能生產(chǎn)芯片的設(shè)備就像是能下蛋的雞一樣重要，人們總是討論芯片的重要性，把焦點(diǎn)聚焦在我們?nèi)绾紊a(chǎn)出芯片，卻往往忽視設(shè)備的重要性。但實(shí)際上，最為重要的是如何生產(chǎn)出這些設(shè)備才是關(guān)鍵，這就是“授人以魚,不如授人以漁”的道路。
直到最近幾年，美國對(duì)中國半導(dǎo)體的封鎖才讓“光刻機(jī)”這個(gè)詞成為了流行詞，網(wǎng)絡(luò)和視頻號(hào)里傳出了各種科普、解讀多了起來，使得它成為了個(gè)盡人皆知的熱詞。
（1）制造業(yè)過去的組裝型路徑依賴
大部分人對(duì)制造業(yè)的理解都是我們能生產(chǎn)出什么產(chǎn)品，比如能造出28nm的芯片，或者，我們能造出像iPhone一樣工藝精湛的手機(jī)，我們也能造出航母，或者隱形戰(zhàn)斗機(jī)，我們能造出高鐵、我們能造出電腦、空氣壓縮機(jī)。但是，這都是“終端產(chǎn)品”，屬于在產(chǎn)業(yè)鏈的最下游的，其實(shí)，真正賺錢的、卡脖子的都在產(chǎn)業(yè)鏈的上游，更為關(guān)鍵的是上游的制造裝備、設(shè)計(jì)的軟件以及裝備自身的嵌入式軟件（即現(xiàn)在的工業(yè)軟件領(lǐng)域）、以及設(shè)備相關(guān)的材料、傳感器。
圖2-半導(dǎo)體晶圓制程中的設(shè)備流
不可否認(rèn)，制造本身也是需要非常強(qiáng)大的“集成能力”的，很多專業(yè)人士意識(shí)到我們是一個(gè)科技應(yīng)用型的國家，因?yàn)槲覀冎圃煸O(shè)備所需的裝備基本上都是進(jìn)口的。如果要談卡脖子，可能大家被最近的芯片設(shè)備所關(guān)注，很多人聚焦到了光刻機(jī)身上，但是，在芯片制程里可不止光刻機(jī)被卡脖子，基本上離子注入、機(jī)械/化學(xué)拋光、各種沉積設(shè)備，都是比較落后的，這就像你能造28nm芯片，但如果別人把設(shè)備這個(gè)源頭卡住，那這些產(chǎn)品可能就會(huì)造不出來了。其實(shí)，除了這些設(shè)備，包括光刻膠、電子特種氣體（超超高純氣體）、半導(dǎo)體產(chǎn)線所需的儀表、傳感器、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、乃至于整個(gè)半導(dǎo)體工廠的空氣過濾系統(tǒng)所需的材料、設(shè)備，要求都是極高的。比設(shè)備更為關(guān)鍵的還在材料，材料上卡脖子的地方可能會(huì)比設(shè)備還要多，這需要專業(yè)人士解讀。
（2）裝備水平帶來產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力提升
如果把整個(gè)制造分為流程、離散兩大塊，可以看到，流程工業(yè)基本上是在為離散制造業(yè)提供原材料，比如冶金為制造業(yè)提供各種板材（板材、棒材、型材等）、化工則提供了像纖維、化學(xué)原料、添加劑、包括制藥所需的原料藥等，而硅酸鹽工程則提供了像玻璃、陶瓷等材料。石油煉化則會(huì)提供一部分直接到消費(fèi)端的（汽油、天然氣），但也包括大量如聚合物材料。凡此種種，基本上流程工業(yè)都在生產(chǎn)原材料。流程工業(yè)的裝備需要的是大型裝置，它往往由前處理配料系統(tǒng)、反應(yīng)釜、蒸餾塔、干燥床、分離裝置，以及為之配套的鍋爐/燃?xì)廨啓C(jī)、空分、壓縮機(jī)組、變壓器等涉及動(dòng)力與輔助氣體等裝置。當(dāng)然，在流程工廠后道也會(huì)有離散的，如鋼鐵后道的冷軋、熱軋?jiān)O(shè)備，就會(huì)偏向于離散裝備。
圖3-石化工廠大型裝置
而離散制造業(yè)的工廠，其實(shí)，它分為了兩個(gè)大的部分，首先是用成型類設(shè)備生產(chǎn)出零配件，例如一個(gè)手機(jī)工廠里會(huì)需要來自于切削研磨的手機(jī)金屬外殼、注塑機(jī)用于生產(chǎn)精密的結(jié)構(gòu)件，以及來自于半導(dǎo)體工廠提供的各種芯片、功率器件、鏡頭。當(dāng)然，這些本身都是由各種成型設(shè)備生產(chǎn)的。進(jìn)入后道組裝，比如將芯片貼裝到基板的SMT，以及波峰焊、回流焊，機(jī)器人來輸送到各個(gè)單元，當(dāng)然，早期也可以通過人工來完成組裝過程，然后貼標(biāo)、檢測(cè)、包裝、裝箱—這些都是組裝類設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。
圖4-大型飲料灌裝線可以實(shí)現(xiàn)10萬瓶/小時(shí)的產(chǎn)能
制造業(yè)，早期都是組裝，因此，我們對(duì)于制造的很多理解來自于組裝，因?yàn)閯趧?dòng)力成本低，但是隨著很多因素導(dǎo)致了自動(dòng)化水平必需的提高。包括人口紅利的消失，現(xiàn)在人工成本已經(jīng)不再像90年代那會(huì)，幾百塊錢就能找到工人，回不去了。其次，隨著產(chǎn)品的復(fù)雜度的提高，個(gè)性化也導(dǎo)致了人工組裝不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槠焚|(zhì)一致性無法得到良好的保障，以及競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，使得成本不斷苛刻。大部分產(chǎn)品的便宜都來自于高速的生產(chǎn)線在不斷降低著產(chǎn)品的成本，但是，這種降低無法依靠人工組裝的效率，就像很多人都驚訝于飲料灌裝設(shè)備一小時(shí)可以灌裝10.8萬瓶一樣，而報(bào)紙印刷機(jī)可以一小時(shí)印刷多達(dá)21.6萬份報(bào)紙一樣。
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裝備制造業(yè)的關(guān)鍵性
（1）裝備是卡脖子的關(guān)鍵領(lǐng)域
相信芯片領(lǐng)域所遇到的問題，已經(jīng)給了我們充分的明證，設(shè)備才是關(guān)鍵。因?yàn)?，這些設(shè)備是包含了生產(chǎn)工藝在其中的，而非僅僅是一個(gè)機(jī)械的組裝即可。另外，對(duì)于半導(dǎo)體這樣的長流程，以及包含了循環(huán)加工而使得工序被拉到幾百甚至上千的生產(chǎn)來說，精益運(yùn)營水平也是相當(dāng)關(guān)鍵的。
但是，今天我們被卡脖子的是設(shè)備，而不是芯片，因?yàn)槿绻覀兛梢灾圃爝@些高級(jí)別的設(shè)備，我相信我們也可以生產(chǎn)出高性能芯片。
圖5-應(yīng)用材料的PECVD設(shè)備
其實(shí)，不止半導(dǎo)體，在眾多的其它領(lǐng)域里同樣是設(shè)備，只不過，其它很多領(lǐng)域沒有半導(dǎo)體那么復(fù)雜。機(jī)床，作為工業(yè)母機(jī)，它本身就決定了下游各個(gè)裝備的精度，無論哪個(gè)裝備行業(yè)的設(shè)備，它都需要精密的加工和組裝，因?yàn)椋渌O(shè)備要達(dá)到較高的精度就需要加工設(shè)備更高一個(gè)數(shù)量級(jí)的精度。
目前制造業(yè)卡脖子的地方，其實(shí)都不在后道那個(gè)組裝，而都是在前道的成型部分。而我們更多的關(guān)注所謂的數(shù)字化，其實(shí)都是在關(guān)注組裝領(lǐng)域的運(yùn)營效率，包括所謂的MES、APS—并非不重要，而是說，真正的難題并未得到解決。
（2）每個(gè)裝備涉及大量的關(guān)鍵零配件
裝備為什么很關(guān)鍵，因?yàn)?，它有非常多的配套，考?yàn)整個(gè)國家的制造業(yè)水平。記得1998年在一個(gè)大型儀表廠實(shí)習(xí)，那會(huì)有一個(gè)羅斯蒙特合資的1151差壓變送器車間實(shí)習(xí)。那會(huì)就有師傅告訴我這個(gè)儀表最為關(guān)鍵的是那個(gè)膜片，都是進(jìn)口的。然后到了2018年，又遇到該廠的人士，就很好奇問這個(gè)膜片問題是否已經(jīng)可以自己生產(chǎn)，該人士說那個(gè)膜片還是需要進(jìn)口。希望現(xiàn)在2023年的今天，這個(gè)已經(jīng)解決了，但至少在1998-2018年這個(gè)20年里，這個(gè)問題是并未得到解決的。
儀表算是我本專業(yè)，很多來自儀表領(lǐng)域的前輩都感慨過，以前四大儀表，現(xiàn)在也就剩下川儀還在，其它幾家儀表的存在感也不是那么強(qiáng)了，大概是我在離散制造業(yè)比較久，鮮有了解該領(lǐng)域的進(jìn)展。儀表偏向于流程領(lǐng)域，但是在離散制造業(yè)里的傳感器，包括高精度的編碼器、光柵尺，也還是需要進(jìn)口的，國內(nèi)目前就實(shí)而論尚在高精度的領(lǐng)域有待提高。
注塑機(jī)、工程機(jī)械就需要大量的液壓閥、伺服閥。設(shè)備上需要的絲杠、軸承，之所以成為了關(guān)鍵零配件，其實(shí)，主要是穩(wěn)定與可靠，以及長壽命，還有像刀具這種領(lǐng)域，都是需要大量的這些零配件。
圖6-刀具也是一個(gè)看上去不大卻關(guān)鍵的市場(chǎng)
人們經(jīng)常拿當(dāng)年的圓珠筆上的球珠材料說事，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這個(gè)不是我們生產(chǎn)不出來，而是這個(gè)玩意市場(chǎng)太小，根本不賺錢，那么問題來了，我們生產(chǎn)就不賺錢，人家生產(chǎn)就可以賺錢，這個(gè)邏輯究竟該如何解釋？
所以，現(xiàn)在國家發(fā)展“專精特新”的確是個(gè)很令人稱贊的方針政策。這就是應(yīng)該由專精特新企業(yè)來進(jìn)行，對(duì)于大企業(yè)不合算，但是，這種可以提高技術(shù)壁壘，獲得較高的市場(chǎng)定價(jià)權(quán)和溢價(jià)能力的工作，特別適合中小企業(yè)來干。
（3）裝備還涉及大量的軟件
裝備的設(shè)計(jì)軟件，無論是大型空分裝置、燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)組、空壓機(jī)組，還是離散裝備的注塑、印刷、包裝、半導(dǎo)體、電子設(shè)備，他們都是由大量的機(jī)械零配件構(gòu)成，本身就需要設(shè)計(jì)與仿真軟件來實(shí)現(xiàn)。
圖7-建模仿真類軟件普遍應(yīng)用于裝備開發(fā)
這里就牽扯到了復(fù)雜的問題，材料的變化，印刷工藝的變化、機(jī)械傳動(dòng)方式的極大變化，而隨著機(jī)械速度的不斷提高，機(jī)械系統(tǒng)間的物理因素之間的干擾對(duì)于品質(zhì)影響也變得難以控制，必須采用建模與仿真的方式來進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否可行。每個(gè)領(lǐng)域都是如此，畢竟，以物理的方式進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證極為燒錢，另外，知識(shí)的積累與復(fù)用才能分?jǐn)偳捌诘某杀?。這是為什么數(shù)字化建模與仿真類軟件成為了重要的裝備設(shè)計(jì)構(gòu)成。
圖8-裝備開發(fā)工程與工業(yè)軟件分布
為什么我們的這類軟件比較匱乏，因?yàn)?，在這個(gè)原創(chuàng)性的設(shè)計(jì)過程積累中，我們較少參與，直接復(fù)制帶來的最大結(jié)果就是我們欠缺對(duì)隱藏在這個(gè)過程中的其它知識(shí)的缺失。在形成一個(gè)穩(wěn)定與成熟的工藝組合過程中，有大量的測(cè)試驗(yàn)證的試錯(cuò)過程，而這個(gè)試錯(cuò)過程往往會(huì)有大量的知識(shí)，以及在這個(gè)過程中工程能力的練就。如何取舍，選擇，獲得最短實(shí)現(xiàn)路徑，這種能力，也產(chǎn)生在這個(gè)過程中，而不僅僅是結(jié)果。
因此，我們可以抄到結(jié)果，卻抄不到過程中形成的能力。
而這個(gè)過程，又是一個(gè)剛性的，沒有前期的積累，就缺乏對(duì)這個(gè)過程中為什么要這樣，而不那樣的理解，因此，當(dāng)你想基于現(xiàn)在的開發(fā)更高級(jí)的裝備的，是缺乏相應(yīng)的知識(shí)的。這就相當(dāng)于剛學(xué)了加減乘除，就開始學(xué)習(xí)微積分，省略了對(duì)初中對(duì)切線的理解，以及高中對(duì)函數(shù)的理解，這無法用微積分來解決問題。
（4）裝備同時(shí)是數(shù)字化制造的數(shù)據(jù)源
現(xiàn)在很多做數(shù)字化的，都談拿不到數(shù)據(jù)。很多人怪這些數(shù)據(jù)屬于進(jìn)口設(shè)備，都不開放，這是不合理的?，F(xiàn)在國內(nèi)比較領(lǐng)先的如光伏設(shè)備、鋰電類設(shè)備領(lǐng)域，一樣不會(huì)給你開放數(shù)據(jù)，這不難理解，因?yàn)?，你要的東西往往超出了你的需求。當(dāng)然這里有個(gè)很有意思的現(xiàn)象，就是做數(shù)字化的人不知道自己能干什么，就問裝備你有什么數(shù)據(jù)，裝備的人覺得我干嘛要把數(shù)據(jù)都給你？然后就問，你要什么數(shù)據(jù)，兩邊的人討論這個(gè)問題，似乎也討論了有些年頭了。這就是需求不清晰的問題，對(duì)于裝備并非不能給你數(shù)據(jù)，但是，你要我所有數(shù)據(jù)，嘿，這就過分了。這里有很多我的Know-How，你覺得不重要，懂行的人可知道這是什么。
這就相當(dāng)于你買了杯可樂，你還想拿到可樂的配方一樣不合理。設(shè)備制造商通常不會(huì)開放太多數(shù)據(jù)。因?yàn)?，那些在不懂的人看來是個(gè)數(shù)據(jù)，但是，在懂的人就從其有哪些數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的值等判斷出內(nèi)部的工藝模型或軟件的核心算法。這是裝備制造商不大愿意的。
但是，如果制造業(yè)有個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，裝備廠商還是可以據(jù)此來提供數(shù)據(jù)的，因?yàn)榕c生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)還是要提供的-例如用于產(chǎn)線OEE相關(guān)，這還是可以提供的。
（5）裝備又是智能制造的執(zhí)行基礎(chǔ)
任何的分析、規(guī)劃最終要由裝備來實(shí)現(xiàn)。很多所謂的優(yōu)化、最終還是要落在機(jī)器的執(zhí)行上，尤其是自動(dòng)化程度越來越高的設(shè)備。
很多試圖要去進(jìn)行所謂的“優(yōu)化”，往往并不了解物理對(duì)象的復(fù)雜性，它完全不像我們?cè)诶硐胧澜缋锬菢拥穆犜?。?jīng)常產(chǎn)生一些莫名的干擾，或者其背后的機(jī)理并非清晰。
人們對(duì)于物理建模有一定的了解，但它是有邊界的，這就像高等數(shù)學(xué)里學(xué)習(xí)的定義域，x取值范圍對(duì)應(yīng)不同的y值。而有些區(qū)域里，我們可以對(duì)其進(jìn)行函數(shù)的表達(dá)式描述，而另一些區(qū)間里則會(huì)發(fā)生變化，甚至無法被描述，而x值，也并非無限。
對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，它經(jīng)常會(huì)超越我們的邊界，那么這個(gè)時(shí)候的表達(dá)式就無法被描述，而因此，需要通過數(shù)據(jù)方法來“歸納”。通過這種方法尋找到規(guī)律，但是，這些都是要用于生產(chǎn)的判斷，以及決策，并去執(zhí)行改善動(dòng)作，但是，無論如何，所有的智能化，最終也是要這個(gè)設(shè)備來執(zhí)行的。
綜上，設(shè)備是數(shù)字化的關(guān)鍵。
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對(duì)裝備的誤區(qū)
（1）裝備已經(jīng)非常的復(fù)雜，不是簡(jiǎn)單的鐵疙瘩
很多人對(duì)裝備還停留在大、粗、笨的那種機(jī)械階段，而且對(duì)于機(jī)械本身的復(fù)雜性理解不夠，以及對(duì)裝備里所蘊(yùn)含的知識(shí)、物理化學(xué)基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)不足。
機(jī)器已經(jīng)非常智能，包括自身適應(yīng)訂單的變化能力、包括在線數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)返回、智能優(yōu)化等。
就像印刷設(shè)備，早期的古登堡就是純機(jī)械的手動(dòng)，即使到了后來也是由其它動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而機(jī)械的操作，直到電子傳動(dòng)技術(shù)之后，才開始有了高精度的控制，以及色標(biāo)檢測(cè)、精密的張力控制與套色系統(tǒng)，才能更為達(dá)到極高的速度，印刷大量的制品，達(dá)到每分鐘可以裝訂10000多本書的速度。印刷機(jī)最初只是以書刊為主，現(xiàn)在印刷的材料種類已經(jīng)擴(kuò)展到各種薄膜、金屬材料，無紡布、而且以軟包裝印刷為最大市場(chǎng)。產(chǎn)品的種類發(fā)生了極大的擴(kuò)展，以及品質(zhì)、速度與效率都是極大的擴(kuò)張。
圖9-印刷裝備的發(fā)展歷程
圖9是印刷機(jī)械的發(fā)展，其中還有點(diǎn)小知識(shí)，很多人講中國發(fā)明了活字印刷，但實(shí)際上雕版印刷才是印刷的主要技術(shù)，活字印刷的使用證據(jù)不是很多。在《技術(shù)與文明》一書中談到活字印刷之所以未有真正的發(fā)展，因?yàn)橄鄬?duì)于拉丁語系的那么點(diǎn)字母來說，漢字?jǐn)?shù)量實(shí)在太龐大了，還有一個(gè)原因是鑄幣技術(shù)影響了歐洲印刷機(jī)，這些字母被鑄造出來精度更高，更耐磨損。
從古登堡到輪轉(zhuǎn)印刷、卷筒印刷都是機(jī)械傳動(dòng)與操控，直到20世紀(jì)才開始有電氣傳動(dòng)，到了最近20余年，印刷機(jī)開始變得更高精度要求，以及速度超出了我們想象的高速，像凹版國產(chǎn)的設(shè)備已經(jīng)可以開到550m/min的高速，這與筆者10余年前220m/min的速度已經(jīng)大幅提高。包括套印精度，材料適配性，甚至像大家家里用的保鮮膜，PE膜這種非常彈性的材料上，我們也可以做到小于0.1mm的偏差。
（2）組裝需要效率，而成型則需要技術(shù)
成型工藝才是工業(yè)軟件知識(shí)的濃縮，組裝更強(qiáng)調(diào)效率，以及在生產(chǎn)中挖掘潛在的效率損耗，從精益的視角，去消除浪費(fèi)。例如避免生產(chǎn)不需要的產(chǎn)品，形成連續(xù)流、均衡負(fù)載以消除瓶頸，形成標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)作業(yè)，以及實(shí)現(xiàn)柔性化的產(chǎn)品生產(chǎn)。
精益，是制造業(yè)的根基，它也是數(shù)字化需求的來源，就像OEE，是所有生產(chǎn)企業(yè)關(guān)心的指標(biāo)，而這些指標(biāo)可以被分解為機(jī)器所需的精度控制、品質(zhì)優(yōu)化、工藝改善、這些可以通過數(shù)字化來實(shí)現(xiàn)，數(shù)字化有數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)，但是，必須清楚需求—才能選用好工具來解決問題。
但是，成型技術(shù)則不同，它實(shí)現(xiàn)需要材料科學(xué)、機(jī)械與傳動(dòng)、電氣控制、工藝與配方等的積累—而這個(gè)有更高的護(hù)城河。用一個(gè)常用的詞，就是這個(gè)技術(shù)有點(diǎn)“硬”，不像用于運(yùn)營管理水平的數(shù)字化，偏“軟”。軟硬結(jié)合是必要的，在友好的年代，買了設(shè)備看運(yùn)營可以，但在不友好的年代，看來還是得把裝備的問題解決好，否則，就會(huì)出現(xiàn)所謂的卡脖子。
裝備是制造最大的資產(chǎn)；半導(dǎo)體行業(yè)裝備投資占到70%，大部分工廠其實(shí)裝備都是大的投資部分，至少在50%以上。越是重資產(chǎn)的制造業(yè)，或者傳統(tǒng)型的制造業(yè)，設(shè)備都是資產(chǎn)的大頭。
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大轉(zhuǎn)型需要數(shù)字化，而不是數(shù)字化轉(zhuǎn)型
轉(zhuǎn)型，是從過去的粗放、抄襲、同質(zhì)化轉(zhuǎn)向到自主掌握核心技術(shù)、形成差異化競(jìng)爭(zhēng)力，并且裝備能夠在技術(shù)視角應(yīng)對(duì)生產(chǎn)的靈活變化的能力，這需要通過建模。
裝備的開發(fā)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ踢^程
裝備企業(yè)需要更為高效的研發(fā)管理升級(jí)；裝備企業(yè)需要更專業(yè)的工程思維訓(xùn)練的卓越工程師力量；
圖10-裝備行業(yè)轉(zhuǎn)型大邏輯
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無處不在的模型
信息建模，通過信息建模來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與事件分離，使得復(fù)雜的集成變得簡(jiǎn)單，包括垂直行業(yè)信息建模，能夠讓制造協(xié)同變得簡(jiǎn)單，降低工程量。
大量的物理建模是建立在機(jī)械、電氣傳動(dòng)與控制，物理與化學(xué)的公式與方程上的，機(jī)理建模類似于“演繹法”的思維模式。
數(shù)字孿生其實(shí)也建立在模型+動(dòng)態(tài)模型交互基礎(chǔ)上，元宇宙也是如此。
策略模型：邊緣計(jì)算里的優(yōu)化、調(diào)度、隊(duì)列、尋優(yōu)、辨識(shí)都是屬于策略、運(yùn)籌模型范疇；
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模：機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，也是要學(xué)習(xí)人的經(jīng)驗(yàn)、尋找非線性的規(guī)律（機(jī)理無法描述）。
因此，制造的一切都是建模。我們講的各種工業(yè)軟件，大抵就是對(duì)這些模型的工程積累的過程。
而我們需要讓大家明白，整個(gè)裝備及裝備構(gòu)成的產(chǎn)線，包括柔性輸送系統(tǒng)，數(shù)字孿生，一切都是建立在模型基礎(chǔ)上的。
數(shù)字化轉(zhuǎn)型，即是利用數(shù)字化的工具，進(jìn)行建模仿真與測(cè)試的正向開發(fā)過程。從過去的仿制，轉(zhuǎn)為自主研發(fā)，掌握核心工藝、形成技術(shù)壁壘，以形成高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，獲得高利潤。
文 | 宋華振
