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兩件“國之重器”,同一個幕后功臣!
測序儀和光刻機,作為生命科學(xué)與半導(dǎo)體領(lǐng)域的“國之重器”,其發(fā)展之路充滿艱辛與挑戰(zhàn)。從專利爭奪戰(zhàn)到科技冷戰(zhàn),再到光學(xué)技術(shù)的精密支撐,每一步都凝聚著無數(shù)科研人員的心血與智慧。中科院長春光機所作為光學(xué)技術(shù)的中流砥柱,以其卓越的科研實力和創(chuàng)新精神,為國產(chǎn)測序儀和光刻機的崛起提供了堅實保障。在未來的科技競爭中,我們期待更多的“國之重器”在光學(xué)技術(shù)的助力下,閃耀世界科技舞臺,為國家的繁榮與發(fā)展注入源源不斷的動力。
測序儀和光刻機,分別是生命科學(xué)與半導(dǎo)體領(lǐng)域的兩大“國之重器”。
雖然它們的用途不同,一個幫我們破解生命的密碼,一個用來“畫”出手機和電腦里那些復(fù)雜到肉眼都看不見的芯片電路。但確實值得放在一起來說說,因為測序儀和光刻機有著戰(zhàn)略上的許多相似之處,而且它們背后有一個相同的幕后功臣。
首先,它們背后都有一場場激烈的專利爭奪戰(zhàn),核心就是搶占技術(shù)制高點。
基因測序技術(shù)從第一代到如今的高通量測序,專利戰(zhàn)幾乎貫穿整個發(fā)展史。以二代測序為例,2000年代,兩大巨頭Illumina和Life Tech展開了激烈競爭。Illumina的“邊合成邊測序”技術(shù)和Life Tech的半導(dǎo)體測序技術(shù),都通過專利布局拼命圈地。它們互相起訴,官司打了幾年,最后以和解收場。專利戰(zhàn)的目的不只是保護技術(shù),更是為了壟斷市場。像Illumina一度占據(jù)全球測序市場70%以上的份額,靠的就是專利“護城河”。
后來者如中國的華大智造,另辟蹊徑搞自主研發(fā),試圖避開專利雷區(qū),也依然免不了在2019年開始被Illumina起訴,盡管訴訟最終達成和解,Illumina其后又開始加大游說力度,使美國國會進一步通過法案限制華大等中國公司,直至中國商務(wù)部今年的反擊,在隱忍多年后,給出了對Illumina禁止進口到中國的裁決。
光刻機的專利戰(zhàn)更像是一場“光學(xué)霸權(quán)”爭奪戰(zhàn)。荷蘭ASML是當(dāng)今光刻機領(lǐng)域的絕對霸主,但它的崛起背后也有專利博弈。尼康和ASML曾在浸潤式光刻技術(shù)上爆發(fā)專利糾紛,雙方在美國、日本等地提起多起訴訟。后來,由于EUV技術(shù)的專利壁壘太高,加上美國的技術(shù)授權(quán)限制,日本廠商逐漸退出競爭。
其次,測序儀和光刻機都深深卷入了近年來的科技冷戰(zhàn),貿(mào)易摩擦直接影響了它們的全球供應(yīng)鏈和市場布局。
測序儀的貿(mào)易摩擦更多圍繞數(shù)據(jù)安全和生物安全?;驍?shù)據(jù)被認為是戰(zhàn)略資源,美國對中國測序企業(yè)的關(guān)注從2010年代就開始了。無論是“實體清單”還是《生物安全法》,這些摩擦表面是貿(mào)易問題,背后是對基因科技主導(dǎo)權(quán)的爭奪。
而光刻機的貿(mào)易摩擦簡直就是科技冷戰(zhàn)的縮影。美國從2018年起,通過出口管制法案(ECRA)和“實體清單”,限制ASML向中國出售EUV光刻機。2020年,美國進一步施壓荷蘭政府,禁止ASML向中國出口高端設(shè)備,理由是“國家安全”。
更重要的是,測序儀和光刻機在戰(zhàn)略上的重要性,怎么強調(diào)都不為過。它們不只是設(shè)備,更是科技主權(quán)的象征。
基因測序被認為是未來醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至國防的基石。掌握測序技術(shù),等于握住了生物科技的“鑰匙”。大國競爭中,誰能快速、低成本地測出基因序列,誰就能在精準醫(yī)療、生物武器防御上占先機。比如,美國通過Illumina等企業(yè),試圖主導(dǎo)全球基因數(shù)據(jù)庫,掌控數(shù)據(jù)話語權(quán)。中國則靠華大智造等公司,力爭在測序設(shè)備和數(shù)據(jù)分析上實現(xiàn)自主可控,避免基因資源外流。這種競爭表面是技術(shù),實則是對未來生命科技制高點的爭奪。
光刻機是芯片制造的核心,直接決定了芯片性能和產(chǎn)量?,F(xiàn)代社會,從手機到導(dǎo)彈,幾乎啥都離不開芯片。所以,光刻機的戰(zhàn)略地位簡直是“工業(yè)命脈”。目前,ASML的EUV光刻機全球獨一份,美國通過控制ASML,間接掐住了全球芯片供應(yīng)鏈的脖子。中國要發(fā)展高端芯片,必須突破光刻機技術(shù),否則只能在低端市場打轉(zhuǎn)。
測序儀決定生物科技的未來話語權(quán),光刻機掌控信息科技的命根子,兩者都是大國競爭中“誰也輸不起”的賽道。
而更巧的是,這兩件神器背后,有個共同的“大功臣”——精密的光學(xué)技術(shù)。
先來說說測序儀,簡單點說,它就是一臺“讀”DNA的機器。想象DNA像一串長長的字母鏈,上面寫滿了A、T、C、G這些“密碼”。測序儀先把DNA剪成小段,復(fù)制很多份,然后粘在一個小芯片上。接著,它用一種帶熒光“標簽”的化學(xué)物質(zhì),像是給每個字母點上彩色小燈。激光一照,這些小燈就亮起來,不同字母亮不同顏色,儀器里的相機“咔嚓”一拍,把這些光信號記下來。電腦再把這些彩色信號翻譯成字母,拼出一長串DNA序列。這過程就像是用燈和相機把生命密碼一行行“拍”下來,變成我們能讀懂的東西。
再來看光刻機,它是造芯片的“大手藝人”。芯片上那些細得連用顯微鏡都看起來費勁的電路,就是光刻機“畫”出來的。它的原理有點像老式幻燈片投影儀:先有個光源,射出特別強的光,比如深紫外光或者極紫外光;光透過一個刻著電路圖案的“模板”(專業(yè)名叫掩模),再通過一堆精密透鏡,把圖案縮小,投到涂了感光膠的硅片上。感光膠被光一照,性質(zhì)就變了,之后再用化學(xué)方法“洗”掉一部分,留下電路的形狀,最后再刻一層層,疊出一個完整的芯片。整個過程就像是用光在硅片上“印”藍圖,細到幾納米,比頭發(fā)絲還薄幾萬倍。
測序儀和光刻機雖然干的活兒完全不同,但它們都離不開光學(xué)技術(shù)。比如,兩者都需要特別精準的透鏡,測序儀得靠它清楚地“拍”下微弱的熒光信號,光刻機得用它把電路圖案縮到納米級還不能走樣。它們還都得用上穩(wěn)定的激光,光刻機用激光“畫”線,測序儀用激光“點亮”DNA信號。還有,測序儀和光刻機都得有靈敏的相機或者探測器,專門捕捉光信號,測序儀用它看熒光顏色,光刻機用它檢查圖案有沒有偏差??傊鈱W(xué)系統(tǒng)在這兩臺機器里,就像是它們的“眼睛”和“手”,得又準又穩(wěn)。
說到光學(xué)技術(shù)的硬核支持,國內(nèi)有個地方不得不提——中科院長春光機所。
中科院長春光機所,全名叫中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,是個在光學(xué)領(lǐng)域響當(dāng)當(dāng)?shù)牡胤?,號稱“中國光學(xué)的搖籃”。
長春光機所的故事得從1952年說起。那時候新中國剛成立沒幾年,科技基礎(chǔ)還很薄弱,國家急需搞科研的地方。1952年,在吉林長春,一群科學(xué)家和工人一起收拾出一片地兒,準備建個研究所,這就是長春光機所的前身——中國科學(xué)院儀器館。當(dāng)時的條件可沒現(xiàn)在這么好,科學(xué)家們自己動手平地、填坑,硬是把這地方建起來了。
研究所的創(chuàng)始人之一是王大珩院士,他可是中國光學(xué)界的“大?!?。在他的帶領(lǐng)下,長春光機所從一開始就瞄準了光學(xué)和精密機械,目標是為國家的工業(yè)和國防搞出點真家伙。1950年代到1960年代,長春光機所參與了不少大事兒,比如“兩彈一星”工程,他們造出了高精度的光學(xué)儀器,幫著導(dǎo)彈和衛(wèi)星瞄準目標,立了大功。
1999年,長春光機所和長春物理所合并,成了現(xiàn)在的樣子。從建所到今天,70多年過去,長春光機所一直是國內(nèi)光學(xué)研究的“頂梁柱”,創(chuàng)造了一堆“中國第一”:第一臺紅寶石激光器、第一臺大口徑光學(xué)望遠鏡、第一套導(dǎo)彈光學(xué)制導(dǎo)系統(tǒng)……這些成果聽著就挺牛,實際也真挺牛。
長春光機所在光學(xué)和精密機械領(lǐng)域攢了不少絕活兒。
長春光機所最擅長的就是造各種能“看”東西的儀器。他們搞出了很多高精度的光學(xué)設(shè)備,比如大口徑望遠鏡,能看得比誰都遠,裝在衛(wèi)星上能拍地球的“高清寫真”。還有顯微鏡,能看到細胞甚至更小的玩意兒。這些技術(shù)不光用在科研上,還用在工業(yè)檢測、醫(yī)療設(shè)備里,幫著醫(yī)生看清楚病人體內(nèi)的“小毛病”。
說到激光,長春光機所可是國內(nèi)的“老前輩”。他們1960年代就搞出了中國第一臺紅寶石激光器,后來又研發(fā)了一堆更厲害的激光設(shè)備。現(xiàn)在,他們的激光技術(shù)用在各種地方:工業(yè)上能切金屬跟切豆腐似的,醫(yī)學(xué)上能拿來做手術(shù),連國防上都能用來搞激光武器或者精確制導(dǎo)??傊?,激光這塊,他們玩得挺溜。
長春光機所在空間光學(xué)上也有一手。簡單說,就是給衛(wèi)星、飛船裝上能看清東西的“眼睛”。比如“嫦娥”探月工程、“神舟”飛船上的一些光學(xué)設(shè)備,就有他們的手筆。他們造的星載相機,能從幾百公里外拍地面,假如排除大氣干擾等限制,連車牌號都能看清。這些技術(shù)直接幫國家在航天領(lǐng)域站穩(wěn)了腳跟。
除了光學(xué),長春光機所還特別擅長精密機械。啥叫精密?就是細到你想象不到的地步。他們能造出誤差不到1納米的零件(1納米等于10億分之一米),這種精度在造光刻機、測序儀這些高精設(shè)備時特別關(guān)鍵。他們還搞過不少機械手、自動化設(shè)備,幫工廠把生產(chǎn)效率提上來。
光電探測是長春光機所的另一大強項。簡單說,就是能抓住光信號,轉(zhuǎn)成電信號,再分析出來。他們做的高靈敏度探測器,能捕捉到特別微弱的光,比如測序儀里用的CMOS傳感器,能“看”到DNA發(fā)出的熒光信號。這些技術(shù)在基因測序、夜視儀、遙感衛(wèi)星上都有大用處。
長春光機所的技術(shù)可不只是“高冷”的實驗室玩意兒,他們特別會把技術(shù)變成真能用的東西。早年主要是給國防干活,幫著造導(dǎo)彈、衛(wèi)星的瞄準系統(tǒng)。后來慢慢轉(zhuǎn)到民用領(lǐng)域,比如幫著企業(yè)造醫(yī)療儀器、工業(yè)激光設(shè)備,還跟華大智造、國望光學(xué)這些公司合作,把光學(xué)技術(shù)用在基因測序和芯片制造上。
比如光刻機的光源系統(tǒng),難度特別大,尤其是極紫外光源,波長短到只有13.5納米,還得功率高、穩(wěn)定性好。長春光機所就在這方面使勁鉆研,搞出了超平整的反射鏡和平面鏡,平到誤差不到1納米,幫國產(chǎn)光刻機光源系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。他們還在深紫外光源的穩(wěn)定性上下了狠功夫,讓國產(chǎn)設(shè)備少走不少彎路。
還有個厲害的,就是高端CMOS相機芯片,這種芯片在測序儀和光刻機里都少不了。測序儀用它拍熒光信號,光刻機用它檢查對準誤差。長春光機所開發(fā)的高性能CMOS芯片,特別靈敏,還不容易受干擾,幫測序儀看清微弱的光,也讓光刻機的對準更準。這些技術(shù)可不是光在實驗室里玩,他們還和企業(yè)合作,把成果變成了真能用的東西。
比如說,長春光機所他們和華大智造合作,這家企業(yè)是國內(nèi)基因測序的“大?!?。華大智造的高通量測序儀對光學(xué)要求特別高,長春光機所就幫他們弄了高精度的鏡頭和激光系統(tǒng),讓設(shè)備性能直追國際水平。再比如和國望光學(xué)的合作,國望是搞高端光學(xué)元件的,他們一起攻關(guān)光刻機用的曝光光學(xué)系統(tǒng),搞出了面向28納米工藝的設(shè)備,填了國內(nèi)空白。通過這些產(chǎn)學(xué)研合作,長春光機所直接讓許多國產(chǎn)設(shè)備硬氣了不少。
長春光機所還特別擅長把技術(shù)變成產(chǎn)品。他們的高精度光學(xué)加工技術(shù),已經(jīng)用在國產(chǎn)光刻機和測序儀的核心零件上了,激光技術(shù)也用到了各種精密制造里。這些成果不僅讓國內(nèi)企業(yè)少花冤枉錢買進口貨,還拉動了一整條產(chǎn)業(yè)鏈。可以說,長春光機所在光學(xué)這塊,給“專精特新”四個字做了個硬核注解。
測序儀和光刻機這兩件“國之重器”,背后都站著光學(xué)技術(shù)這么個“超級英雄”。而長春光機所就像是給英雄打造裝備的“大匠”,從實驗室到工廠,從技術(shù)到產(chǎn)品,一步步讓中國在這兩大賽道上站得更穩(wěn),走得更遠。在未來的科技競爭中,我們期待更多的“國之重器”在光學(xué)技術(shù)的助力下,閃耀世界科技舞臺,為國家的繁榮與發(fā)展注入源源不斷的動力。
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- 責(zé)任編輯: 萬肇生 
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