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盘点:亟待攻克的关键“卡脖子”技术

  2018年国家主席在两院院士大会上指出,“实践反复告诉我们,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。”
 
  当前,我国科技事业实现了历史性、整体性、格局性重大变化,重大创新成果竞相涌现,一些前沿方向开始进入并行、领跑阶段。但也应看到,我国科技领域仍然存在一些亟待解决的问题,关键核心技术受制于人的局面没有得到根本性改变,亟待集中力量奋力攻关。
 
  那么,我们在哪些关键技术领域还存在“卡脖子”问题呢?我们一起来看看吧。
 
  光刻机
 
  制造芯片的光刻机,其精度决定了芯片性能的上限。在“十二五”科技成就展览上,中国生产的最好的光刻机,加工精度是90纳米。这相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准。而国外已经做到了十几纳米。
 
  光刻机里有两个同步运动的工件台,一个载底片,一个载胶片。两者需始终同步,误差在2纳米以下。两个工作台由静到动,加速度跟导弹发射差不多。在工作时,相当于两架大飞机从起飞到降落,始终齐头并进一架飞机上伸出一把刀,在另一架飞机的米粒上刻字,不能刻坏了。
 
  SMEE最好的光刻机,包含13个分系统,3万个机械件,200多个传感器,每一个都要稳定。
 
  芯片
 
  低速的光芯片和电芯片已实现国产,但高速的仍全部依赖进口。国外最先进芯片量产精度为10纳米,我国只有28纳米,差距两代。而且,关键原材料和设备还都是进口。
 
  据报道,在计算机系统、通用电子系统、通信设备、内存设备和显示及视频系统中的多个领域中,我国国产芯片占有率为0。
 
  操作系统
 
  普通人看到中国IT业繁荣,认为技术差距不大,实则不然。3家美国公司垄断手机和个人电脑的操作系统。数据显示,2017年安卓系统市场占有率达85.9%,苹果IOS为14%。其他系统仅有0.1%。这0.1%,基本也是美国的微软的Windows和黑莓。
 
  没有谷歌铺路,智能手机不会如此普及,而中国手机厂商免费利用安卓的代价,就是随时可能被“断粮”。
 
  触觉传感器
 
  触觉传感器是工业机器人核心部件。精确、稳定的严苛要求,拦住了我国大部分企业向触觉传感器迈进的步伐,目前国内传感器企业大多从事气体、温度等类型传感器的生产。
 
  在一个有着100多家企业的行业中,几乎没有传感器制造商进行触觉传感器的生产。日本阵列式传感器能在10厘米×10厘米大小的基质中分布100个敏感元件,售价10万元,而国内产品多为一点式,一般100元一个。
 
  真空蒸镀机
 
  OLED面板制程的“心脏”。日本Canon Tokki独占高端市场,掌握着该产业的咽喉。业界对它的年产量预测通常在几台到十几台之间。有钱也买不到,说的就是它。Canon Tokki能把有机发光材料蒸镀到基板上的误差控制在5微米内(1微米相当于头发直径的1%),没有其他公司的蒸镀机能达到这个精准度。
 
  目前我国还没有生产蒸镀机的企业,在这个领域我们没什么发言权。
 
  手机射频器件
 
  一块手机的主板上,1/3的空间是射频电路。手机发展趋势是更轻薄,功耗更小,频段更多,带宽更大,这就向射频芯片提出了挑战。射频芯片将数字信号转化成电磁波,4G手机要支持十几个频段,信息带宽几十兆。2018年,射频芯片市场150亿美元;高端市场基本被Skyworks、Qorvo和 博通3家垄断,高通也占一席之地。射频器件的另一个关键元件——滤波器,国内外差距更大。手机使用的高端滤波器,几十亿美元的市场,完全归属Qorvo等国外射频器件巨头。
 
  中国是世界最大的手机生产国,但造不了高端的手机射频器件。这需要材料、工艺和设计经验的踏实积累。
 
  激光雷达
 
  激光雷达是个传感器,自带光源,主动发出激光,感知周围环境,像蝙蝠通过超声波定位一样。它是自动驾驶汽车的必备组件,决定着自动驾驶行业的进化水平。但在该领域,国货几乎没有话语权。
 
  目前能上路的自动驾驶汽车中,凡涉及激光雷达者,使用的几乎都是美国Velodyne的产品,其激光雷达产品是行业标配,占八成以上市场份额。
 
  高端电容电阻
 
  电容和电阻是电子工业的黄金配角。中国是最大的基础电子元件市场,一年消耗的电阻和电容,数以万亿计。但最好的消费级电容和电阻,来自日本。电容市场一年200多亿美元,电阻也有百亿美元量级。所谓高端的电容电阻,最重要的是同一个批次应该尽量一致。日本这方面做得最好,国内企业差距大。
 
  国内企业的产品多属于中低端,在工艺、材料、质量管控上,相对薄弱。
 
  核心工业软件
 
  中国的核心工业软件领域,基本还是“无人区”。工业软件缺位,为智能制造带来了麻烦。工业系统复杂到一定程度,就需要以计算机辅助的工业软件来替代人脑计算。譬如,芯片设计生产“必备神器”EDA工业软件,国产EDA与美国主流EDA工具相较,设计原理上并无差异,但软件性能却存在不小差距,主要表现在对先进技术和工艺支持不足,和国外先进EDA工具之间存在“代差”。
 
  国外EDA三大巨头公司Cadence、Synopsys及Mentor,占据了全球该行业每年总收入的70%。发展自主工业操作系统+自主工业软件体系,刻不容缓。
 
  核心算法
 
  中国已经连续5年成为世界第一大机器人应用市场,但高端机器人仍然依赖于进口。由于没有掌握核心算法,国产工业机器人稳定性、故障率、易用性等关键指标远不如工业机器人“四大家族”发那科(日本)、ABB(瑞士)、安川(日本)、库卡(德国)的产品。核心算法差距过大,导致国产机器人稳定性不佳,故障率居高不下。算法的差距不只体现在核心控制器上,更拖慢了伺服系统响应的速度。
 
  机器人每完成一个动作,需要核心控制器、伺服驱动器和伺服电机协同作战。对于单台伺服系统,国产机器人动态与静态精度都很高,但高端机器人一般同时有6台以上伺服系统,用传统的控制方法难以取得好的控制效果。
 
  光刻胶
 
  我国虽然已成为世界半导体生产大国,但面板产业整体产业链仍较为落后。目前,LCD用光刻胶几乎全部依赖进口,核心技术至今被TOK、JSR、住友化学、信越化学等日本企业所垄断。就拿在国际上具有一定竞争实力的京东方来说,目前已建立17个面板显示生产基地,其中有16个已经投产。但京东方用于高端面板的光刻胶,仍然由国外企业提供。
 
  光刻胶主要成分有高分子树脂、色浆、单体、感光引发剂、溶剂以及添加剂,开发所涉及的技术难题众多,需从低聚物结构设计和筛选、合成工艺的确定和优化、活性单体的筛选和控制、色浆细度控制和稳定、产品配方设计和优化、产品生产工艺优化和稳定、最终使用条件匹配和宽容度调整等方面进行调整。因此,要自主研发生产,技术难度非常之高。
 
  透射式电镜
 
  冷冻电镜可以拍摄微观结构高清3D“彩照”,是生命科学研究的利器,透射式电镜的生产能力是冷冻电镜制造能力的基础之一。目前世界上生产透射电镜的厂商只有3家,分别是日本电子、日立、FEI,国内没有一家企业生产透射式电镜。
 
  匹配冷冻电镜使用的工具都需要原装,零件坏了找不到人修理,只能等待零件邮寄到货后进行更换。对于中国的冷冻电镜使用者们来说,这样的体验可能还要持续不短的时间。
 
  燃料电池关键材料
 
  国外的燃料电池车已实现量产,但我国车用燃料电池还处在技术验证阶段。我国车用燃料电池的现状是——几乎无部件生产商,无车用电堆生产公司,只有极少量商业运行燃料电池车。多项关键材料,决定着燃料电池的寿命和性能。这些材料我国并非完全没有,有些实验室成果甚至已达到国际水平。
 
  但是,没有批量生产线,燃料电池产业链依然梗阻。关键材料长期依赖国外,一旦遭遇禁售,我国的燃料电池产业便没有了基础支撑。
 
  高端焊接电源
 
  我国是海洋大国,拥有300多万平方公里海域,正在大力发展高端海洋资源开发和海洋维权装备。海里的设备一旦出现开裂等故障,需要用有工业制造“缝纫机”之称的焊接装备修补。深海焊接的实现靠水下机器人。虽然我国是全球最大焊接电源制造基地,年产能已超1000万台套,但高端焊接电源基本上仍被国外垄断。
 
  我国水下机器人焊接技术一直难以提升,原因是高端焊接电源技术受制于人。国外焊接电源全数字化控制技术已相对成熟, 国内的仍以模拟控制技术为主。
 
  医学影像设备元器件
 
  目前国产医学影像设备的大部分元器件依赖进口,至少要花10年、20年才能达到别人的现有水平。在传统医学成像(CT、磁共振等)上,中国最早的专利比美国平均晚20年。在专利数量上,美国是我国的10倍。这意味着整个产业已经完全掌握在国外企业的手里了,所有的知识产权,所有的原创成果,所有的科研积累都在国外,中国只占很少的一部分。
 
  超精密抛光工艺
 
  超精密抛光工艺在现代制造业中有多重要,其应用的领域能够直接说明问题:集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天。“它是技术灵魂”。美日牢牢把握了全球市场的主动权,其材料构成和制作工艺一直是个谜。换言之,购买和使用他们的产品,并不代表可以仿制甚至复制他们的产品。
 
  数据库管理系统
 
  目前全世界最流行的两种数据库管理系统是Oracle和MySQL,都是甲骨文公司旗下的产品。竞争者还有IBM公司以及微软公司的产品等。甲骨文、IBM、微软和Teradata几家美国公司,占了大部分市场份额。数据库管理系统国货也有市场份额,但只是个零头,其稳定性、性能都无法让市场信服,银行、电信、电力等要求极端稳妥的企业,不会考虑国货。
 
  扫描电镜
 
  扫描电子显微镜,一种高端的电子光学仪器,它被广泛地应用于材料、生物、医学、冶金、化学和半导体等各个研究领域和工业部门,被称为“微观相机”目前我国科研与工业部门所用的扫描电镜严重依赖进口,每年我国花费超过1亿美元采购的几百台扫描电镜中,主要产自美、日、德和捷克等国。国产扫描电镜只占约5%—10%。
 
  技术是科学发展的关键,掌握核心关键技术,才能在创新发展中保持自己的节奏。就目前来说,攻破“卡脖子”技术,是我国发展高精尖技术的关键,也是摆脱我国科技发展受外国技术掣肘局面的关键。