科技日报【专题报道】亟待攻克的核心技术(1-5)

2018年7月5日22:34:20科技日报【专题报道】亟待攻克的核心技术(1-5)已关闭评论 1,452 views

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  • 1、这些“细节”让中国难望顶级光刻机项背

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)

  • 2、中兴的“芯”病,中国的心病

当地时间16日,一记重拳向中兴通讯砸下。美国商务部表示,由于中兴通讯违反了曾与美国政府达成的和解协议,7年内禁止美国企业向中兴通讯出口任何技术、产品。

招商电子分析称,中兴通讯的主营业务有基站、光通信及手机,而芯片在这三大领域均存在一定程度的自给率不足。

若真的禁运,中兴危矣。

专家称,美国制裁中兴,是警钟,也是集结号。“我们需要反思,但也不能让步。集结号已经吹响,国产芯片何时能上战场?”

每一步都是高难度操作

缺“芯”缺在哪?

以此次中兴通讯被制裁的用于光通讯领域的光模块为例,其主要功能是实现光电及电光转换。光模块中包括光芯片,即激光器和光探测器,还有电芯片,即激光器驱动器、放大器等。低速的(≤10Gbps)光芯片和电芯片实现了国产,但高速的(≥25Gbps)光芯片和电芯片全部依赖进口。

为何缺“芯”?首先来了解一下“芯片的诞生”。

中国科学院西安光机所副研究员、中科创星创始合伙人米磊介绍,芯片核心产业链流程可以简单描述为设计—制造—封装。

其中有三个关键步骤:第一,提炼高纯度二氧化硅,做成比纸还薄的晶圆;第二,在晶圆上用激光刻出数十亿条线路,铺满几亿个二极管和三极管;第三,把每片晶圆切割封装好——目前指甲盖大小的芯片里能集成150亿个晶体管。

每一步,都需要极精细操作。

“芯片的制造如同用乐高盖房子。先有晶圆作为地基,再层层往上叠,最终完成自己想要的造型(即各式芯片)。”米磊说,做晶圆需要一种特殊的晶体结构——单晶,它可以像原子一样一个挨着一个紧密排列,保证基底平整。

要做出单晶的晶圆,就得对原料硅进行纯化和拉晶。拉晶过程中,“要用到单晶硅生产炉、切片机、倒角机等多种设备和材料,其中90%需要进口。” 陕西光电子集成电路先导院总经理张思申介绍。

“还有一个卡住我们的,就是芯片纳米级工艺。”米磊说,当前国际上可达到的芯片量产精度为10纳米,我国能达到的精度为28纳米,还差两代。“而且,关键原材料和设备还都是进口。”

芯片制造难,也烧钱。

前芯片行业从业者王岩(化名)告诉科技日报记者,做芯片“投入几十个亿可能就听个响”。制造芯片需要实践,但芯片的实践和试错成本太高,往往一颗芯片就能决定一家公司的生死。如果投入无法获得对等产出,这种耗资巨大的试错和实践就不会持久。“没有持续的实践,技术积累也就是空谈。”而如果没有实践中的经验积累,那么设计制造芯片过程中出错率高,产出率也差,形成恶性循环。

美国出了张“大王”

“缺芯现状非短期所能改变,要有耐心。”在18日晚由中国计算机学会青年计算机科技论坛(CCF YOCSEF)举办的一场特别论坛上,中国工程院院士李国杰表示,国家芯片水平从某种程度上反映了国家的整体水平。“从设计、加工到设备配套,芯片产业链漫长,涉及领域广,尤其需要经验的累积。”李国杰坦言,“不是说砸钱下去就能把差距追平。”

中科院计算技术研究所研究员包云岗认为,差距的形成和拉大,在一定程度上是由于我国错过了一个时代。上世纪七八十年代,国际芯片产业开始发展并迎来腾飞。“每种芯片发展到今天这样的成熟度,差不多需要万人/年的投入,而且是长期投入。”

我国芯片产业根基薄弱,国际环境也不好。

中科学计算技术研究所研究员、龙芯处理器负责人胡伟武感叹,没想到美国这么快就出了张“大王”。“如果禁运发生在五年后,我们或许能应对得更加从容。”

何出此言?胡伟武指出,在国际上,通用CPU的性能于2010年左右已达到了天花板;而我国自主研发的通用CPU性能,也预计在2019到2020年左右逼近天花板。再过五年或稍长一点时间,围绕自主芯片的生态也可初步形成。“现在主要有两个生态体系,一个是英特尔加微软,一个是ARM加安卓。在我国一些特殊领域,如能源、交通、金融、电信和国家安全中,国产芯片已经得以应用;再过若干年,到开放市场上或也可以一战。”胡伟武判断。

不要等“做到跟国际水平一样”才用

在18日晚的论坛上,主持人展示出了一张看起来有些“刺眼”的图:根据一份分析报告,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%。

李国杰院士反复强调一句话:自主芯片产业发展需要应用支撑。

“这个方面,国家过去有些动摇,态度不是很鲜明。以前想过启动政府采购,后来也没有。”李国杰说,“发展自主芯片,不要想着什么时候芯片做得跟国际水平一样好了才用。你不用它,怎么发现问题,怎么不断改进?”

技术需要迭代;要迭代,就得经过市场的检验。胡伟武建议,要加大自主研发的元器件推广应用力度,给国产芯片更大空间。

因为,没有市场,做出来就是白做。“应用”对芯片的发展究竟意味着什么?胡伟武打了个比方:国产芯片现在在一楼,想努力去往二楼,可是没梯子。“就算不给梯子,给条绳子也可以,至少让我们有东西能借力爬上去。”魔鬼藏在细节中,而细节,藏在应用中。缺少应用,也就难以进行针对性改进,“二楼”就变得可望而不可即。

八年来,无锡江南计算机研究所高级工程师程华一直从事国产关键软硬件的评测和自主可控度评估工作。从2010年开始,她每年都会将三大国产品牌的最新款处理器与国外芯片进行对比。到2014年,基于部分国产处理器的整机性能已经追平或超越基于英特尔奔腾4双核处理器(主频3.2GHz)的整机性能。“我一直在用‘龙芯’的电脑,我觉得挺好。”

程华认为,国产芯片发展,很大的问题是缺少生态。“政府可以补贴家电下乡,为什么不能补贴搭载国产芯片的电脑呢?”她也呼吁,就算此次禁运危机解除,国产芯片也要有上战场的勇气。“我们热身了十几年,也该出来了。”

  • 3、丧失先机,没有自研操作系统的大国之痛

电脑和手机里,操作系统就像总经理。每次开启电源,操作系统第一个上岗,它根据用户的动作,命令各种硬件干活。软件的计算需求,经操作系统翻译,向各种硬件发出指令。

但中国没有自己的操作系统。

缺少自研操作系统,不仅是中国的痛点,英、俄、日、德、印等强国用的都是美国人的操作系统。操作系统天然垄断,赢家通吃。美国先人一步,占据高点。

看着容易,实则多年积累

编写一个操作系统不难。大学生也能开发简单的操作系统。而且Linux系统源代码公开,随便用,稍加改动就能开发一套自己的操作系统。

但是,“就像汽车,造一个四轮平台谁都会,外观也不难设计,但跑起来就发现,好车不是随便就能造出来。”IT评论家、原科技生态媒体WPDang创始人石磊说。

“手机的操作系统如果是一个新手来写,恐怕一小时就没电了。”石磊说,“我们一般用的安卓等操作系统,可以用最少的电,最合理的频率,最短的时间去计算。”

用户的一个简单行为,比如在微信里输入两个字,会转化成一系列指令,发给CPU等等。如果操作系统不过关,动不动就会死机。

操作系统的智慧,藏在一行行程序语句里。代码一眼看不出优劣,但“执行起来,同样是一万行代码,有些毛病不断,有些完美避开所有陷阱。差距来自大量人力和金钱堆积出的经验。微软、苹果很多专利都是试错试出来的,后来者会发现,只有这条路才通。”石磊说。

美国优势:五零后程序员、七零后公司

石磊说,美国垄断操作系统的原因很简单:起步早。“手机操作系统的优势源于个人电脑时代。苹果和微软的优势从1970年代就开始了,给如今的技术打下基础。”

石磊举例说,安卓是谷歌基于Linux做的,免费授权给各家手机厂商用。但微软却靠安卓发了大财,从很多手机和PAD厂家收取专利费,一台设备几美元到十几美元,因为它1980年代开发DOS时申请的几项专利, Linux也无法回避。如今的软件也都得兼容微软几十年前开发的底层文件系统。

四十年前,绝大多数优秀的程序员都在美国,所以个人电脑时代的各种标准都由美国创立。

“就像国外的发动机做得好,因为有一群熟练的技工。开发操作系统也需要熟练的技工,就是程序员。”石磊说,他常去美国参加开发者大会,发现美国与中国一个最大不同是:常见50后、60后的程序员。

“很多白发苍苍的开发者,从小就接触计算机;还有一些程序员,他父亲就是程序员。”石磊说。

“中国大学走出第一批程序员的时候,美国高校计算机系已经培养了30多届毕业生。”石磊说,普通人看到中国IT业繁荣,认为技术差距不大,实则不然。

操作系统已无市场,但自研可以应急

汽车业有上百个大厂牌并存。而手机和个人电脑的操作系统则是三家美国公司垄断。市场调研公司Gartner今年发布数据显示,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%。那0.1%,基本也来自美国:微软的Windows和黑莓。

韩国三星曾在2013年推出Tizen系统,试图打破垄断,但如今三星手机还在使用安卓。

石磊说,安卓崛起,归功于历史机遇和谷歌的远见。2008年时,苹果手机刚推出,谷歌意识到大屏时代来临,所以先做了免费开源的系统,让众多手机厂商尝到甜头,用安卓快速扩展市场。

操作系统这个领域没什么空间,是因为软件厂商要赚钱,只会为最流行的操作系统开发版本。

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”。

2012年,华为创始人任正非在回答“已没有生态空间,为何还做终端操作系统”时说,应尽量使用国外的好东西,包括高端芯片和操作系统,但要有战略备份,“别人断了我们粮食的时候,备份系统要能用得上”。(科技日报北京4月22日电)

  • 4、居者无其屋,国产航空发动机的短舱之困

短舱,是飞机上安放发动机的舱室,俗称“房子”,模样类似整流罩,主要由发动机进气道、整流罩和尾喷口组成,起整流、降噪、保护和为安装发动机部分附件提供平台的作用。

“与人们熟知的在高温、高压、高速等极端工况下工作的航空发动机热端部件相比,短舱属于‘低温部件’技术,是航空推进系统最重要的核心部件之一,所需的技术难度极高。其成本约占全部发动机的1/4左右。”北京天骄航空产业投资有限公司国家“千人计划”专家王光秋博士说。

目前,新一代大涵道比航空发动机短舱,主要由航空业顶级制造商美国古德里奇提供,包括波音787和空客A350/A320neo等,也包括庞巴迪C系列和巴西航空公司的E系列支线飞机。美国GE与法国赛风合资的奈赛公司也是一家短舱供应商,向用于B737、A330等飞机的推进系统提供短舱。而我国在这一重要领域尚属空白。

“户型”越大难度越高

“短舱需要将发动机包覆,使整个动力系统外部有良好的气动外形,以减少飞行阻力;其进气道还要具有防、除冰的能力。在整个飞行包线内,要保护发动机不受干扰正常工作;在地面,需要做到方便发动机的维护和维修。”王光秋介绍说,一旦短舱有损,飞行中可能会引起发动机严重事故。

短舱是一套极为复杂的集成系统,开发、生产和供应都需要多年的经验,短舱越大技术难度越高。比如,发动机推力越大,其直径越大,短舱面积也必然增加,势必会加大气动阻力,影响飞行效率。

要减少面积增大带来的阻力,必须从设计、材料和工艺上动脑筋。波音787使用的发动机最大推力约为30吨,短舱是一个“大户型”,表面积约为六七十平方米。而这个“大户型”短舱是一个综合技术水平极高的复杂系统。

“进气道外罩为钛合金,内部支撑结构为碳纤维复合材料,风扇罩为带有降噪衬套的复材蜂窝夹层结构。”王光秋说,这个短舱系统不仅引入了新一代高载荷、高效叶栅式反推装置,还首创设计了具有30%的层流面积,以减小阻力。此外,钛合金排气尾喷管锯齿边设计也是创新技术,可在巡航状态下有效减低噪声,提高乘客舒适度。

两家公司建了所有发动机的“房子”

作为发动机核心设备,短舱涉及飞机性能、操作安全性、系统可靠性、重量、成本和环保相关的关键航空技术。

世界上能研制民用大涵道比发动机的共有3家公司,美国GE、普惠和英国的罗罗,而能独立研制高推力大涵道比涡扇发动机短舱的公司仅有两家,这就是美国古德里奇公司和GE赛峰合资的奈赛公司。

“可以说,主要是这两家公司建了所有发动机的‘房子’。”王光秋说。古德里奇声称,他们研制的短舱可靠性为99.9%。

再说说占短舱成本一半的反推装置。

“飞机安全起降需要超长跑道,但经济效益不好。缩短飞机滑跑距离,遂成为发动机追求的目标。”王光秋说,这便是反推装置的功劳。

反推装置,通过改变发动机正常气流方向,当大于90°折转时,使正常推力反向产生推力分量,达到飞机减速目的。“这项技术涉及的力学原理不复杂,但反推装置的机械结构和控制系统十分复杂,可靠性要求极高。”王光秋说。

CJ-1000A将住谁的“房子”

查C919参数,其选配的是CFM(通用与赛峰合资公司)的LEAP-1C发动机。

LEAP-1C短舱“户型”独一无二,由奈赛在中国成立的一家合资公司提供。LEAP-1C短舱的设计为世界首创,相关资料显示,这种独特的一体式结构,以及O型涵道反推装置系统,能减轻重量、提高反推效率,并便于发动机维护。

伴随C919项目的推进,国产发动机项目也紧锣密鼓。2017年底,CJ-1000AX首台整机在上海完成装配,并进入验证期。验证机直径1.95米,长3.29米。包含风扇/增压级、核心机、低压涡轮和附件传动机匣装置,由近35000个零组件组成。这台初生的国产发动机仍是热力技术部件,尚无与之匹配的短舱。

CJ-1000A将住谁的“房子”?查阅所有公开资料,我国尚无自主研制短舱的专门机构,相关院校似乎也没有设置相关的学科。

一代发动机产品从最初技术预研、立项,到定型批产,至少需要15到20年。“让具有自主知识产权的CJ-1000A发动机住进自己的‘房子’,或是将来的最佳选择。”王光秋说。

  • 5、传感器疏察,被愚钝的机器人“国产触觉”

给一个压力,还一个电信号。触觉传感器的简单转变就能让真实世界以“二进制”的方式传给机器人。

“一点点压力就能产生匹配的电流。”在加了形容词后,这个转变困难了一些,西北工业大学副教授杨鹏飞解释,要灵敏地捕捉到“一点点”的输入,并给出严格匹配的输出。

“需要稳定、精确的输出,并且消除不同‘维’间的耦合干扰。”东南大学教授宋爱国的进一步阐释意味着这种转变难上加难。

这个信号转变的稳定实现,让巴掌大小的日本阵列式产品即便卖到10万元,也能在科研和产业市场占尽先机。“靠进口”是科技日报记者日前多方调查该产品消费者的一致答案。

行业内,工艺不过关

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。

“我们曾委托深圳的一家企业制作阵列式触觉传感器,但因为工艺不过关,产品的一致性比较差,传感器阵列中点与点的性能无法做到一样。”宋爱国的经历可能并不是个例。

“我们的大部分关键零部件都是国外进口。”国内某知名机器人制造企业负责人表示,包括触觉传感器、减速器在内的国内产品,在稳定性、一致性方面不太过关。

“传感器用国外进口的。”杨鹏飞所在的生命科学院,通过对骨骼等的研究进行仿生机器的生产,以用于航天或工业辅助用途。“这些仿生机器会在很严苛的环境下工作,对零部件的要求很高。”

可见,对卖方而言,工艺门槛太高;对买方而言,国产货没有保障。“一个向左、一个向右”的局面,形成了依赖进口、内生乏力的恶性循环。

行业外,材料不够纯

除了生产工艺,材料纯度也是从实验室到工业生产的“扼咽之处”。

“导电橡胶、导电塑料、碳纳米管、石墨烯等都是可用作触觉传感器的材料。”宋爱国说,国内的材料质量、生产水平并不稳定,“石墨烯的生产应该还可以,但是用石墨烯制作传感器的技术还不成熟”。

为了获得高品质的材料,宋爱国实验室会自己用导电膏制作符合标准的导电橡胶。导电橡胶通过将玻璃镀银、铝镀银、银等众多导电颗粒均匀分布在硅橡胶中制成。挤压可以让导电颗粒相互连接,从而产生电流。分布越均匀,电流产生与压力的关系越有规律。

技术复杂,另一道坎

日渐复杂的技术也让国产产品落得越来越远。

一片巴掌大小的日本阵列式传感器售价10万元,并能保持严格的均一、稳定性。而国内产品多为一点式的,一般100元一个。

宋爱国介绍,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,由于衬底柔软,对不同方向力的计算以及力之间耦合干扰的消除使得敏感元件越多、相互之间的距离越短,越难做到准确地输出。日本在产业化方面较为领先,其他国家大多处于实验室阶段。

此外,每个敏感元件的受力维度也增加了技术的复杂性,施力有六个维度(X、Y、Z轴3个方向,以及对应的力矩方向),维度之间的耦合干扰如何消除也是需要在基础研究上发力的环节。“著名的波士顿动力翻跟头机器人用的仅是三维的触觉传感器。”宋爱国说。

有布局,但转化难推进

我国在触觉传感器的一种——多维力传感器的研究方面,很早就进行了布局。宋爱国介绍,1987年东南大学和中国科学院合肥机械智能研究所获得863重点专项的支持,研制六维力传感器。“静态精度已经达到误差率仅为1%—2%,和世界先进水平差不多。”宋爱国坦言,但是动态精度还需进一步攻关,动态耦合误差在5%—10%左右,“例如尚未达到有高速打磨任务的工业机器人的使用要求”。

但是,从成本上看,“目前的工业机器人平均造价是12万元左右,一个六维力传感器成本就要3万余元,目前的国内工业机器人市场还不具备规模化生产这一产品的条件。”宋爱国说。相较而言,美国ATI工业自动化公司的相关产品,成本已下降到每个2—3万元。

不可否认的是,在原创技术的追赶中,后来者必须绕过先行者的相关专利保护,除非找到明显更优解,否则很可能会因为绕过专利而提高技术达成的门槛,大多数时候,传说中的“变道超车”要靠运气。

(科技日报北京4月24日电)

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