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那些被卡脖子的技术,现在都发展到哪一步了?

发布日期:2022-01-21 浏览次数:1255 作者:网络
   近几年来,卡脖子之痛,感受非常强烈!

  2021年12月16日,美国商务部宣布拟将34家中国实体企业加入出口管制“实体清单”,其中包括多家国产半导体厂商,如华为海洋海缆业务品牌华海通信、海康威视子公司海康微影、国产CPU龙头景嘉微、功率半导体设计商亚成微等。

  美国利用所谓的“实体清单”屡次打压中国高精尖科技行业,2018年3月22日-2021年12月18日,美国政府及其职能部门,共把611家中国公司、机构及个人纳入实体清单中。主要涉及三类:一是与信息技术、核电、国防军工有关的高校和研究机构;二是与国防军工及航天科技有关的机构及产业公司;三是与通信、半导体、人工智能等相关的技术产业实体。

  这些被“榜上有名”的企业、单位或个人,在某种层面上可以说是国之栋梁般的存在。之所以被打压,说到底还是自身实力不够强大。在工业制造领域,尽管我国制造业发展已经取得突飞猛进的成就,但不可否认的是,这其中依然有很多高度依赖进口的产品,中国制造企业在这些领域的研发和生产存在难以攻破的技术难关。

  今天工控小编给大家盘点下行业相关的一些卡脖子技术,目前都进展到哪一步了。

  高端数控机床

  机床行业一直以来都是国家和领先企业重要的战略布局点,尤其是对于汽车制造、轨道交通、航空航天等高端装备制造的研发工作中,机床行业是重要的战略支点。“中国制造2025”中明确提出,智能化数控机床被作为十大重点战略必争领域之一,可以说没有高端数控机床的智能化,就无法实现高端装备制造业的智能制造。

  简单来说,数控机床就是装备了数字化信号控制技术的机床,数控装置是数控机床的大脑,它较普通机床具有加工精度高、生产效率高、具有故障诊断能力等优点。而高端数控机床则是在数控机床基础上,又集合了高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等先进功能。

  从制造大国向制造强国迈进的进程中,也不得不面对高端制造业的薄弱之殇。目前机床产业呈现出高端技术垄断的格局,核心技术被控制在特定国家和公司手中,尤其是高端数控机床,关键零部件、数控系统大多来自德国、日本等相关龙头企业,亟需完成国产化替代。

  “大而不强”是我国机床行业的标签,国产品牌多占据中低端市场,高端依赖进口。据统计,2020年国内机床行业需求233亿美元,其中进口机床占比三分之一。经过国产企业的不懈努力,高端数控机床国产化迎来转机,如科德数控实现了五轴联动数控机床、高档数控机床及关键功能部件的技术突破,其核心技术更是能够对标国际巨头。

  芯片

  芯片对于国家高精尖产业发展的重要性不言而喻,“十四五规划”提出“加快”数字化发展建设数字中国战略,明确加强关键数字技术创新应用,聚焦高端芯片领域。

  中国海关数据显示,2020年芯片进口量激增20%(984亿个),达到创纪录的5435亿个,进口总额3500亿美元,创历史新高。2021年1-9月,中国芯片进口量仍大幅增长,达到23.7%。芯片进口依赖度较高。

  尽管2021年8月,我国制定了中国芯片的五年计划,预计在2025年内达到70%的芯片自给率,但仍以中低端市场为主。目前手机中搭载的高端5nm芯片就难以攻破。

  芯片涉及产业链大致分为芯片设计、制造及封装测试三大块,在这三大环节中,国内目前做的最好的是中低端的封测环节,芯片封测相对来说属于劳动密集型产业,技术门槛相对较低,发展较好。难就难在制造环节,制造环节的核心难点就在于光刻机。

  据调查,光刻机市场上,荷兰的ASML公司占了89%的份额,日本的佳能占了8%,尼康占了3%,尤其是顶级的光刻机EUV极紫外光刻机,仅荷兰ASML独家垄断,可生产7nm或5nm制程芯片。

  我国在光刻机方面的技术积累和人才储备相对不足,无法制造高端光刻机,仅可以制造一些低、中端的光刻机。目前,中国上海微电子已经能够量产90nm的光刻机,并即将交付28nm光刻机,经过技术改进,还可以制造出14nm的芯片,这意味着国产光刻机工艺从以前的90纳米一举突破到28纳米,甚至14nm。但是与迈入10nm以内的顶尖制程的国际主流芯片厂商差距还很大。

  高端智能传感器

  传感器种类繁多,被广泛应用于各个领域,包括工业、消费电子、通讯、交通、物联网医疗等。目前,CIS(图像传感器)和MEMS(微机电系统传感器)是主流,占据超一半的市场份额,射频传感器和雷达传感器紧随其后。

  工业传感器是重要的机器人核心零部件,研发周期长,技术壁垒高。目前的传感器市场上,国内高端传感器领域近八成依赖进口。

  一方面,高端智能传感器涉及到芯片多数依赖进口,尤其是仪器仪表传感器,几乎100%进口。如中国仪表行业两大巨头,都用的是“国外芯”,重庆横河川仪年产硅谐振传感器30万台,传感器用的是日本横河的;北京远东罗斯蒙特,每年30万台金属电容变送器,用的是美国罗斯蒙特的传感器。而国内品牌的龙头企业,无论是上海立格,还是两家上市公司的浙江中控和上海威尔泰,用的基本都是德国FirstSensor(不幸的是,FirstSensor在2020年3月被美国连接器和传感器巨头TEConnectivity收购)。

  另一方面,高端智能传感器的研发设计,如MEMS传感器需要涉及到两款很专业的CAD软件,一个是intelliSuite,另一款是ConwentorWare,这两款软件都源自美国。

  根据《中国传感器发展蓝皮书》统计,汽车传感器、高端化学类气体传感器、光线传感器、环境检测传感器、海洋传感器,对国外进口依赖度高达95%以上。

  高端轴承

  轴承主要功能是支撑机械旋转体,降低其运动过程中的摩擦系数,并保证其回转精度。轴承应用无处不在,但是工业级应用的高端轴承却十分难得,

  我国作为轴承产销生产大国,长期以中低端产品为主,高品质轴承产品性能主要取决于材料性能和加工工艺,不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转,还要承受各种形式的应力挤压、摩擦和超高温,由于欧美等国家掌握超长寿命钢技术、细质化热处理技术和先进的密封润滑技术等,其产出的轴承质量更高,而国内则存在一定差距。

  对于普通应用来说,中低端轴承能够满足市场需求,对于精度、稳定性、可靠度要求更高的高端领域,如航空轴承、高铁轴承、机器人轴承等工业级应用基本以进口为主。据悉,高端轴承市场70%以上的市场份额,被十大跨国轴承集团所占据,其中美国占23%、欧盟占21%、日本占19%,世界轴承市场基本由日本NSK等五大公司、瑞典SKF公司、德国FAG等两家公司、美国TimKen等几家公司主导。

  近年来,国家对高端轴承的国产化一直非常重视,工信部针对轴承已有明确规划:把发展高端轴承列为“机械基础件、基础制造工艺和基础材料”之首。根据规划,到2025年,国产高速精密数控机床和高速动车组轴承自主化率将达到90%;到2030年,大飞机轴承的自主化率将达到90%。

  国产轴承厂商中也涌现出一批精益求精的企业,如我国洛阳LYC公司,率先研究并建造成功了我国首个高铁轴承,不但攻克了轴承温度问题,还攻克了轴承各组件之间的摆动误差问题。此外,我国科学家还成功研发出航空发动机轴承,通过技术检测,这种轴承抗疲劳寿命高于德国航空轴承的20倍以上。这意味着我国在轴承领域将逐步实现技术的自主化,摆脱对进口轴承技术的依赖。

  高精度机械臂

  工业机械臂是模拟人的手臂、手腕和手功能的机械电子装置,是工业机器人领域中使用最广的一种机械装置,它可以把任一物件或工具按空间位置或姿态的实时要求进行移动,从而完成某一工业生产的作业要求。

  机械臂是工业机器人的最重要的部件之一,从低端制造到高端打磨,随处可见其身影。随着中国制造业逐步走向数字化、智能化对工业机器人的精度要求也越来越高,变得更精细、安全、便于集成等。

  工业机械臂核心零部件之一是减速器,而减速器负责将动力转化成精度,与机械臂的精度直接相关。由于减速器技术壁垒较高,核心零部件长期被国外企业把控,基本被日本厂商垄断(纳博特斯克、哈默纳科、住友三家占据95%以上市场份额),成为制约国产机械臂产业发展的主要瓶颈。

  近年来,国内机器人厂商经过不断创新研发已经具备一定的规模和技术实力,许多核心零部件已经基本实现国产化,在精度、算法等方面不断突破。例如,国产绿的谐波表现亮眼,已经完成对谐波减速器的研发并实现规模化生产,实现对进口产品的替代。然而,实现国产替代只是开始,在减速机齿轮寿命、传动精度、加工工艺等方面国产企业还有更大提升空间。

  核心工业软件

  根据分类,工业软件可分为研发设计类软件(CAD/CAM/CAE/EDA/PLM/六性软件等)、生产制造类软件(PLC/DCS/SCADA/MES等)、经营管理类软件(ERP/SCM/EAM等)、运维服务类软件(MRO/PHM等)和新型架构类工业软件。

  工业软件,是工业制造的大脑与神经。然而,在卡脖子的名单里,工业软件同芯片一样,成为我国迈向制造强国的短板。例如,研发设计类软件中,PLM作为主要的软件,达索和西门子PLM产品在技术和市场上大幅领先,Synopsys、Cadence及Mentor几乎垄断国内EDA市场。国产EDA(电子设计自动化)与发达国家EDA工具相比,在性能上(如工具完整性、稳定性、工艺设计等)仍存在代际差距。国产CAD软件虽然出现了中望3D、SINOVATION等国内领先产品,但在功能上与国外软件相差较大。

  在研发设计类软件上,我国短板较为明显,根据《中国工业软件产业白皮书(2020)》数据,我国研发设计类工业软件国产化率仅为5%,95%依赖进口。

  此外,生产控制软件,外资主导EMS市场,国内生产的控制类软件多用于能源、钢铁、石化等流程行业,如和利时、中控技术、国电南瑞、宝信软件等都具备一定优势,但是汽车、电子等离散工业MES上,西门子、GE、霍尼韦尔等外资优势明显;运营管理类软件,国内市场以ERP为代表的信息管理类软件已经具备较高渗透率,如用友、浪潮等。

  工业操作系统

  无论是“工业互联网”、还是工业“4.0”,还是我国提出的“中国制造2025”智能制造等战略均指向一个方向,即通过数字化转型提高制造水平。因此,将人、数据、机器连接起来的工业互联网乘势而起,与之相伴的工业互联网操作系统应运而生。

  研发出一款国产操作系统,像微软Windows系统和谷歌的安卓系统及苹果ios系统一样广为人用难度极大。目前,在手机端领域,华为的鸿蒙操作系统已经上线HMS,且发展迅速。在PC领域,国内计算机操作系统很多,如凝思磐石、银河麒麟、中标麒麟、统信UOS等,但由于操作系统普及度还不够高,应用生态匮乏,大多适用于军工、事业单位等保密性和安全性要求较高的单位。

  工业操作系统是用于工业智能制造领域的操作系统,应用于高端机床、数控系统、机器人等。

  然而,一直以来我国的工业操作系统实际上是被国外垄断的,我国工业企业巨头们在一定程度上高度依赖国外操作系统,如西门子、发那科、ABB、罗克韦尔自动化等巨头研发出来的实时工业操作系统,以及主流的VxWorks和QNX操作系统。

  经过不懈努力,在工业操作系统领域也不断传来好消息,如华为的鸿蒙矿山操作系统矿鸿进军工业领域,国讯芯微研发出最新NECROQIUNIU工业操作系统,树根互联的根云平台、海尔卡奥斯推出的BaaS系统、中控蓝卓发布的supOS工业操作系统等等。

  除此之外,在工业领域,我国越来越多的卡脖子技术正在逐步被攻破并实现国产化。然而,核心技术实现从无到有的转变是远远不够的,实现从有到精的飞跃才能彻底摆脱被卡脖子的困境。

  事实证明,唯有自己强大了,才能彻底打破国外对我国的技术封锁,从而保障我国工业信息安全和国家安全。国产替代,道阻且长,相信在国家政策的力推下,以及企业、研究机构、市场等共同努力之下,工业领域关键技术一定会实现更大突破,助力我国向智造强国的转变。
 
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