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        那些被卡脖子的技術,現在都發展到哪一步了?

        近幾年來,卡脖子之痛,感受非常強烈!

        2021年12月16日,美國商務部宣布擬將34家中國實體企業加入出口管制“實體清單”,其中包括多家國產半導體廠商,如華為海洋海纜業務品牌華海通信、?低曌庸竞?滴⒂、國產CPU龍頭景嘉微、功率半導體設計商亞成微等。

        美國利用所謂的“實體清單”屢次打壓中國高精尖科技行業,2018年3月22日-2021年12月18日,美國政府及其職能部門,共把611家中國公司、機構及個人納入實體清單中。主要涉及三類:一是與信息技術、核電、國防軍工有關的高校和研究機構;二是與國防軍工及航天科技有關的機構及產業公司;三是與通信、半導體、人工智能等相關的技術產業實體。

        這些被“榜上有名”的企業、單位或個人,在某種層面上可以說是國之棟梁般的存在。之所以被打壓,說到底還是自身實力不夠強大。在工業制造領域,盡管我國制造業發展已經取得突飛猛進的成就,但不可否認的是,這其中依然有很多高度依賴進口的產品,中國制造企業在這些領域的研發和生產存在難以攻破的技術難關。

        今天工控小編給大家盤點下行業相關的一些卡脖子技術,目前都進展到哪一步了。

        高端數控機床

        機床行業一直以來都是國家和領先企業重要的戰略布局點,尤其是對于汽車制造、軌道交通、航空航天等高端裝備制造的研發工作中,機床行業是重要的戰略支點。“中國制造2025”中明確提出,智能化數控機床被作為十大重點戰略必爭領域之一,可以說沒有高端數控機床的智能化,就無法實現高端裝備制造業的智能制造。

        簡單來說,數控機床就是裝備了數字化信號控制技術的機床,數控裝置是數控機床的大腦,它較普通機床具有加工精度高、生產效率高、具有故障診斷能力等優點。而高端數控機床則是在數控機床基礎上,又集合了高速、精密、智能、復合、多軸聯動、網絡通信等先進功能。

        從制造大國向制造強國邁進的進程中,也不得不面對高端制造業的薄弱之殤。目前機床產業呈現出高端技術壟斷的格局,核心技術被控制在特定國家和公司手中,尤其是高端數控機床,關鍵零部件、數控系統大多來自德國、日本等相關龍頭企業,亟需完成國產化替代。

        “大而不強”是我國機床行業的標簽,國產品牌多占據中低端市場,高端依賴進口。據統計,2020年國內機床行業需求233億美元,其中進口機床占比三分之一。經過國產企業的不懈努力,高端數控機床國產化迎來轉機,如科德數控實現了五軸聯動數控機床、高檔數控機床及關鍵功能部件的技術突破,其核心技術更是能夠對標國際巨頭。

        芯片

        芯片對于國家高精尖產業發展的重要性不言而喻,“十四五規劃”提出“加快”數字化發展建設數字中國戰略,明確加強關鍵數字技術創新應用,聚焦高端芯片領域。

        中國海關數據顯示,2020年芯片進口量激增20%(984億個),達到創紀錄的5435億個,進口總額3500億美元,創歷史新高。2021年1-9月,中國芯片進口量仍大幅增長,達到23.7%。芯片進口依賴度較高。

        盡管2021年8月,我國制定了中國芯片的五年計劃,預計在2025年內達到70%的芯片自給率,但仍以中低端市場為主。目前手機中搭載的高端5nm芯片就難以攻破。

        芯片涉及產業鏈大致分為芯片設計、制造及封裝測試三大塊,在這三大環節中,國內目前做的最好的是中低端的封測環節,芯片封測相對來說屬于勞動密集型產業,技術門檻相對較低,發展較好。難就難在制造環節,制造環節的核心難點就在于光刻機。

        據調查,光刻機市場上,荷蘭的ASML公司占了89%的份額,日本的佳能占了8%,尼康占了3%,尤其是頂級的光刻機EUV極紫外光刻機,僅荷蘭ASML獨家壟斷,可生產7nm或5nm制程芯片。

        我國在光刻機方面的技術積累和人才儲備相對不足,無法制造高端光刻機,僅可以制造一些低、中端的光刻機。目前,中國上海微電子已經能夠量產90nm的光刻機,并即將交付28nm光刻機,經過技術改進,還可以制造出14nm的芯片,這意味著國產光刻機工藝從以前的90納米一舉突破到28納米,甚至14nm。但是與邁入10nm以內的頂尖制程的國際主流芯片廠商差距還很大。

        高端智能傳感器

        傳感器種類繁多,被廣泛應用于各個領域,包括工業、消費電子、通訊、交通、物聯網、醫療等。目前,CIS(圖像傳感器)和MEMS(微機電系統傳感器)是主流,占據超一半的市場份額,射頻傳感器和雷達傳感器緊隨其后。

        工業傳感器是重要的機器人核心零部件,研發周期長,技術壁壘高。目前的傳感器市場上,國內高端傳感器領域近八成依賴進口。

        一方面,高端智能傳感器涉及到芯片多數依賴進口,尤其是儀器儀表傳感器,幾乎100%進口。如中國儀表行業兩大巨頭,都用的是“國外芯”,重慶橫河川儀年產硅諧振傳感器30萬臺,傳感器用的是日本橫河的;北京遠東羅斯蒙特,每年30萬臺金屬電容變送器,用的是美國羅斯蒙特的傳感器。而國內品牌的龍頭企業,無論是上海立格,還是兩家上市公司的浙江中控和上海威爾泰,用的基本都是德國FirstSensor(不幸的是,FirstSensor在2020年3月被美國連接器和傳感器巨頭TEConnectivity收購)。

        另一方面,高端智能傳感器的研發設計,如MEMS傳感器需要涉及到兩款很專業的CAD軟件,一個是intelliSuite,另一款是ConwentorWare,這兩款軟件都源自美國。

        根據《中國傳感器發展藍皮書》統計,汽車傳感器、高端化學類氣體傳感器、光線傳感器、環境檢測傳感器、海洋傳感器,對國外進口依賴度高達95%以上。

        高端軸承

        軸承主要功能是支撐機械旋轉體,降低其運動過程中的摩擦系數,并保證其回轉精度。軸承應用無處不在,但是工業級應用的高端軸承卻十分難得,

        我國作為軸承產銷生產大國,長期以中低端產品為主,高品質軸承產品性能主要取決于材料性能和加工工藝,不僅要以每分鐘上萬轉的速度長時間高速運轉,還要承受各種形式的應力擠壓、摩擦和超高溫,由于歐美等國家掌握超長壽命鋼技術、細質化熱處理技術和先進的密封潤滑技術等,其產出的軸承質量更高,而國內則存在一定差距。

        對于普通應用來說,中低端軸承能夠滿足市場需求,對于精度、穩定性、可靠度要求更高的高端領域,如航空軸承、高鐵軸承、機器人軸承等工業級應用基本以進口為主。據悉,高端軸承市場70%以上的市場份額,被十大跨國軸承集團所占據,其中美國占23%、歐盟占21%、日本占19%,世界軸承市場基本由日本NSK等五大公司、瑞典SKF公司、德國FAG等兩家公司、美國TimKen等幾家公司主導。

        近年來,國家對高端軸承的國產化一直非常重視,工信部針對軸承已有明確規劃:把發展高端軸承列為“機械基礎件、基礎制造工藝和基礎材料”之首。根據規劃,到2025年,國產高速精密數控機床和高速動車組軸承自主化率將達到90%;到2030年,大飛機軸承的自主化率將達到90%。

        國產軸承廠商中也涌現出一批精益求精的企業,如我國洛陽LYC公司,率先研究并建造成功了我國首個高鐵軸承,不但攻克了軸承溫度問題,還攻克了軸承各組件之間的擺動誤差問題。此外,我國科學家還成功研發出航空發動機軸承,通過技術檢測,這種軸承抗疲勞壽命高于德國航空軸承的20倍以上。這意味著我國在軸承領域將逐步實現技術的自主化,擺脫對進口軸承技術的依賴。

        高精度機械臂

        工業機械臂是模擬人的手臂、手腕和手功能的機械電子裝置,是工業機器人領域中使用最廣的一種機械裝置,它可以把任一物件或工具按空間位置或姿態的實時要求進行移動,從而完成某一工業生產的作業要求。

        機械臂是工業機器人的最重要的部件之一,從低端制造到高端打磨,隨處可見其身影。隨著中國制造業逐步走向數字化、智能化對工業機器人的精度要求也越來越高,變得更精細、安全、便于集成等。

        工業機械臂核心零部件之一是減速器,而減速器負責將動力轉化成精度,與機械臂的精度直接相關。由于減速器技術壁壘較高,核心零部件長期被國外企業把控,基本被日本廠商壟斷(納博特斯克、哈默納科、住友三家占據95%以上市場份額),成為制約國產機械臂產業發展的主要瓶頸。

        近年來,國內機器人廠商經過不斷創新研發已經具備一定的規模和技術實力,許多核心零部件已經基本實現國產化,在精度、算法等方面不斷突破。例如,國產綠的諧波表現亮眼,已經完成對諧波減速器的研發并實現規;a,實現對進口產品的替代。然而,實現國產替代只是開始,在減速機齒輪壽命、傳動精度、加工工藝等方面國產企業還有更大提升空間。

        核心工業軟件

        根據分類,工業軟件可分為研發設計類軟件(CAD/CAM/CAE/EDA/PLM/六性軟件等)、生產制造類軟件(PLC/DCS/SCADA/MES等)、經營管理類軟件(ERP/SCM/EAM等)、運維服務類軟件(MRO/PHM等)和新型架構類工業軟件。

        工業軟件,是工業制造的大腦與神經。然而,在卡脖子的名單里,工業軟件同芯片一樣,成為我國邁向制造強國的短板。例如,研發設計類軟件中,PLM作為主要的軟件,達索和西門子PLM產品在技術和市場上大幅領先,Synopsys、Cadence及Mentor幾乎壟斷國內EDA市場。國產EDA(電子設計自動化)與發達國家EDA工具相比,在性能上(如工具完整性、穩定性、工藝設計等)仍存在代際差距。國產CAD軟件雖然出現了中望3D、SINOVATION等國內領先產品,但在功能上與國外軟件相差較大。

        在研發設計類軟件上,我國短板較為明顯,根據《中國工業軟件產業白皮書(2020)》數據,我國研發設計類工業軟件國產化率僅為5%,95%依賴進口。

        此外,生產控制軟件,外資主導EMS市場,國內生產的控制類軟件多用于能源、鋼鐵、石化等流程行業,如和利時、中控技術、國電南瑞、寶信軟件等都具備一定優勢,但是汽車、電子等離散工業MES上,西門子、GE、霍尼韋爾等外資優勢明顯;運營管理類軟件,國內市場以ERP為代表的信息管理類軟件已經具備較高滲透率,如用友、浪潮等。

        工業操作系統

        無論是“工業互聯網”、還是工業“4.0”,還是我國提出的“中國制造2025”智能制造等戰略均指向一個方向,即通過數字化轉型提高制造水平。因此,將人、數據、機器連接起來的工業互聯網乘勢而起,與之相伴的工業互聯網操作系統應運而生。

        研發出一款國產操作系統,像微軟Windows系統和谷歌的安卓系統及蘋果ios系統一樣廣為人用難度極大。目前,在手機端領域,華為的鴻蒙操作系統已經上線HMS,且發展迅速。在PC領域,國內計算機操作系統很多,如凝思磐石、銀河麒麟、中標麒麟、統信UOS等,但由于操作系統普及度還不夠高,應用生態匱乏,大多適用于軍工、事業單位等保密性和安全性要求較高的單位。

        工業操作系統是用于工業智能制造領域的操作系統,應用于高端機床、數控系統、機器人等。

        然而,一直以來我國的工業操作系統實際上是被國外壟斷的,我國工業企業巨頭們在一定程度上高度依賴國外操作系統,如西門子、發那科、ABB、羅克韋爾自動化等巨頭研發出來的實時工業操作系統,以及主流的VxWorks和QNX操作系統。

        經過不懈努力,在工業操作系統領域也不斷傳來好消息,如華為的鴻蒙礦山操作系統礦鴻進軍工業領域,國訊芯微研發出最新NECRO QIUNIU工業操作系統,樹根互聯的根云平臺、海爾卡奧斯推出的BaaS系統、中控藍卓發布的supOS工業操作系統等等。

        除此之外,在工業領域,我國越來越多的卡脖子技術正在逐步被攻破并實現國產化。然而,核心技術實現從無到有的轉變是遠遠不夠的,實現從有到精的飛躍才能徹底擺脫被卡脖子的困境。

        事實證明,唯有自己強大了,才能徹底打破國外對我國的技術封鎖,從而保障我國工業信息安全和國家安全。國產替代,道阻且長,相信在國家政策的力推下,以及企業、研究機構、市場等共同努力之下,工業領域關鍵技術一定會實現更大突破,助力我國向智造強國的轉變。

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