《核心工业软件:智能制造的中国“无人区”》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-05-17
  • “德国最大的企业是哪家?西门子?大众?都不是,是SAP,一家引领德国工业4.0的工业软件公司。世界500强中,80%的公司都是它的客户。”5月16日,中国信息安全研究院总工程师夏刚研究员接受科技日报记者采访时说,而我国的核心工业软件领域,基本还是“无人区”。

    工业软件缺位,为智能制造带来了“成长的烦恼”。譬如,芯片设计生产“必备神器”EDA工业软件,我国就不得不面临被国外生产制造商无预兆“卡脖子”的风险。

    EDA软件水平代表一国电子产品设计能力

    工业系统复杂到一定程度,就需要以计算机辅助的工业软件来替代人脑计算。工业软件“管辖范围”涉及原料供给调度、产品设计分析、工艺流程管理、工业控制、质量管理等诸多领域。

    EDA,即电子设计自动化。用于辅助和实现EDA的软件,被归口为高等级“行业通用”工业软件。在先进制造的“流水线”上,没有先进EDA软件做产品设计,再高端的设备、再精湛的工艺,也得“歇菜”。

    EDA软件是在虚拟世界帮设计师“试错”的“实验员”。夏刚说:“它能极大提高电路设计效率。”

    没有这个软件,设计者可能要经过若干次实物试验,才能做出一个合格设计。有了EDA软件,就能通过计算机“试错”,低成本设计出合格产品。通过EDA软件平台,设计者借由计算机自动完成逻辑编译、简化、分割、综合优化、布局、布线和仿真,直至对特定目标芯片完成各项工作。

    “简单到收音机,复杂到英特尔酷睿i7的处理器都能通过EDA软件的电路设计与仿真技术来实现。能否设计出更高性能的CPU,既取决于设计团队的专业知识,也取决于表达专业知识的EDA软件。因此,一个国家的EDA软件水平,代表着其电子产品设计能力的高下。”上海交通大学网络空间安全学院副教授陈秀真说。

    缺乏先进原生工业技术,我国EDA难“全能”

    我国也有自主EDA软件。夏刚表示,例如华大EDA和EasyEDA等产品,做了多年技术积累,拥有一大批成功用户案例。对于模拟电路或全定制设计电路,国产EDA与美国主流EDA工具相较,设计原理上并无差异,但软件性能却存在不小差距,主要表现在对先进技术和工艺支持不足,和国外先进EDA工具之间存在“代差”。这种“代差”可被“数字化”:仅国外EDA三大巨头公司Cadence、Synopsys及Mentor,就占据了全球该行业每年总收入的70%。

    这样的差距,源自国产EDA软件在部分工艺技术上的缺失。模拟电路或全定制设计电路,主要需要原理图、版图、DRC工具等EDA软件。这类软件规模不大,性能和可靠性要求却甚高,对工艺依赖程度高。通常,为满足设计需要,设计工程师要对芯片生产厂家提供的某些工艺参数修改、调整并验证。因此,模拟电路设计除需要上述主流EDA功能外,还需要针对芯片生产厂家提供的EDA软件进行分析和验证,以及二次开发,并要通过自动检查分析工具来保证芯片可靠性。

    这类特殊的专业软件,国内EDA厂商只能“分情况”供应。对于设计一款既可通过全自动EDA软件设计,也可采用半自动或手工流程来设计的小规模数字电路,尚能“hold”住。

    对只能依靠全自动综合工具和布局布线工具来完成设计的大规模数字电路,国产EDA软件则显“力不从心”。

    “大规模集成电路最先进的设计和生产工艺,都源自美国等国家。没有原生的先进工业技术,是我国EDA工具无法‘全能’的根本原因。”研发自主操作系统的天津麒麟公司总裁孔金珠研究员说。

    成立于1984年的美国Xilinx公司,主要研发、制造并销售高级集成电路、EDA软件设计工具。该公司首创了现场可编程逻辑阵列(FPGA)技术,与传统方法比,利用该EDA软件客户能更快设计和验证电路,大幅缩短电子设备制造商产品开发周期,降低开发风险。

  • 原文来源:http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2018-05/17/content_671340.shtml
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  • 《中国“全数字PET”穿越无人区》

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    • 编译者:zhoujie
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    • 近日,国家药品监督管理局在网上公布了《准产批件发布通知》,“正电子发射及X射线计算机断层成像扫描系统”(以下简称全数字PET)赫然在列。这是我国科学家用19年的心血,凝炼一系列自主原创技术打造的全数字PET。拿到这一批文,意味着这一国产全数字PET医疗器械正式进入市场。 全数字PET之于传统PET的关系,好比数码相机之于胶片相机,在技术上是质的飞跃,有望带来PET应用场景的全面革新。中国科学院院士倪嘉缵认为,全数字PET从关键材料、核心元器件到系统整机全部为中国自主研发,正是自主创新的代表性成果。 做出了真正的国际原创 PET是正电子发射断层成像的简称,一种生化灵敏度极高的核医学分子影像技术。在恶性肿瘤、心血管疾病、神经系统疾病等重大疾病的基础研究、早期诊断、疗效评估等方面具有极大的应用价值。 “过去,GPS(GE、飞利浦、西门子)创造的PET产品在重大疾病的精准诊疗中作出了杰出贡献,也形成了成熟的技术体系。完全跟随GPS的技术路线,能够让产品开发的风险大大降低,但也始终只能做一个跟随者。”全数字PET发明人、华中科技大学教授谢庆国说。 2001年,谢庆国创立了他的实验室。2004年,他首次提出MVT全数字采样方法;2009年研制出全数字、模块化PET探测器。2010年,全球首台数字PET科学仪器问世;2015年,鄂州市委市政府将数字PET列为“1号科技工程”进行转化,当年8月,全球首台临床全数字PET设备问世。2018年,全数字PET/CT完成临床试验。 其间,正是科技部、国家自然科学基金委和地方各级科技部门看到了数字PET的巨大潜力,大胆充当了“天使投资人”,支撑着团队一路走下来。目前,谢庆国团队累计获得各种项目经费超过2亿元,已申请500多项专利技术,授权200余项。 “现在,数字PET终于拿到第一张医疗器械注册证,这意味着,我们做出了真正的国际原创,这条全新的技术路线被验证是通的、是对的!”谢庆国说,“这其中最让我们感到自豪的是,我们定义了‘数字PET’。作为衡量PET产品先进性的金标准,数字PET在某种意义上已成为一种标准、一种定义。” “地狱模式”下打通技术路线 临床全数字PET产业化负责人张博透露,在资源有限的情况下,目前这款取证产品可以说是用了一个技术挑战难度最大的系统设计,好比是玩游戏直接选了“地狱模式”。在最难的模式下打通了技术路线,后面的工作就易如反掌了! “这充分显示了数字PET这个全新技术的巨大潜力。”张博兴奋地说。 事实上,PET数字化带来的优势不仅体现在它能发现更小的肿瘤病灶,实现早诊断早治疗,其高度模块化的设计,还具有研发快、搭建快的优势。据张博介绍,2015年首台临床全数字PET样机从设计到最终造出机器,只用了9个月的时间,而且投入的人员和资源都比别人低一个量级。 另一个例子就是已在中山大学附属第一医院装机的首台脑部专用全数字PET。这台设备仅用3个月便完成搭建,目前,该设备已完成了多例脑部成像试验,即将在阿尔茨海默症、帕金森症等重大脑疾病的诊断和研究中大显身手。 根据2017年2月发布的全国癌症登记点的数据:中国癌症患者的五年生存率仅为30.9%,不及美国的一半。中国癌症患者生存率低的重要原因之一,还是在于癌症的发现和治疗不及时。据了解,目前美国和日本每百万人口拥有PET数量达4台以上,而中国每百万人口不到0.3台。张博告诉记者,国产临床全数字PET一旦实现量产,可望大幅降低民众获取PET检查服务的门槛。 形成了创新闭环 不容易被人卡脖子 谢庆国介绍,数字PET涵盖了从原理、系统到应用的整个创新链。产业链串接闪烁晶体关键材料、SiPM核心器件、数字PET探测器核心部件、动物全数字PET科学仪器以及临床全数字PET医疗器械,乃至影像应用服务,形成了一个创新闭环,在技术上不容易被任何人卡脖子。 弱光探测芯片是PET的核心器件,一直被西方垄断。为了将来不在产业链上受制于人,谢庆国团队从2006年开始布局新型光电转换器件的研发,终于在2017年成功研制出标准CMOS工艺的全数字硅光电倍增器(SiPM),性能达到国际先进水平,其研发成功对实现中国弱光光电探测技术的自主创新、提升国家工业核心竞争力具重大意义。 “随着数字PET科研高地的形成,外国的顶尖人才被吸引到了中国,而我们也源源不断地将先进的技术和产品输出到国外。”谢庆国说,“随着中国科技实力的提升,从前人才输出、技术输入的情况正在发生反转。数字PET正是典型的例子。” 倪嘉缵院士对中国数字PET产业满怀期待:“长久以来,PET的核心技术一直是掌握在国际巨头手中。如今,国产全数字PET拿到市场准入后,最关键的,就是得尽快量产、做大做强,在大规模应用中不断完善全数字PET这条全新的技术路线,让国产的高端医疗器械能够早日造福民众。”
  • 《中国制造?》

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    • 编译者:杨芳
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    • 中国制造? 亚洲仍将占据制造业的领导地位,其他国家面临发展困境。 中国通过本土生产、产销外国的方式改变自身经济的同时,也改变了全球的经济。1990年,中国只占全球制造业产值不到3%的比重;现在这一数字上升到将近25%。中国生产了全球80%的空调、70%的手机和60%的鞋子。中国崛起的白热化趋势进一步促使供应链向东南亚深入扩展。“亚洲工厂”如今生产了将近一半的全球商品。 中国一直紧跟着“亚洲四小龙”如韩国和台湾的步伐。许多人推测,在条件成熟的时候,制造业的指挥棒将会指向世界其他地方,使这些国家或地区也能依靠制造业繁荣起来。但是中国不仅没有因薪酬上升而产业遇冷,反而抓紧了对市场的掌控。低成本工作的确从中国转移到了东南亚,这一结果更是增强了“亚洲工厂”的主导地位。这一局面为中国轨道之外的其他新兴市场制造了难题。从印度到非洲再到南美,变幻莫测的富裕之路变得愈发艰难了。 怠工 中国经济不如以往强劲了。房地产市场因供应过剩面临危机。日益增加的债务成为负担。本月早些时候,中国政府宣布今年的经济增长指标为7%,这也是二十多年来最低的目标。而本周的数据显示,即使是7%的增长目标也并不容易实现。然而,中国在制造业方面仍具有三大优势,并将有利于总体经济的发展。 首先,中国在发展高端市场,进行高产值研发的同时,也仍紧抓低成本制造业。中国在全球服装出口产业的份额增加了,从2011年的42.6%到2013年的43.1%。中国也正在尝试用更少的原材料制造更多的产品。世界银行发现,中国进口原材料占总出口额的比重从20世纪90年代巅峰时期的60%下降到了如今的35%。部分原因在于中国拥有其他国家争相模仿的有效的供货商集群。中国有优秀的、改良的生产结构。中国计划到2020年建设10座机场。根据中国政府最新的“2025中国制造”政策的指导,中国公司正在利用自动化技术提高生产率,以弥补劳动力成本增加带来的不利影响。 中国的第二大优势就是“亚洲工厂”本身。由于劳动力成本上升,一些低成本工厂确实正在离开中国。其中大多数都转移到了拥有大量廉价劳动力的东南亚地区。这一过程却带来了相应的负面影响。去年,一个NGO组织发现,马来西亚电子产业大约30%的工人都属于强迫性劳工。但是,在三星、微软、丰田和其他跨国公司削减中国地区产量、转向缅甸和菲律宾的同时,他们也强化了一个以中国为中心的区域供应链。 中国的第三大优势在于,中国正迅速发展为重要的需求市场。中国消费阶层日益增长,亚洲工厂正在占据更高份额的高利润市场和服务业。与此同时,中国市场的需求也进一步强化了亚洲供应链。在中国市场竞争问题上,本土商人比远距离的竞争者更有优势。 灵活的政策能进一步发挥这些优势。东盟有能力抢占低端制造业市场。中国占美国鞋业进口市场的份额从2009年的87%下降到了去年的79%。越南、印度尼西亚和柬埔寨分走了其他份额。但是,东盟可以进行更多努力,来创造一个致力于复杂商品和服务的专门市场。区域贸易,当然最好是全球贸易将使制造业网络从中国覆盖到周边其他国家的过程更加顺利摆脱外国对零件的限制后,泰国在汽车制造业方面的实力证明,正确的政策是如何使东南亚国家与中国机器制造业对接的。 不幸的是,其他新兴经济体却高兴不起来。他们缺少一个巨大的经济体来担任区域组织的核心。北美自由贸易区将墨西哥的公司纳入了纵贯北美的供应链之中,但是却没有包括中美和南美的一些国家。沉重的贸易壁垒使西欧将不会像帮助中欧和东欧一样帮助北非国家。 即使当印度和撒哈拉以南非洲从亚洲工厂手中分走了部分产量,另一个问题仍然存在。制造业可能不会再创造曾经可观的就业局面和经济收入了。过去,出口导向型制造业使大量劳动力从田野进入了工厂,劳动力的生产效率得到了大幅度提升。现在的科技进步减少了工厂的劳动力需求。中国与其邻国可能是最后搭上廉价劳动力顺风车的国家。 出口无疑是新兴市场获得成功的最可靠途径。在全球市场内竞争是最有效的提高生产率的方式。但是亚洲工厂之外的其他政府必须依靠多种多样的发展方式——不仅仅是制造业,还有农业和服务业。印度IT产业就是很好的例证,但是这仅仅是高技能人员的产业,这个国家庞大的劳动力市场并没有得到有效利用。 促进政策实施 如今的发展模式需要更多的政策制定者制定更有效的政策,而不仅仅是在制造业劳动力成本上的竞争。全球贸易服务进一步自由化将有利于南美洲和非洲。基础设施花费除了集中于港口和道路建设外,还要注重光导纤维电缆建造。教育是关键,要想进入全球市场,高技能劳动力必不可少。 对于发展中国家而言,这些建议可能较难实施。但是,想要靠中国不再廉价的劳动力分到一杯羹,结果只能是失败。