资，尽管存在一些亮点，但对于关键车辆投入的生产地点仍存在争议。美国需要采取积极的政策，继续发展先进的技术，并确保在国内生产的全部关键投入。只有制造出将来电动自主车辆所需的全部技术，美国才能确保对技术的完全控变，确保军队所需的军民两用技术拥有强大的商业生产基础。该行业对美国国内制造业和国家安全来说十分重要，不能失去自上世纪90年代以来，柔性电子产品一直被广泛研发，其中大部分资金来自美国军方。尽管有诸如FLEXTECH（最初是美国显示器联盟，后更名为柔性电子技术联盟）、亚利桑那州立大学的柔性显示重塑美国在先进制造业的领导地位重塑美国在先进制造业的领导地位器研究中心、美国柔性混合电子创新研究院等的倡议，以及美国大学的众多研究成果，但是柔性电子产品和显示器的广泛制造尚未在美国出现。据预测，到2024年柔性电子产品的市场价值将接近900亿美元，其中大部分增长将出现在消费性电子产品领域，汽车、医疗保健和工业应用也将出现显著增长。不幸的是，美国在许多有望获得柔性电子产品最高应用的产品线上（如智能手机、便携式计算机和大型显示器）几乎没有生产基地。富士电机和中国的京东方科技在内的亚洲工业集团引领着柔性电子产品的商业化。在创造该技术的最初研究中处于领先地位，但持续技术开发和产品商业化的重心已转移到亚洲。亚洲公司的研发重点一直是生产技术，而不是基础研究。可以说，

随着亚洲制造能力的提高，国内生产基地留给了小众厂商，柔性电子是技术发展的一个明显案例。特别是在显示技术方面，美国的任何重大生产都需要通过在美国设厂的外国公司，或者获得外国技术许可的美国生产商来进行。和其他美国国内公司生产柔性基材和其他Kateeva生产的机器使投资者那里筹集了8800对美国生产商来说，柔性基板也是一个有优势的领域。普渡大学、麻省理工学院、亚利桑那州立大学和东北大学，以及3M、Molex和BrewerScience等公司，还有柔性混合电子制造创新研究院和纳米生物制造联盟等研究机构正在开发越来越多的柔性基板选项。实例包括聚合物、柔性玻璃、织物、金属箔和柔性陶瓷。基片的选择取决于应用，在许多考虑因素中，要在成本、产量、电气、热和机械性能、封装和透明度等方面进行权衡。使用导电油墨的印刷技术为低成本、大批量制造创造了新的机会。尽管研发工作仍在继续，但利用柔性电子的产品正在医疗设备、可穿戴电子产品、传感器和近场通信标签等细分领域涌现，这些很可能是美国生产商的目标市场，而不是大型柔性显示器或可折叠智能手机市场，因为它们的生产和研发已经扎扎实实地转移到了亚洲。半导体封装是将半导体器件或集成电路封装在金属、玻璃、塑料或陶瓷包装中，以保护它们免受环境影响，达到散热是劳动密集型的，因此，封装操作在20世纪80年代转移到亚洲，但随着电路密度的增加，封装变得更加复杂，现在则采用完全自动化的方式。仅自动化本身就创造了重新支撑封装操作的机会，从而加强对整个生产过程的国内控制，但是对工业技术挑战的新响应正在创造从封装建立竞争优随着电路密度接近摩尔定律的极限，现有的技术状态是7纳米，尽管大多数制造工厂和设备的数值比较大，但是新的封装技术正不断涌现，从而实现小尺寸下的高性能目标。系统级封装（SystemIna

（如中央处理器、逻辑、模拟和内存等）混合封装在一起，以减小整个系统的大小。SIP的出现和技术的持续进步为在美国重新建立封装能力创造了机会，因为现有的封装设施已经过时。在适当的激励措施下，可以在美国现有的圆晶工厂附近建立SIP操作，这也可以为在附近建立电路板装配厂创造优势。随着数字化的普及，利用不连续技术，SIP可以重建更多的半导体价值链，这将对国防电子和大多数其他硬件部门产生积极的影响。这几个重要行业表明，美国面临着继续失去对商业和国防工业关键技术控制的风险，但也有机会利用强大的国内创新来重建必要的工业能力。过去的模式可以逆转。确保所需生产率增长的机制正在形成，主要以智能制造技术的形式出现，但也包括关键生产工艺的进步。要确保美国制造业长期、广泛的成功，就需要迅速采用智能制造技术，先发优势强大，网络效应显著。麦肯锡的研究表明：利润增长（通过更高效的生产、更高的产重塑美国在先进制造业的领导地位重塑美国在先进制造业的领导地位能利用率、更快的设计迭代等），大大弥补了对必要投资的补偿；政援助相结合，以确保制造商（小制造企业）智能制造技术的例子包括：司，如DesktopMetal、HP、Markforged和

有更好的感官感知和操纵能力的机器人问世，人们使用机器人可以完成更广泛的任务。协作机器人或合作机器人能够与人并肩工作，提供更大的灵活性和更高的利用率。在某些情况下，公司会“雇佣”合作机器人，按小时支付费用，避免前期资本业设备上的传感器，可以监控工厂和单个机器的状况。这些传感器和使用所得数据的控制系统正在变得更经济实惠，更易于使用并集成到现有软件系统中。它们使运行改进成为可能，例如，进行预测性维护以最小化或消除停机时间，进行库存跟踪以最小化在制品，通过识别缺陷源和启动纠正措施提高质量，以及改进工作流程以在利用不断增长的数据流，包括从车间的生产数据到客户对产品使用和满意度的数据。大型制造商及其供应商能够整合其设计、工程、采购和生产系统，以使效率最大化，同时允许更多的定制，使浪费最小化。数字平台的出现促进了这种数据流的发展，并且