标题:是什么卡了我们的脖子？
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日期:2021-05-24 17:52:31
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    是什么卡了我们的脖子——

    这些“细节”让中国难望顶级光刻机项背

    亟待攻克的核心技术①

    编者按 近年来，中国科技正带着澎湃动力向前奔跑，并逐渐进入到跟跑、并跑、领跑“三跑并存”的阶段。但我们在充满信心的同时，还应更加清醒和理性。与发达国家相比，我国不少领域关键核心技术受制于人，亟待集中力量奋力攻关。

    真正的核心技术靠化缘是要不来的。我们还有多少亟待攻克的关键核心技术，差距在哪，需要从哪些方面突破？本报从今天起，开辟“亟待攻克的核心技术”专栏，就此进行梳理、解读和评析。

    指甲盖大小的芯片，密布千万电线，纹丝不乱，需要极端精准的照相机——光刻机。光刻机精度，决定了芯片的上限。高精度光刻机产自ASML、尼康和佳能三家；顶级光刻机由ASML垄断。

    “十二五”科技成就展览上，上海微电子装备公司（SMEE）生产的中国最好的光刻机，与中国的大飞机、登月车并列。它的加工精度是90纳米，相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准。国外已经做到了十几纳米。

    祖传的磨镜手艺

    光刻机跟照相机差不多，它的底片，是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机，缩微投射到底片，蚀刻掉一部分胶，露出硅面做化学处理。制造芯片，要重复几十遍这个过程。

    位于光刻机中心的镜头，由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片得高纯度透光材料+高质量抛光。SMEE光刻机使用的镜片，得数万美元一块。

    ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀，需几十年到上百年技术积淀。

    “同样一个镜片，不同工人去磨，光洁度相差十倍。”SMEE总经理贺荣明说，他在德国看到，抛光镜片的工人，祖孙三代在同一家公司的同一个职位。

    另外，光刻机需要体积小，但功率高而稳定的光源。ASML的顶尖光刻机，使用波长短的极紫外光，光学系统极复杂。

    3万个机械件都要可靠

    有顶级的镜头和光源，没极致的机械精度，也是白搭。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。

    贺荣明说：“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。”

    而且，温湿度和空气压力变化会影响对焦。“机器内部温度的变化要控制在千分之五度，得有合适的冷却方法，精准的测温传感器。”贺荣明说。

    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。像欧洲冠军杯决赛，任何一个人发挥失常就要输球。

    图纸不是关键

    2002年SMEE成立，是中国政府为了填补光刻机空白而立项。贺荣明去德国考察时，有工程师告诉他：“给你们全套图纸，也做不出来。”贺荣明几年后理解了这句话。

    并不是说图纸不重要，贺荣明说，如何将系统的误差分配到子系统，设计有高下之分。但顶级光刻机也需要细节上的技术洁癖。“一根光纤，一行软件编码，一个小动作，如果不兢兢业业做好，整个系统就不优秀。”贺荣明说。

    “发展光刻机，需要高素质的人群。所以我们做来做去，做最多的是培养人，改变人。”贺荣明说，这需要他们用五十年一百年的长远眼光去做事情，而不是期望几个月解决问题。

    如今SMEE每年增加数百项专利，活得很好，以中低端市场支持高端研发。而国际巨头仍在前进，发展浸没式光刻机（光在水中波长更短）、磁悬浮驱动（减少工作面震动）、反射镜代替透镜技术、真空腔体的极紫外光学系统……（科技日报北京4月18日电）

    是什么卡了我们的脖子——

    算法不精，国产工业机器人有点“笨”

    亟待攻克的核心技术

    两台机器人分别控制双层托盘，让其不断地倾斜、转动，另一台机器人控制机械臂在托盘上十个障碍物间不停地穿行而不受阻碍。这段工业机器人演示视频让人看得眼花缭乱。“这可是人家2009年的技术，我们现在也无法做到”，资深机器人从业者马龙感慨地说。

    想要完成如此复杂的动作，工业机器人的大脑——核心控制器必须足够聪明。但由于没有掌握核心算法，国产工业机器人“大脑”还不够聪明，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、ABB、安川、库卡（以下简称“四大家族”）的产品。

    据统计，我国已经连续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。核心算法的差距，是国产工业机器人向高端制造迈进的拦路虎。

    算法欠账多 国产“大脑”爱出错

    作为工业级产品，衡量机器人优劣主要有两个标准：稳定性和精确性。核心控制器是影响稳定性的关键部件，有着工业机器人“大脑”之称。而软件相当于语言，把“大脑”的想法传递出去。

    要讲好这门“语言”，需要底层核心算法。“四大家族”可以出售伺服系统、减速器、编码器等关键部件，但对核心算法一直秘而不宣，绝不外泄。

    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。“参数自整定，抑震算法，转矩波动补偿……”某国内机器人企业技术总监孙尧（化名）掰着手指头，一项项算给科技日报记者，“算法的差距，拖慢了整个系统的响应速度和稳定精度。”

    “工厂里一百多台‘四大家族’设备，一年也出不了几次故障；如果用国产机器人，故障率可能是人家几倍。”沈阳霹雳科技有限公司技术合伙人、资深机器人软件工程师周超说。

    因此，部分客户宁愿买二手进口机器人，缴纳一笔不菲的“重新开机费”，也不愿意使用国产机器人。

    “好的算法，几千行就能让机器人稳定运行不出故障；差的算法，几万行也达不到人家的水准，”周超介绍，“就好比两个司机开车，刚拿驾照的新手和经验丰富的赛车手，上路之后差距一目了然。”

    知其然，不知其所以然，正是核心算法多年来欠账的结果。

    不掌握核心算法，生产精度需求不高的产品还勉强可以，但倘若应用到航天航空、军工等高端领域，就只能依赖进口工业机器人了。

    “打个比方，底层核心算法好比手机操作系统，我们更多在做APP。虽然做基础研究投入大、回报低，做APP赚钱快，但只做APP，永远也无法超过苹果和谷歌，”周超说，“况且一旦别人对你封锁系统，APP做得再好用也无济于事。” 

    软件卡脖子 定价权拱手让人

    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。打个比方，就像一场“战争”，“将军”下令进攻；“传令兵”传递进攻信号；得令的“士兵”向指定位置冲锋。

    现在“四大家族”的产品已经进化到“将军”通过4G信号直接指挥“士兵”；而国产机器人尚停留在传令兵时代，速度当然就慢了许多。

    “如果不掌握核心算法，这一差距很难被缩小。”马龙告诉科技日报记者。据他介绍，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。

    多台伺服系统需要“大脑”提前进行计算。通过底层算法，国外核心控制器可以通过伺服系统的电流环直接操作电机，实现高动态多轴非线性条件下的精密控制，因此“四大家族”的机器人响应速度更快、定位更准确。

    由于算法、软件的差距，最终产品的售价也天差地别。以伺服系统为例，即使核心元器件几乎完全一样，成本其实相差无几，但国外的产品售价贵10倍。

    “这是因为国产伺服系统基本都使用自带软件库，国外企业限制很多高级功能，不向我们开放，比如位置环的S曲线功能，你想要这个功能，就得掏钱买人家的产品，定价权就这样让出去了。”马龙说。

    鼓励企业投入研发 机器人未来可期

    尽管与“四大家族”相比差距明显，但专家、从业者都比较看好国产机器人的未来。

    从技术上看，硬件的发展已有几十年历史，几无秘密可言；软件方面，我国拥有数量庞大的IT从业人口，“现在，我们很多企业也可以集成出高水 准的工业机器人产品，”周超说，“但完全自主知识产权、拥有关键部件核心技术的国产工业机器人，还需要经验、时间与整个产业链的积累、打磨。”

    工业机器人市场有点像几年前的智能手机市场。只要熟悉产业链、供应链，很快就能“攒”出一台机器人产品。但想要掌握核心技术，却并不那么容 易。当某一项技术取得突破，等待市场检验、慢慢成熟时，国外厂商很可能会压低该零部件的价格，提供功能更成熟、价格更便宜的方案，导致国内企业投入与回报 不成正比，这也是很多企业不愿意在底层研发上投入的原因。

    “作为从业者，我们希望能有更多以技术为导向的政策，只要技术达标，就给予企业一定的市场空间，在实践中慢慢打磨产品，吃透核心技术，鼓励企业将更多的人力、财力投入到研发当中，这样才能让国产工业机器人真正在世界的舞台上唱主角，”马龙说。

    是什么卡了我们的脖子——

    拙钝的探测器模糊了医学影像

    亟待攻克的核心技术

    给奔跑的博尔特拍照，很容易“虚”。给跳动的心脏拍照，CT（电子计算机断层扫描）也有相似的难题。

    雪上加霜的是，传统CT的断层“视野”太窄，就好比“门缝里看博尔特”，拍个全身还必须拍好几张拼出一幅图。

    由于速度和视野的限制，给跳动的心脏准确成像是CT机诞生后几十年内没能达成的使命。近年来，一些进口高端CT机通过技术创新有所突破，主 要是在探测器上下足功夫。“进口的高端CT机为什么贵，一些实力雄厚的医院购买也要掂量掂量，主要贵在探测器上。”一位医学影像设备研发人员介绍，每个探 测器单元价值几万元，最高端的320排CT探测器要上千万元。

    不掌握核心工艺

    “排”是指CT扫描机探测器的阵列数，排数越多，探测器宽度越宽，一次扫描完成的宽度也就越大。如果CT探测器配备了320排探测单元，每排0.5毫米，一次扫描就可覆盖正常成年人的心脏。

    在接收X射线的同时，探测单元还必须成矩阵地高速旋转，速度之快就像“武功高手”能让一个弧面围成一个“铁桶”，而每旋转一圈就要从2400—9600个不同角度对心脏的投影成像，感应速度要快，才能使整个心脏的一管一脉在这个“铁桶”里被捕捉。

    工艺方面，探测器的拼接工艺要求极高，排数越多生产工艺复杂程度成倍数增加。两个探测单元排列在一起，中间的间隙如何做到最小，多个单元如何排列才能让探测器单位面积上接收到X光的效率最高，这些都是工艺上要考虑的问题。

    中科院自动化研究所、中科院分子影像重点实验室副研究员王坤表示：“探测器具体的制造工艺是商业机密，企业是不可能披露的。就好比相机镜头在专利中可以呈现如何设计并描述抛面形状，但不会透露加工方法和镀膜材料。”

    中科院分子影像重点实验室团队做过一次调研显示，在传统医学成像（CT、磁共振等）上，我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。更现实的情况是，在这一“赛道”中，已领先发展50年的国外龙头企业布下大量的“专利”壁垒，限制了后来者的跟随和超越。

    材质是机密

    “X光射线穿过生物体后，由探测器捕捉。探测器捕捉灵敏度如何，单位面积上能获得X光的感应力度如何，决定了探测器的好坏。”王坤解释，这取决于探测器使用的感应材质。

    业内一篇题为《谁是顶级CT的老大？》的文章中列举了飞利浦、西门子等顶级医学影像设备制造商的CT机。对于探测器选用的材质，各大国际生 产企业都讳莫如深，犹如独门机密般以代号性词语描述——GE将其Revolution CT的探测器晶体命名为“宝石”，而西门子则称其为“独有光子晶 片”。

    相关资料显示，CT成像系统中探测器的首选方案为闪烁探测器，其中的关键部分是可将入射的不可见X光子转换为可见光的闪烁晶体或荧光物质， 完成后续成像。中国闪烁晶体从业的科研人员较少，闪烁晶体方面的人才培养单位只有上海硅酸盐所等个别单位，自主开发的新型闪烁晶体较少，晶体生长和性能研 究方面的结合较少。

    在晶体材料研发和生产的困窘之下，也有企业试图从海外谋求出路。例如，东软医疗于去年对国外某领先的CT探测器核心材料制造商完成战略投资。这样的购买行为是否会买回核心技术还需时日验证。

    苦追无益，换条赛道破题

    “目前国产医学影像设备的大部分元器件依赖进口”，王坤说，国内企业如果从头研发将根本无法盈利，而且至少要花10年、20年才能达到别人的现有水平。而到那个时候，最先进的医学影像技术又发生了变化，还是竞争不过国外的企业。

    如何摆脱跟着别人走的窘境？业内人士认为，与其在过去的传统影像上竞争，不如在新的、更前沿的影像领域直接和国外展开竞争。

    可竞跑的新赛道中就有“分子影像”，即通过把造影剂打到人体内标记生物分子，进而看到人体内基因、蛋白等分子变化，可直接在活体上看到体内 分子活动。分子影像的概念1999年才在国际上被提出，我国2002年跟进。现在在该领域的论文发表、知识产权积累、国际国内专利数量上我国跟国外差不 多。

    “分子影像这条道路上，我国目前与国外齐头并进。”王坤认为，科学研究有基础才能支撑起产业的持续发展与竞争力。据了解，中国科学院分子影 像重点实验室已研发出可在手术中导航的成像仪，在等待国家食药监总局的认证批准，其元器件全部实现国产化。相关的分子探针也已进入新药审批流程。

    除了在新领域上抢占先机，国家也已经启动了相关研发计划，立项提出了明确的目标，推动高端CT仪的生产和制造，以解决高端CT依赖进口的“卡脖子”问题。

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