干勇院士:制造業強國三大基礎要素——新型信息技術、新材料和技術創新體系

2018-08-15 09:20:00
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近日,在第二十屆中國科協年會上,中國金屬學會理事長、中國工程院院士干勇作了《制造業強國的三大基礎要素—新型信息技術、新材料和技術創新體系》主旨報告。以下為報告全文,供大家交流學習。

  • 來源:中國科協網

  • 轉載自:走向智能論壇

制造業強國三大基礎要素

——新型信息技術、新材料和技術創新體系

中國金屬學會理事長、中國工程院院士干勇

中國制造2025是中國制造業的強國戰略,由中國工程院和工信部在國家層面共同發布的方針戰略,我們堅持創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展,用網絡化、數字化、智能化搶占重要領域的先機。

分三階段,第一階段2025基本進入德國、日本第二方陣,2035年從這個方陣出來,到2050年和美國可以并駕齊驅。中國制造2025的九大任務、10大重點領域和5項重大工程里面,我們最后凝練出來三大基礎要素。大家看10個重點領域可以分為四個方面:一是新一代信息技術,新型信息技術基礎要素,我們在五個領域統計一下網絡與通信、先進計算、虛擬現實與數字媒體、信息安全、微電子與光電子,我們在和國際比較領跑、并跑、跟跑占的比例,在微電子與光電子領域,我們領跑只有5%,將近70%是跟在人家后面,而且差距很大。另一個是新材料,這是基礎要素,高端裝備占七個領域,高端裝備里包括高端數控機床、機器人、航空航天裝備、海洋工程和高技術船舶、先進軌道交通、新能源汽車、智能電網、數控機床等。

集成電路包括了設計、制造、封裝,受到了重大裝備和關鍵材料的限制,差距比較大。我們芯片雖小,卻是“國之重器”,裝備制造的芯片相當于人的心臟,很重要。我們很快每個月需求300毫米的大硅片,將達到100萬片,但是國內還是外商的生產廠家,只有20萬片左右,我們每個月的缺口在80萬片。1萬片投資將近10億美元,這不光是投資問題,還包括了大量的技術。特別是中興通訊事件,體現我們核心芯片的大量依賴進口的缺點。核心技術不在我們手里,而且差了1.5到2代,中低端芯片對外依存度達到80%,高端芯片對外依存度超過90%。2017年我國服務器銷售了255萬臺,但是服務器98%都是英特爾的x86的CPU指令集的服務器,盡管曙光、華為、聯想及浪潮等國產廠商占據了主要的整機份額。但是材料的成本85%以上來自于國外供應商,技術受制于人。PC行業雖然我們早都實現了國產化,但是一些高端技術元器件,包括高端電容電感國產化率很低等等?,F在CPU在國內差距很大,至少是兩代以上。僅飛騰才用了ARM指令集,國產CPU生態環境在英特爾的壓力下十分艱難。

內存:內存顆粒主要被韓國、美國壟斷,硬盤行業也被國外壟斷。集成電路材料和器件,所有的半絕緣碳化硅襯底、導電襯底及外延片是0,主要從美國進口。MEMS器件玻璃粉封裝,自給率0%,電子信息功能陶瓷材料自給率0,都是在國外進口。高性能氮化物陶瓷粉底及基板自給率也是0,光刻膠自給率只有5%等等,高純石英玻璃及制品、探測用的人工晶體主要來自于國外。

新一代信息技術產業需要重點補充短板的材料一大堆,特別是193納米光刻膠完全空白。2025年我們制定了硅及硅基半導體材料發展重點目標,這是國家新材料重大專項方案剛剛出來編制,我們向國務院和科技部做了匯報,300毫米硅片產品由14nm提升到7mn水平等等,這是2025年的目標,特別是在新型半導體材料上,我們希望換道超車,比如說開發三維RRAM器件材料體系與結構單元,或包括1G到5G更高容量的磁性隨機存儲芯片等等。

光電子器件。主要面向寬帶光纖通信網絡、物聯網、數據中心、無人駕駛等等,但是硅基光電子集成芯片技術、混合光電子的集成技術,包括微波與光波的技術非常重要,成為我們當前的掣肘技術。如果我們在10個GP以上,速率光電子器件國產化幾乎為零,光電子器件研發中心技術高、更迭迭代快,所以需要長期積累。中興在光傳輸、數據通信和寬帶接入等信息通信系統,光光交換、光復用收發器件與模塊,從美國采購的光電子芯片與器件每年總金額達到31億美元,占總采購額53%。

舉例,中興通訊卡脖子的產品,高速激光器芯片等等,100、200Gb/S相干光調制解調芯片,還有窄線可調激光器芯片全部進口。

光電子器件和集成是我們通信5G發展的關鍵。建立標準化的集成工藝標準,光交換和光互連的核心芯片集成技術已進行重點突破。我們必須要在超100G光傳輸技術上,大踏步前進,這里光電子和微電子的融合支撐產業升級和高質量的發展是我們要選擇的一個道路。比如說氮化物半導體是唯一覆蓋紅外到紫外波場范圍的半導的體系,包括Micro-LED新型顯示技術。另外發展寬帶同心合新型網絡優勢。我們移動通訊、新一代網絡,特別是五代通訊網絡在超高速、大容量、智能光傳輸和光交換方面一定要達到國際的高端水平。我們的光帶通訊和信息網絡要超低延伸了無線聯通設計技術,大規模的天線配置等等,網絡化系統,去蜂窩化、個性化和云化方面也比較取得突破。

在移動互聯網方面我們是很強大的,但是我們應該在網絡功能虛擬化、智能化、平臺通用化方面,在移動互聯網體系構架、基礎芯片、軟件方面要取得突破。自主可控的互聯網關鍵技術非常重要,習總書記強調高端服務器和處理器必須自主可控。2018中國大數據產業博覽會大數據安全高峰論壇,習近平總書記發去了賀信,要求保證我們的網絡安全,特別利用我們的物聯網、大數據、智慧城市、人工智能的優勢,要大力研究自主可控的互聯網關鍵技術,要真實可信、信息安全、訪問授權、攻擊預防、事后追溯、容器網絡、分級控制。所以,要發展云計算與大數據的優勢,這是我們重要的中心任務。

發展物聯網及智慧城市,這是我們中國人的優勢,我們在數百個城市開展智慧城市的建設。包括大規模的視頻監控和智能傳感。網絡協同制造,新一代人工智能中大數據智能整體框架,三元空間的大數據,一會兒還會講人工智能,包括信息空間人類社會,物理空間人工智能的基礎架構和平臺,人工智能的理論與模型等等,都要開始進行。大數據智能的計算范式,從數據到知識的決策。包括工程院最近開展人工智能發展的一些課題研究,基于大數據的人工智能,群體智能的理論方法與技術,跨媒體智能,混合增強智能,智能無人系統,無人機、車聯網等等,這是我們的信息技術,這是一個基礎支撐。

新材料:這次發現中美摩擦,封鎖中興通訊除了元器件之外關鍵是材料,高端材料是重大工程成功的保障,突破封鎖和高質量發展需要強大的新材料支撐,我們了解到2030年,我們需要的材料的一些重要材料情況,大尺寸的硅片每年要達到40億平方英寸,第三代半導體先進半導體拋光光片要達到7.5億片,三代半導體材料外延芯片又需要6億平方英寸,特別是顯示面板每年3.5億平方米,包括現在我們有14條8.5代一級面板和10代最高級的面板,但是還是需要大量新型的顯示技術。

另外發展航空大飛機需要高溫的合金材料,我們的燃煤技術將近8億千瓦的裝機容量,現在600度超超臨界的改造只有2億千瓦,我們還有大量的改造任務,需要幾千萬的耐熱合金和耐熱鋼,包括高端軸承、齒輪、液壓、模具,包括海洋的各種耐蝕合金,深海開采,包括海水淡化的膜材料,特種塑料在現代制造業核心元器件的應用非常重要,這些紅色的字都是美國封鎖的重點。

我們新材料用的很多,基礎支撐變成13類,我們選擇其中幾類作為國家重大科技項目。一是高端裝備的特種合金,在海洋裝備、高鐵、飛機和高檔汽車的重大裝備里,比如說發電,如果我們的蒸汽溫度到600度到700度,每度電的煤耗將從330個標煤降到210克,我們每年40億噸煤一半以上在發電,每度電降1克標煤,節能效果就非常好。必須把700度的耐蝕合金、耐熱合金攻下來。而且中國雖然晚了20年,但是現在我們在汽輪機大型船只上走在了全世界的前面,包括壓水碓核電站的核能材料,包括深海油氣的采鉆技術各種材料,1400米以下我們很多材料高端空白、低端不能用,連標準都沒有。高磁感能源硅鋼,非晶合金,在非金材料上我們已經有24條線,把日本日立擠出了中國,非晶合金每秒鐘要冷卻100萬度,金屬玻璃,每公斤只有0.16瓦的鐵水,在配電變壓器里可以大量的降低損耗70%以上,是非常好的節能材料。

航空發動機代表一個國家的工業水平,航空發動機的難度難在材料和高溫合金上,新一代的渦輪盤制備技術使我們國家的高溫合金性能得到提高。先進的鈦合金材料、鎂合金、鋁合金的應用將使我們大大的節能,而且獲得更高的性能。鈦合金是一個最好的海洋材料和航空航天材料,性能優良,中國的鈦儲量全世界第一,我們也開發了很多鈦合金,應用沒有上去,全國只用了5萬噸,徘徊了近15年。這是鎂合金,比重只有1.7很輕,所以如果進入汽車,可以大量的減重?!?/p>

特別是在飛機上,如果用鎂合金代替鋁合金可以使飛機的減重達到數噸以上,鎂合金有一個缺點是高溫自燃,但是中國已經解決了這個問題,上海交通大學在鎂合金里加入重離子系統,這是中國特有的,是850度鎂合金燃燒,美國聯邦航空管理局FAA計劃年內取消商業飛機用鎂的禁令,并且和上海交大談判,鎂合金有望在航空當中應用?!?/p>

鋁加溫技術大斷面的復雜鋁合金型材,中國在技術上取得全面突破,新一代飛機大型整體式結構件,在鋁合金上得到提升。先進的輕合金將是我們重大的中國高端裝備應用下一代的高端材料。新型高分子材料還包括高性能碳纖維,碳纖維的應用是結構材料的革命。美國787飛機,52%是用碳纖維,大大減重,材料性能高、耐腐蝕、安全,所以交通、海洋、建筑工程、能源戰略新材料需要的碳纖維量將會很大。但是現在我們只有2萬多噸碳纖維產能,反而過剩,全行業處于虧損邊緣。目前我們在工藝裝備和技術上全面突破,成本逼近了日本東立?!?/p>

稀土的作用。每個領域特別是國防領域大量應用于稀土工程材料。愛國者導航之所以能精準攔截,得益于稀土工程材料的應用,“猛禽”戰斗機能夠實現超音速的巡航功能,依賴于強大的稀土永磁發動機。精制導武器和武器平臺的慣性導航和制導需要稀土工程材料,高靜安潛艇需要用稀土永磁電驅動動力系統。雷達、微波通訊、電子戰系統需要我們的永磁行波管、磁控管。衛星、飛船姿態軌道調控和空間探測推進器要利用稀土材料。先進戰機用的多電發動機要用高溫永磁體大功率內置式啟動發動機。所以,在整個新能源、機器人數控機床、稀土功能材料大量應用,汽車上利用了100多種稀土的材料,催化、除清、發光、永磁。而且稀土永磁的伺服小型電機成了關鍵,一個機器人面部表情,一個表情需要24個小型的稀土永磁伺服電機,而數控機床也需要大量的永磁伺服電機?!?/p>

我們看看這些年工業技術創新的方向,最早是蒸汽機,都是動力體系。第二是電氣化。第三是液壓體系。第四是光功能。在現在我們認為下一個創新熱點將是磁。產業升級永磁科技,產業升級,永磁發動機、永磁齒輪、永磁軸承、永磁懸浮將會起來,將會成為新型節能磁動力系統。市場力量巨大,這是一個新型的萬億產業。永磁調速體系已經變了,不用傳統的減速體系,永磁自動體系在30層樓高,如果電梯出現故障掉到地面,如果在導軌加上永磁,一杯水在地上都不會蕩出一滴來,非常穩定,可以永保安全。永磁齒輪,加上齒輪以后沒有磨損,不需要潤滑,壽命大大增加??梢钥梢詠砭薮蟮漠a業集群,應該列入國家重大專項,微電子、光電子材料,新型顯示第三代半導體,包括印刷與激光顯示是第三代現實技術,中國必須要突破,我們印刷顯示材料已經走在全世界前列。激光顯示,特別是綠光上,我們有藍光、紅光半導體,所以激光顯示和印刷顯示將是下一階段的所要顯示的技術。

大功率激光材料與器件,包括新型激光材料與器件不斷問世。高端光電子和微電子和國外差距巨大,但是在第三代半導體,我們和國外僅差三到五年的時間,特別是LED、光電器件上,我們有的地方領先國際。

大力發展三代半導體特別是在光電器件、功率器件和通信微波器件將起到巨大作用。綠色能源材料,我們不講動力電磁,我們就講現在部分發達國家計劃2040年到2050年實現氫能社會。中國社科院主席徐匡迪10年前認為,21世紀中國將進入氫能時代。

燃料電池,將是氫能時代的一個重要的代表,我們燃料電池全面啟動,在車上的工程化應用在某種程度上是一個終極目標零污染,現在整個技術在中國已經開始啟動,而且達到很高的水平。包括前沿的膜材料、智能仿生材料、石墨烯材料等等。

3D打印金屬粉末的各種材料體系也正在進行完善。新一代生物醫藥材料包括材料基因組工程,主要是在智能化設計新材料,材料基因組工程?;靖拍钍墙档脱邪l成本,新材料研究周期長,投入大,要降低研發周期縮短一半,降低成本一變,利用高通量的計算方法,高通量的試驗方法,材料大數據的技術來設計新一代的新材料。

最后是創新體系。我們發現美國在新的制造業工業互聯網下,開始創新,制造業的創新網絡建設計劃,已經建設了九個制造業研究院。德國產學研創新體系非常完善,為基礎應用技術和產業化做出了貢獻。英國的創新中心建設也非常成體系。中國以上海為主,我們的技術創新體系在上海還是很完整的。共性平臺,產業技術研究院,包括上海全球的科創中心建設已經進入一個新的階段,江蘇的制造業創新體系也是可圈可點,它的江蘇產業技術研究院作為中小企業的創新平臺。包括深圳四個體系,科技創新、創新服務、政策法規、投融資體系,非常完整。所以新型的平臺體系和互聯網時代為我們技術創新提供新的模式,技術創新平臺的大數據,技術設計服務網絡化產業化。

我們提出互聯網時代,制造業創新的新的模式。一個是技術創新平臺公司模式,第二是技術創新體系新型“聯盟公司”模式。“小核心、大協作”模式。制造業創新體系的基本思路與對策。軍用民用三基研發一體化,軍民融合的關鍵是基礎技術、基礎材料、技術核心元器件的融合,這是關鍵。材料和元器件研發一體化,料要成材,材要成器,包括設計技術創新平臺大數據的建設。

我們這邊提出每一個產業的創新服務平臺的基礎平臺云,包括基礎云、數據云、服務云。我們的原始創新水平不夠,應對國際封鎖和高質量發展已經成立數家國家制造業的創新中心。下面是已經成立的7家制造業創新中心。第一是動力電池國家制造業創新中心,第二是3D打印制造業創新中心,第三是新一代光電通訊制造業創新中心,第四是印刷機柔性顯示新技術的創新中心。第五是智能機器人制造業創新中心。第六是智能傳感制造業創新中心,5月23號剛剛在上海成立了兩個國家級的創新中心,一個是集成電路制造業創新中心,非常重要。之后還要成立一系列國家制造業創新中心,包括輕量化材料、燃氣輪機、工業信息安全、先進復合材料、智能語言、石墨烯,深海遠洋工程裝備、數字化設計、智能網聯、汽車、工業云制造、工業信息物理系統,工業大數據,高性能的醫療器械,也包括先進的功能纖維,輕合金等等。

形成中國制造業技術創新體系的十大系統能力,包括創新體系的統籌策劃能力、組織保證能力、資源利用能力、戰略運作能力、中國數字能力、機械導向能力、轉化固化能力等等,最后實現中華民族的制造業強國之夢。謝謝大家!

來源:搜狐網


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