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        林雪萍 | 褪色的智能 中國傳感器之殤

        2020-10-15 知識自動化

        智能少不了傳感器

        傳感器是數據采集的源頭,它無處不在。智能最前端所需要的態勢感知,基本都是要從傳感器開始。無論是智能制造、智慧城市、智慧醫療等,還是智能設備和大數據分析,再龐大的智能系統,都要從傳感器的針尖上開始。

        醫療器械界的奇兵——達芬奇手術機器人有四百多個傳感器;鼎鼎有名的波士頓機器人大狗,能夠自如地翻跳騰躍,則需要1300個傳感器。

        日本著名的馬桶品牌驪住Lixil,正在推出的智能馬桶,馬桶蓋背面安裝了圖像傳感器,可以自動識別糞便形狀,整個馬桶通過70多個傳感器,自動檢測并與云端相連,可以實現慢病大健康管理。而博世公司推出的工廠協作機器人助手APAS,內置了上百個傳感器,以便可以迅速感知人的狀態。

        這些令人嘆為觀止的智能產品,其實都是有共性的。

        這個世界的數字化步伐,半步都不能離開小小的傳感器。

        圖1  傳感器的數量

        然而在中國戰略性、支撐性的產業版圖上,卻幾乎找不到傳感器的位置。當新基建如火如荼建設的時候,傳感器——這一至關重要的支撐,卻幾乎被人忘在腦后。這個畫面大概如此,當所有光鮮的客人要步入大廳的時候,腳后跟卻都被夾在門外。這種尷尬的局面,遲早是要痛得大聲喊出來的。

        兩棲物種 傳感器六大怪

        廣泛使用的傳感器,它屬于以小搏大的工業門類,是通向其他產業的基礎。但傳感器也是一個很獨特的行業。很多傳感器都具有兩棲屬性:一方面,傳感器的核心是芯片,會追隨摩爾定律,有著快速進化的大腦;另一方面,它同時也與敏感材料、機械器件在一起,受到機械定理的許多制約。這是種獨具特色的產業,使得傳感器必須經過細心呵護,才能發展得很好。然而在中國,傳感器卻成為一個令人驚訝的“六大怪”行業。

        傳感器的第一怪:容量不小,而國內頭部玩家卻很小。2019年中國傳感器市場規模達到1700億元,估計有1700多家企業。除了歌爾、瑞聲靠著蘋果手機強大的出貨量,體量達到百億級,在聲學傳感器領域已經占住地盤。而其他領域,如手機、汽車、工控、可穿戴、物聯網等,基本上都是國外品牌的市場。在消費電子、安防之外的領域,產值超過1個億的企業并不多,只有鄭州漢威、寶雞麥克、南京高華等跑在前面,其他國內傳感器企業,基本都屬于土豆俱樂部。

        傳感器的第二怪:種類繁多,但這個市場很隱蔽。國外成型產品及在研種類有3萬多種,我國有2萬多種。這些數量未必精確,但傳感器無疑是一個龐大類別的產品。而這種產品,卻很少為業界之外的人所知曉。其實手機、汽車、工業測量、智能裝備等都是應用傳感器的大戶。而這幾年風生水起的智能制造、工業互聯網,都離不開小小的傳感器。當然人工智能也不例外??梢哉f人工智能跑得再快,腳上穿著還是傳感器的鞋。

        傳感器的第三怪:民品最怕斷供,軍工不怕價高。軍用傳感器已經高度自主化,主要是由于軍品采購可以不計成本。而如果要到民用市場來競爭,那是既要拼規模,也要有高性價比。如果功耗小一點,成本小一點,那就可贏者通吃。因此民用市場的突破還很艱難,也無法從軍工市場獲得支撐。兩條隧道,各通一邊,沒有打通。而民用儀表傳感器高度依賴國外。日本橫河跟重慶川儀有一家合資公司,生產橫河川儀的儀表。日本橫河提供的諧振式壓力傳感器,這是最高精度的壓力傳感器。國內攻關一直未能攻克。這家合資廠也只能依賴日本的傳感器。

        傳感器的第四怪:中國制造雖以成本著稱,但傳感器的成本優勢還沒有國外明顯。中國目前生產大部分都是低端傳感器。而我國中高端傳感器進口占比達80%,傳感器芯片進口更是達90%以上。中國生產成本也很高,收入才幾千萬,如何舍得投入幾千萬建生產線?現在很多傳感器廠家,還都是單干,手工裝配很多。因為產量上不去,有的1個月的產量也就5000只,根本談不上規模效益。而博世、歐姆龍等早就把工廠設立在中國,成本優勢同樣巨大。

        而且,美德日品牌企業對中國傳感器市場虎視眈眈,對市場份額看得很緊。中國一有進步,就會被國外品牌降價擠壓。2010年日本歐姆龍一個開關要接近400元,而現在隨著中國品牌的逐漸崛起,現在只需要60元。靈活降價,堅決保衛市場份額,是國外廠商常見的營銷手段。這種方法,一直將國產品牌壓制在面黃肌瘦線附近,很難翻身。

        傳感器的第五怪:市場巨大,融資最難。本來智能制造、人工智能大熱,傳感器終于應該迎來咸魚翻身。但是,沒有。這是一個投資人不待見的市場。由于國內對這個產業的重要性的認識不足,導致投資界一直處于冷淡期。這跟產品隱蔽,做大做強比較難,是有關系的。而國家對這個產業的“冷處理”的態度,自然也影響了投資基金的判斷。

        傳感器的第六怪:本是國之重器,奈何落地淪為小蘿卜頭。傳感器作為感知的第一道防線,是人類社會走向智能的關鍵源頭。然而這個行業一直得不到重視。上世紀80年代初,國家科委主持的課題研究中,在討論信息技術包括哪些技術的過程中,“傳感器技術”引起了巨大的分歧。但因為體量太小,最終還是被切掉。這一晃,四十年都過去了,情況幾乎沒有變化。雖然最近兩三年有些鼓勵發展傳感器的政策陸續出臺,但一無力度二無資金,基本也就是草草地走了過場。

        傳感器其實就是互聯萬物的五官,是眼睛,是耳朵,是各種觸覺。盡管如此重要,卻無人重視。傳感器六大怪,本身就是一大怪事。這可真是一根扎心的刺。

        驚人的利潤

        在國內,傳感器并不容易掙錢。由于芯片不能自主,工藝研發投入巨大,再加上紅海競爭激烈,中國傳感器的利潤一直被壓得很低。根據國內40家傳感器企業上市公司的財報,將近40%的企業利潤率低于5%;而利潤為負就有6家。

        都說制造業利潤低,傳感器看來也是其中的一種。不過,不掙錢,并不是這個行業的真實情況。

        日本基恩士傳感器公司,可以說是日本最掙錢的公司。2019年營業額接近360億人民幣,而利潤,則達到了驚人的180億。利潤率居然超過50%,而且常年如此。傳感器這種在中國幾乎無法建樹的行業,被日本做成了真正的搖錢樹。

        這家以純設計(Fabless)起家的傳感器公司,主要是設計和銷售傳感器、測量系統、激光刻印機等。從產品開發策略來看,它從來不定制產品,堅持完全“以我為主”的標準化產品研發。這種策略,維持了產品研發的規律性,而定制產品則會有很大的周期不確定性,經常導致企業失去靈活性。為了不斷開發新品,基恩士采用了廣泛的研發信息源,促使產品的多樣化。而從產品系列而言,則采用了深度嵌套的產品組合。既有傳感器產品,更有在傳感器基礎上做好的測量系統,成為測量領域的領頭羊。

        國內像??低?、大華等領頭羊,都是走大型工程。雖然也掙錢不少,但其實跟傳感器也沒有太大關系。即使是以氣體傳感器起家的鄭州漢威,這幾年也是重點聚焦在水務、環保等總包工程。傳感器事業板塊,不過只是這家上市公司的高科技之名而已,從體量而言則基本就是無足輕重。

        傳感器主要用在電子產品、工控與測量、設備等幾個板塊。而傳感器的發展,最早是來自工業自動化的推動。但在中國最黯淡的,也就是工控與測量這個分支了。最典型的可以算是上海威爾泰儀表公司了。這家企業以核電為入手點,進入到傳感與儀表領域的,屬于純正的工業自動化產品。從上市公司財務報表來看,這家公司上市已經14年,但最近一年收入大約在六千萬元。不得不說,經營慘淡。要知道,另外一家巨頭公司霍尼韋爾公司,其傳感與物聯部門在全球的營收將近60億元。

        設計軟件沒人管

        工業軟件是中國制造的軟肋,傳感器更是如此。而傳感器的設計軟件,也是非常隱蔽的匕首。這幾年MEMS傳感器非?;鸨?,每個手機中都有幾個,如感知加速度的。而一般的汽車至少也有十多個。德國博世、美國博通、荷蘭恩智浦等都是業界巨頭。中國只在麥克風的MEMS傳感器扳回一個角,做得很好。

        然而MEMS傳感器的設計,需要兩款很專業的CAD軟件。一個是 IntelliSuite,這是美國1991年創立的,這也是最早的MEMS專用CAD設計畫圖軟件。

        另外一家ConventorWare也是美國公司。中國很多傳感器企業幾乎都在用,能占據中國80%的市場。當年在國內承擔863計劃MEMS研究項目的30個研究小組,全部都使用這種軟件。它在MEMS傳感器的位置,跟6月份哈工大被斷供的Matlab軟件在科學計算中的地位,基本一樣。而在中國,幾乎沒有這種軟件。不幸的是,這款軟件在2017年被泛林LAM收購;而LAM是美國第二大半導體設備制造商。這都是美國政府最容易動刀子的斷供之地。

        工業軟件,非常的細分了。如果不深入到行業中去,很多軟件都是隱藏而不可見。這種處境,倒是跟傳感器一模一樣。傳感器和工業軟件,似乎都穿著隱身衣。而正是這些看不見的工業軟件,其實暗地封鎖著中國制造的諸多命脈。傳感器設計軟件,就是其中一道令人緊張的暗穴。沒有軟件,這些傳感器很難被設計出來。

        幾乎全是卡脖子

        在中國,消費類電子的傳感器,由于市場的拉動,近十年已經有了很大的進步。然而在工業級的傳感器,卡脖子情況比芯片還厲害。圍繞著控制與測量,尤其是儀器儀表傳感器,幾乎100%進口。

        中國儀表的變送器兩大巨頭,都是“國外芯”。重慶橫河川儀年產歸諧振變送器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??梢哉f,這兩家占據中國70%以上市場的龍頭企業,基本就是給日本和美國打工。其他企業情況也一樣,蘇州恩德斯豪斯E+H一年大約5萬臺,用的是德國E+H;而國內品牌的龍頭企業 ,用的基本都是德國FirstSensor。要命的是,這家公司,在今年3月被美國傳感器巨頭泰克連接公司所收購 。這對于中國的儀表,實際上非常的兇險。今后是否還能買到德國傳感器芯片,存在著極大的不確定性。

        這意味著,石化、醫藥等流程行業廣泛使用的變送器,其中的傳感器除了用日本橫河和美國羅斯蒙特的芯片,原本用德國的公司的現在也要依賴美國公司了。

        其他行業也基本是類似的狀況。根據傳感器國家工程研究中心《中國傳感器發展藍皮書》的統計,汽車傳感器、高端化學類氣體傳感器、光纖傳感器、環境檢測傳感器,對國外進口依賴度都是在95%以上。至于海洋傳感器,用于移動觀測平臺的自動浮標、水下滑翔機,以及海上浮標等,則是100%進口。

        國人非常關心的PM2.5值,其測量儀基本都是采用儀表巨頭美國熱電公司的產品。它內部所使用的微量振蕩天平,通過測量濾膜上微小顆粒的質量而引起振蕩管的頻率變化,來測試空氣顆粒物的濃度。以精密測量的傳感器作為基礎,熱電公司的一臺PM2.5測量儀,動輒幾十萬元,甚至上百萬元。也只有國家級測量站,才用真正用得起這種儀表。而直到最近,這種技術才被天津大學精儀學院畢業博士所創立的天津同陽公司,基本攻克。這是一種很幸運的進展了。

        傳感器的卡脖子方式,與絕大部分其他工業產品都不一樣。它就像一個漫山遍野的地雷陣,分散而隱蔽。要逐項對這一類卡脖子短板進行突破,必將是一個漫長的過程。而且要逐個突破,也基本不現實。

        歷史上的動搖

        傳感器與通信、計算機被稱為現代信息技術的三大支柱。但本來處于戰略要沖的傳感器,在中國的產業位置,基本一直被邊緣化。

        這在中國,是有過歷史上的動搖。據國內信息化老前輩介紹,上世紀80年代初,一些專家參與了國家科委主持的“信息技術發展政策”課題的研究與起草相關政策。當時第一個要解決的問題是: 信息技術包括哪些技術?計算機、集成電路、通信技術和軟件四大技術得到專家們一致的同意。問題出在“傳感器技術”,大家意見不一致。

        圖2  中國信息技術的構成

        從理論上說,大家都同意,傳感器技術是信息技術的一個重要組成部分。如果缺少傳感器,信息技術就不完整了,體系上無法自洽。但是,從行業營業額來看,當時的傳感器產業太小了,不要說與通信產業這樣的大產業比,就是和當時的軟件這樣的“小產業”比,也不在一個量級上。如果并列在文件中,非常難以落筆。討論了很長一段時間,最后還是“忍痛割愛”了。

        可以說,信息技術剛剛起步,作為支點之一的傳感器,從一開始就被邊緣化。這種偏差,意味著中國的信息化,一直就是瘸腿的信息化。而進入數字化時代,工業互聯網成為國家戰略,這種瘸腿就更加明顯。然而,這種歷史上的動搖所形成的隱形偏差,歷經四十年,越發畸形,而且直到至今,也未能得到糾正。

        現在,應該是回到原點,重塑根基的時候了。

        小記

        芯片卡脖子,舉國上下群情激憤,到處都是大投資。但中國的卡脖子,其實是一個系統性工程,不是只出現在某一個節點上。要說卡脖子,中國制造幾乎就是長頸鹿的脖子,到處都是卡點。許多不同的卡脖子技術,底層有著更為隱蔽的交錯關系。傳感器的芯片,并不需要太高的納米制程,像當前最熱的傳感器的微機電系統MEMS,它需要的制程甚至可以用微米級完成。以舉國之力,狂熱的投資,都要去解決華為手機芯片,或者中芯國際的先進制程問題,既不科學,也不理性,更忽視了其他同樣重要的產業市場。

        跟芯片卡脖子是卡在明處完全不同,傳感器在中國的產業地位,基本就是一個黑戶口,無人關注。這才是傳感器產業最令人擔心的地方。

        中國數字經濟已經是龐然大物,目前占GDP的比重約為35%,總量超過30萬億元。傳感器正是數字經濟的最基本的支點。然而在這座龐大宮殿的入口處,守門的哨兵,卻依然在昏睡中。

        這是智能大門的缺失。傳感器就像無處不在的小傷口,隨時都可能作痛。傳感器之殤,中國不可承擋。

        關鍵詞: 林雪萍   傳感器   智能制造  
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