در دو دهه گذشته نرم‌افزارها زندگی ما را متحول کردند. تمام کارهایی که قبلا روی کاغذ انجام می‌شد، حالا در کسری از ثانیه توسط رایانه‌ها انجام می‌شود. دیگر نیازی نیست برای انجام کارهای اداری ساعت‌ها در صف بایستید، همه چیز با یک کلیک در اپلیکیشن انجام می‌شود. اما این انقلاب در همه بخش‌ها از جمله صنایع فیزیکی یکسان پیش نرفت؛ هنوز بسیاری از کارها مانند تولید، حمل‌ونقل یا انرژی به افراد متخصص و فرآیندهای پیچیده وابسته است. برای اینکه صنعت هم بتواند مانند فضای دیجیتال رشد سریع و موثری داشته باشد به پلی نیاز داریم که صفر و یک‌های دنیای دیجیتال را به اتم‌ها در دنیای فیزیکی متصل کند. این پل، «پشته الکترو صنعتی (Electro Industrial Stack)» نامیده می‌شود. پشته صنعتی، ترکیبی از فناوری‌ها است که به ماشین‌ها از باتری‌ها و موتورها گرفته تا قطعات الکترونیکی و نرم‌افزارهای هوش مصنوعی کمک می‌کند مانند نرم‌افزار عمل کنند. بدون پشته الکترو صنعتی انتظار برای آیندهای مملو از ربات‌ها، خودران‌ها و صنایع هوشمند بی‌فایده است. اگر علاقه‌مند هستید بدانید پشته الکتروصنعتی چیست و چطور آینده ماشین‌ها و صنایع را دگرگون می‌کند، با این مطلب از میهن بلاکچین همراه باشید.
پشته الکتروصنعتی؛ آیندهای اجتناب‌ناپذیر
از دهه ۲۰۱۰ تاکنون طراحان صنعتی تلاش کرده‌اند جریان‌های کاری فیزیکی در ماشین‌ها و دستگاه‌ها را به رابط‌ها (API) و درگاه‌های کاربرپسند متصل کنند تا کار با آن‌ها آسان باشد. با این حال، استفاده از این دستگاه‌ها همچنان نیازمند دانش تجربی، کدنویسی سفارشی و حضور اپراتورهای ماهری است که بتوانند این تجهیزات پیچیده را به حرکت درآورند. واقعیت این است که «کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر» در عمل به اندازه‌ای که نامشان وعده می‌داد «برنامه‌پذیر» نبودند. در نتیجه، ماشین‌آلات صنعتی ظاهرا از طریق نرم‌افزارها قابل‌برنامه‌ریزی هستند؛ اما در عمل کامل کنترل کامل آن‌ها بدون دخالت و نظارت انسان امکان‌پذیر نیست. این وضعیت باعث شده است که بهره‌وری صنعتی در سطح محدودی باقی بماند.
اما حالا در دهه ۲۰۲۰ شرایط در حال تغییر است؛ «پشته الکتروصنعتی» افق تازه‌ای را گشوده است و شیوه ساخت و به‌کارگیری ماشین‌آلات را متحول می‌کند. سیستم‌ها و ایجنت‌‌های خودمختار به‌تدریج کنترل فرآیندها را در دست می‌گیرند و مدل‌های پیشرفته استدلال و یادگیری ماشین فاصله میان «نیت انسانی» و «اجرای ماشینی» را هر روز کمتر می‌کنند. به‌عبارت دیگر، زبان طبیعی به کد و کد به کنترل تبدیل می‌شود و کنترل، ماشین را به حرکت درمی‌آورد. در آیندهای نه‌چندان دور، وظایفی که پیشتر به سال‌ها تجربه و حضور متخصصان خبره نیاز داشت، تنها از طریق یک رابط و به سادگی یک گفت‌وگوی روزمره انجام می‌شود.
ماشین‌ها خودشان هم در حال تغییر هستند. سیستم‌های الکتریکی که بر پایه باتری‌ها، تجهیزات الکترونیک قدرت و موتورهای با گشتاور بالا ساخته می‌شوند، علاوه‌براینکه کارآمدتر و دقیق‌تر هستند، سرعت و واکنش بیشتری نسبت به نرم‌افزارها دارند. آن‌ها را می‌توان در شبیه‌ساز آزمایش کرد، به‌صورت به‌روزرسانی از راه دور ارتقا داد و مرتبا براساس داده‌های عملیاتی بهبود بخشید. این یعنی در عمل سیستم‌های حلقه‌بسته‌ای ایجاد می‌شود که «درک محیط، برنامه‌ریزی و کنترل» به‌طور همزمان و آنی اجرا می‌شوند و سخت‌افزار آن‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده است که کنترل دقیق را امکان‌پذیر می‌کند. به عبارت دیگر، پشته الکتروصنعتی باعث می‌شود ماشین‌های فیزیکی روزبه‌روز بیشتر شبیه نرم‌افزارها رفتار کنند.
نکته مهم اینجاست که پشته الکتروصنعتی پدیده جدیدی نیست، فقط وجود آن به چشم نیامده است. بسیاری از اجزای اصلی فناوری الکتروصنعت همین امروز در زیرساخت‌هایی همچون سیستم‌های ذخیره انرژی، خودروهای برقی، پهپادها و ربات‌های صنعتی به کار گرفته شده است. گذشته این حوزه مملو از دستاوردهای قابل‌توجهی است که برخی از آن‌ها عبارتند از؛ تولید عناصر کمیاب در شرکت “Mountain Pass”، شیمی باتری‌های لیتیوم-یون در آزمایشگاه ملی “Argonne”، ساخت دستگاه‌های قدرت سیلیسیم کاربید تحت حمایت سازمان پروژه‌های پژوهشی پیشرفته دارپا (DARPA)، موتورهای مغناطیس دائم جنرال موتورز، رباتیک ناسا، پیشرفت‌های حوزه خودران در مسابقه پژوهشی دارپا و تولید تراشه‌های منطقی مدرن در سیلیکون‌ولی.
چین هم در حوزه تحقیقات و هم در تولید این فناوری‌ها پیشتاز است. این موضوع به‌طور خاص در حوزه‌هایی مانند فلزات و مواد شیمیایی، باتری‌ها، موتور و عملگرها و الکترونیک قدرت کاملاً مشهود است و در بخش‌هایی مانند رایانش پیشرفته که هنوز دست بالا را ندارد، سعی می‌کند با سرمایه‌گذاری‌های عظیم عقب‌ماندگی خودش را جبران کند یا آن‌ها را همچون غنیمت جنگی به دست آورد. درحالی‌که ریشه بسیاری از این فناوری‌ها در آمریکا است؛ اما توانایی ساخت، توسعه و ارتقا آن‌ها روزبه‌روز بیشتر از دست این کشور خارج می‌شود.
اگر نگاه جامع‌تری داشته باشیم، ترکیب هوش مصنوعی با زیرساخت صنعتی دیجیتال، همان نقطه عطفی است که بهره‌وری دنیای فیزیکی را ارتقا می‌دهد. تسلا یک نمونه بارز است که با تلفیق نرم‌افزار، سیستم‌های الکتریکی و حسگرهای شبکه‌ای در محصولات و کارخانه‌های خود، آینده موردانتظار را تقریبا یک دهه زودتر محقق کرده است. اما حالا وقت آن رسیده است که این مدل را سریع‌تر و در مقیاس گسترده‌تر اجرا کنیم. البته برخی‌ها زودتر دست‌به‌کار شده‌اند؛ به‌طور مثال، استارت‌آپ دیود (Diode) برای ساخت بردهای مدار چاپی (PCB) از مدل‌های زبانی پیشرفته روی ابزارهای طراحی مدار (EDA) استفاده می‌کند. پروژه‌های دیگری هم در حال به‌کارگیری مدل‌های استدلالی برای نظارت بر سیستم‌های خودران هستند. این همان مسیری است که باعث می‌شود صنایع سنتی داوجونز کم‌کم رنگ‌وبوی شرکت‌های فناوری نزدک را بگیرند. آنچه زیربنای این آینده را می‌سازد، چیزی جز پشته الکتروصنعتی نیست.
پشته الکتروصنعتی چطور آینده ماشین‌ها را دگرگون می‌کند؟
هر کشوری که می‌خواهد رهبری عصر صنعتی بعدی را در دست داشته باشد و ابرقدرت فناوری و نظامی جهان باقی بماند، باید آینده را زودتر از رقبا ببیند و به سمت آن حرکت کند. چین با سرعت، بی‌وقفه و دقیق در حال جابه‌جایی کالا، انسان و اطلاعات است؛ درحالی که بسیاری از کشورها با خطر گیر افتادن در گذشته مواجه هستند. به‌همین دلیل لازم است که هر بخش از پشته الکتروصنعتی را بررسی کنیم و ببینیم برای رهبری در این حوزه به چه مقدماتی نیاز داریم.
مواد معدنی و فلزات
مواد معدنی و فلزاتی مانند لیتیوم، نیکل، مس و سایر عناصر کمیاب خاکی، پایه‌های اصلی دنیای صنعتی و دیجیتال امروز هستند. حالا مسئله این است که با رشد سریع حوزه‌هایی همچون رایانش، سیستم‌های خودران و الکتریکی‌سازی، نیاز به این عناصر بیش‌ازپیش می‌شود. به‌طور مثال، نیاز اورانیوم برای راکتورهای هسته‌ای، گرافیت برای باتری‌ها، گالیوم برای نیمه‌هادی‌ها و منیزیم برای آلیاژهای سبک، تنها چند نمونه انگشت‌شمار هستند. امروز اهمیت استراتژیک این منابع به اندازه اهمیت نفت در قرن بیستم است.
درست است که ذخایر این مواد معدنی در نقاط مختلف جهان وجود دارد؛ اما قدرت واقعی در دست کسی است که زنجیره تأمین را مدیریت می‌کند. اینجا هم چین دست بالا را دارد؛ زیرا با حمایت دولت کل زنجیره تامین از فرآوری شیمیایی، متالورژی و تبدیل محصولات خام به مواد شیمیایی مناسب باتری، آلیاژها، فویل‌ها، ورق‌ها و پودرهای صنعتی را به‌صورت یکپارچه تحت کنترل خودش آورده است. این کار باعث می‌شود که حاشیه سود افزایش پیدا کند، زنجیره تأمین قوی شود و مشتری‌ها با قراردادهای بلندمدت به تولیدکنندگان گره بخورند. چین دقیقا با همین روش بازار جهانی را در دست گرفته است.
دلیل عقب ماندن شرکت‌های معدنی بزرگ و کوچک امروزی این است که متناسب با سرعت تحولات فعلی ساخته نشده‌اند. غول‌های معدنی برای پذیرش سریع فناوری‌های جدید یا حتی نرم‌افزارهایی که از چند دهه پیش وجود دارند، هیچ برنامه‌ای‌ندارند؛ آن‌ها صرفا برای پروژه‌های عظیم چند ده‌ساله، انبوهی از الزامات قانونی و درآمدهای ثابت طراحی شده‌اند. درمقابل، شرکت‌های کوچک‌تر شاید چابک‌تر و ریسک‌پذیرتر باشند؛ اما فاقد سرمایه کافی، قدرت دریافت مجوز و ارتباطات زنجیره‌‌ای هستند و به‌همین دلیل نمی‌توانند به‌تنهایی یک پروژه معدنی را توسعه دهند و بهره‌برداری کنند. در نتیجه، حتی عملیات استخراج، فرآوری و نوآوری‌های نرم‌افزاری هم به سختی در مقیاس بزرگ اجرا می‌شوند. پر کردن این شکاف نیازمند ظهور نسل جدیدی از شرکت‌های معدنی است که هم بتوانند به سرعت حرکت کنند و هم یکپارچگی لازم را در کل زنجیره داشته باشند.
مسیر پیشنهادی این است که شرکت‌های معدنی و فلزی جدیدی که راه‌اندازی می‌شوند از ابتدا بر پایه نرم‌افزار و فناوری‌های نوین ساخته شوند و کل فرآیند از استخراج تا فرآوری را به‌صورت یکپارچه انجام دهند. این شرکت‌ها باید با استفاده از هوش مصنوعی، تله متری لحظه‌ای (ضبط و انتقال خودکار داده‌ها از راه دور) و سیستم‌ها کنترل حلقه‌بسته، زمان توسعه را به شدت فشرده کنند و بهره‌وری را بالا ببرند. علاوه‌بر این، باید بخش میانی زنجیره تأمین با کشورهای هم‌پیمان تقویت شود و در مواردی که منطقی به‌نظر می‌رسد ظرفیت تولید داخلی از طریق تأمین مالی گسترش پیدا کند. برای رشد سریع پروژه‌ها هم باید ابتکاراتی مانند قراردادهای بلندمدت خرید، بیمه حداقل قیمت، یارانه‌های هدفمند، پشتیبانی از صادرات و اصلاح قوانین صدور مجوز درنظر گرفته شود. عملکرد شرکت‌هایی مانند “KoBold Metals” و “Mariana Minerals” نشان می‌دهد که این مدل در عمل کارساز است.
باتری‌ها
پیش از اختراع باتری‌های لیتیوم-یون، برق باید در همان لحظه تولید، مصرف می‌شد. به‌علاوه، انرژی خورشیدی تنها در طول روز و انرژی‌های بادی و آبی فقط نزدیک به محل مصرف تولید می‌شدند. ازآنجایی‌که ذخیره‌سازی ارزانی وجود نداشت، بخش زیادی از برق تولید شده به هدر می‌رفت. اما با ظهور باتری‌های ارزان‌قیمت و با چگالی انرژی بالا، این معادله تغییر کرد. حالا می‌توانیم برق را ذخیره کنیم، جابه‌جا کنیم، تنظیم کنیم و هر چیزی را که به برق نیاز دارد از دیتاسنترها گرفته تا پهپادها را تغذیه کنیم.
اما مسئله این است که بدون یک تولیدکننده بزرگ باتری، پشته الکتروصنعتی نمی‌تواند در مقیاس جهانی گسترش پیدا کند. هر کشوری که می‌خواهد در حوزه انرژی دست بالا را داشته باشد، باید صنعت باتری را جدی بگیرد. به‌طور مثال، آمریکا برای رسیدن به اهداف خود به صدها گیگاوات ساعت، ظرفیت تولید سالانه نیاز دارد. بااینکه بعد از تصویب «قانون کاهش تورم» موجی از پروژه‌ها اعلام همکاری کردند؛ اما بسیاری از این طرح‌ها در مرحله مجوز، تأمین سرمایه یا بلاتکلیفی‌های سیاست‌گذاری متوقف شدند. اگرچه چند بازیگر بزرگ مانند تسلا، وان (ONE) و آلتیوم (Ultium) همچنان در حال ایجاد این ظرفیت هستند، اما بازهم برای تکمیل ظرفیت تولید سالانه کافی نیستند.
همان‌طور که شکست اخیر شرکت سوئدی نورث‌ولت (Northvolt) نشان داد، ایجاد یک صنعت باتری پایدار در غرب به شدت دشوار است. شرکتی که در این راه قدم می‌گذارد باید مواد اولیه را تامین کند، بر شیمی سلول‌ها و لایه‌گذاری‌ها تسلط داشته باشد و خطوط تولید ماژول را با بازدهی بالا راه‌اندازی کند تا درصد بالایی از تولیدات سالم و قابل‌استفاده باشند. همه این‌ها به سرمایه عظیمی نیاز دارد؛ در حالی که حاشیه سود آن چندان بالا نیست. در همین حال، پیشتازی شرکت‌های چینی در هر دو زمینه دانش و تولید هر روز بیشتر می‌شود. شرکت “CATL” حدود ۴۰٪ و خودروسازی بی‌وای‌دی (BYD) حدود ۲۰٪ از ظرفیت جهانی خودروهای برقی را تأمین می‌کنند و حتی سلول و تجهیزات تولیدی خود را به تسلا هم می‌فروشند. با تغییر ترکیب‌های شیمیایی و افزایش سهم شیمی‌های ارزان‌تر مثل لیتیوم-آهن-فسفات به جای نیکل با خلوص بالا، مرکزیت تولید و نوآوری بیش‌ازپیش به سمت چین حرکت کرده است.
مسئله اینجاست که تعرفه‌ها و تحریم‌های آمریکا هیچ تغیری در این روند ایجاد نکرده‌اند؛ بلکه فقط باعث شده‌اند تولید چین به کشورهای دیگری که از نظر حقوقی «مجاز» هستند منتقل شود.آمریکا برای اینکه در زمینه فناوری و تولید باتری واقعا از وابستگی به چین خلاص شود باید اکوسیستم‌های صنعتی کاملا جدیدی را با اتکا به کشورهای هم‌پیمان خود مانند کره، ژاپن، مکزیک و ویتنام بسازد.
از سمت تقاضا هم نمونه‌هایی نویدبخشی دیده می‌شود. به‌طور مثال، مدلی موفق شرکت بیس‌پاور (Base Power) نشان می‌دهد که شرکت‌ها با استفاده از نرم‌افزار اختصاصی و ارتباط قوی با مشتریان می‌توانند ابتدا خدمات ذخیره‌سازی انرژی با حاشیه سود بالا را هدف قرار دهند، سپس به‌تدریج به سمت تولید قطعات کلیدی حرکت کنند تا زنجیره تأمین آن‌ها تثبیت شود و سهم بیشتری از سود را به دست بیاورند. اما اگر آمریکا واقعا می‌خواهد در حوزه باتری‌ها چه برای شبکه برق، پهپادها یا رباتیک پیشرو شود باید ظرفیت تولید خود را با سرعت بیشتری افزایش دهد.
این کار نیازمند یک استراتژی صنعتی جامع است که شامل قراردادهای بلندمدت خرید، یارانه‌های هدفمند، مشارکت‌های راهبردی و اصلاحات جسورانه در فرآیند صدور مجوز و همچنین افزایش ظرفیت تولید آن‌هم از طریق انتقال دانش فنی و تجربه می‌شود. نمونه موفق این رویکرد همکاری پاناسونیک و تسلا است؛ تجربه چند دهه‌ای ژاپن در تولید سلول باعث شد کارخانه گیگافکتوری تسلا خیلی سریع از یک پروژه صفر به بازده مطلوبی برسد. واقعیت این است که بازگرداندن تولید در مقیاس بزرگ تنها با تکیه بر ترکیب سیاست‌گذاری، تأمین مالی دولتی و اجرای هماهنگ بین‌المللی امکان‌پذیر می‌شود.
الکترونیک قدرت
الکترونیک قدرت، سیستم عصبی پنهان ماشین‌های مدرن است. در قلب این فناوری نیمه‌رساناهای قدرت قرار دارند و برخلاف تراشه‌های منطقی (Logic Chips) که پردازش داده و اطلاعات را برعهده دارند، مستقیما بر مدیریت و تنظیم انرژی تمرکز دارند. به‌عبارت دیگر، این فناوری جریان برق را میان منابع و مصرف‌کنندگان تبدیل، معکوس و کنترل می‌کند.
سیستم‌های برق در گذشته به سوئیچ‌های کند سیلیکونی، ترانسفورماتورهای هسته فولادی و کنترل‌های آنالوگ حجیم متکی بودند. اما این روش‌ها در ولتاژ و فرکانس‌های بالا به محدودیت‌های جدی رسیده‌اند. امروز نسل جدید نیمه‌هادی‌های باندگپ گسترده (WBG) مانند سیلیسیم کاربید (SiC) و گالیوم نیترید (GaN) با سرعت بیشتری سوئیچ می‌کنند، در برابر دماهای بالاتر مقاوم هستند و کنترل دیجیتالی دقیقی را امکان‌پذیر می‌کنند. این زیرساخت تمام دیجیتال که بدون قطعات مکانیکی متحرک است و با نرم‌افزار هدایت می‌شود، در واقع نخ تسبیحی است که اجزای مختلف زیرساخت الکترو صنعتی را به‌طور یکپارچه به هم متصل می‌کند.
در حال حاضر، ماده دیرگداز و نیمه‌رسانای سیلیسیم کربید هسته اصلی اینورترهای خودروهای برقی، شارژرهای فوق‌سریع DC و نیروگاه‌های خورشیدی و بادی عظیم است.گالیوم نیترید هم در شارژرهای کوچک، تجهیزات مخابراتی و رادارهای پرقدرت خوش می‌درخشد. از آنجایی‌که نیاز به ولتاژ بالاتر هر روز بیشتر می‌شود، هر دو فناوری به زیرساخت‌های برق مراکز داده وارد شده‌اند. همچنین، استفاده از این فناوری‌ها در صنایع هوافضا، دفاعی و شبکه برق از مرحله آزمایشی به سمت برنامه‌های عملیاتی حرکت کرده است. به‌طور مثال، شرکت “Astro Mechanica” از مبدل‌های مبتنی بر SiC برای راه‌اندازی موتورهای الکتریکی پرقدرت در کمپرسور موتور جت استفاده می‌کند. این نوآوری امکان دستیابی به الگوهای جدید پرواز و همچنین پشتیبانی از کاربردهای نظامی که به انرژی بسیار بالایی نیاز دارند را فراهم می‌کند.
نکته قابل توجه این است که ایالات متحده فعلا در زمینه طراحی و دانش تولید نیمه‌هادی‌های باندگپ گسترده از نظر فنی پیشتاز است، اما در تامین مواد اولیه مشکل دارد؛ زیرا چین کنترل منابع مهمی مانند گالیوم را در دست دارد و به‌سرعت در حال توسعه خطوط تولید ویفر و دستگاه‌های مرتبط است. به‌طور مثال، کارخانه ویفر SiC شرکت YOFC با سرمایه‌ای حدود ۲.۸ میلیارد دلار، ظرف ۱۸ ماه در ووهان به بهره‌برداری رسید و اکنون سهم بزرگی از تقاضای داخلی چین را هدف گرفته است. همچنین، کارخانه BYD تولید شارژرهای سریع 10C خود را آغاز کرده و شرکت Innoscience به‌عنوان تأمین‌کننده اصلی گالیوم نیترید برای انویدیا انتخاب شده است. این روند فشار زیادی روی تأمین‌کنندگان غربی وارد کرده است، به‌ویژه حالا که شرکت “Wolfspeed”، یکی از پیشگامان آمریکایی در تولید سلیسیم کاربید، درگیر بحران ورشکستگی شده است.
البته، مشکل دیگری هم وجود دارد؛ شبکه برق آمریکا قدیمی و به شدت تحت فشار است. از سال ۲۰۲۰ تا الان تقاضا برای برخی کلاس‌های ترانسفورماتور برق سه برابر شده است، در حالی که بیش از نیمی از ۴۰ میلیون ترانسفورماتورهای توزیع کشور، عمرشان از حد استاندارد گذشته است. آمریکا درحال حاضر ۸۰٪ از ترانسفورماتورهای قدرت و ۵۰٪ از ترانسفورماتورهای توزیع مورد نیاز خود را وارد می‌کند. به‌علاوه، تعرفه‌های فولاد و مس الکتریکی منجر به افزایش هزینه‌ها شده است، تاجایی‌که قیمت برخی تجهیزات تا ۹۵٪ افزایش یافته است. در چنین وضعیتی، سیستم توان پاسخگویی به رشد انفجاری تقاضای برق را ندارد. تنها راه‌حل این مشکل، ساخت ترانسفورماتورهای حالت‌جامد با استفاده از نیمه‌هادی‌های WBG تولید داخل است.
آمریکا برای عبور از این گلوگاه‌ها، باید تولید ویفرهای ۲۰۰ میلی‌متری و فرآیند اپیتاکسی (روشی برای رشد لایه‌های کریستال نیمه‌هادی) را با بازدهی بالاتر گسترش دهد و استفاده از فناوری SiC/GaN را به حوزه‌های کلیدی نظیر ترانسفورماتورها و سیستم‌های قدرتی پیشرفته هدایت کند. همچنین سیاست‌گذاری باید باعث تحریک تقاضا و حمایت مالی از تحقیق و توسعه باندگپ گسترده شود. آینده به مقادیر زیادی از برق با مدیریت دقیق نیاز دارد و این کار فقط با الکترونیک حالت جامد تحت کنترل دیجیتال امکان‌پذیر می‌شود.
موتورها و عملگرها
موتورها و عملگرها همان ابزارهایی هستند که انرژی الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند؛ مانند موتوری که پره‌های یک پهپاد یا بازوی یک ربات صنعتی را به حرکت وا‌می‌دارد. در حال حاضر بهترین تکنولوژی بازار، موتور سنکرون بدون جاروبک با آهنربای دائم (PMSM) است که از آهنرباهای نئودیمیم-آهن-بور (NdFeB) استفاده می‌کند. این نوع موتورها به دلیل چگالی گشتاور بالا، بازدهی زیاد و اندازه کوچک محبوب هستند؛ اما یک مشکل اساسی دارند که آن هم وابستگی به فلزات خاکی کمیاب است که بیشترشان تحت کنترل چین هستند. برای کاهش این وابستگی چند جایگزین وجود دارد که هرکدام مزایا و معایب خاص خودشان را دارند:
- موتورهای القایی: مقاوم و بدون نیاز به عناصر کمیاب هستند، اما بازده پایین‌تری دارند.
- موتورهای میدان سیم‌پیچی: نیاز به آهنربای دائم را حذف می‌کنند؛ اما پیچیدگی و مشکلات حرارتی بیشتری به همراه دارند.
- موتورهای سوئیچ رلوکتانسی (SRM): بدون آهنربا کار می‌کنند و دمای بالا را به‌خوبی تحمل می‌کنند؛ اما به سیستم‌های کنترلی پیشرفته نیاز دارند.
- موتورهای PMSM با آهنربای فریت (سرامیکی): ارزان‌تر هستند، اما نسبت به آهنربای NdFeB عملکرد ضعیف‌تری دارند.
بازار در حال آزمایش این گزینه‌ها است. مثلاً تسلا ابتدا از موتور القایی استفاده کرد، بعد به PMSM روی آورد چون بازده بیشتری داشت؛ اما حالا دنبال طراحی جدیدی است که بدون فلزات خاکی کمیاب کار کند. همچنین شرکت‌هایی مثل BMW و رنو سراغ موتورهای میدان سیم‌پیچی رفته‌اند.
در زمینه عملگرها نیز تغییرات بزرگی در جریان است. عملگر (Actuators) یا اکچویتور به ابزارهایی گفته می‌شود که یکی از صورت‌های انرژی را به حرکت از نوع دورانی یا طولی تبدیل می‌کنند و باعث حرکت واقعی می‌شوند. سطوح پروازی هواپیما، صندلی‌های قابل تنظیم، باله‌های موشک، ارابه‌های فرود نمونه‌هایی از عملگرها هستند. اکثر این ابزارها پیشتر با سیستم‌های هیدرولیک کار می‌کردند؛ اما حالا به سمت سیستم‌های الکترومکانیکی حرکت می‌کنند. دلیل این تغییر، وزن کمتر، قابلیت اطمینان بیشتر و امکان کنترل دیجیتالی دقیق‌تر است. امروز در کاربردهای پیشرفته عمدتا از عملگرهای خطی و دایرکت درایو استفاده می‌شود. در همین حال، عملگرهای پیزوالکتریک در رباتیک نرم و کاربردهای خاصی که به دقت و انعطاف‌پذیری بالا نیاز دارند، در حال ظهور هستند. اگرچه محدودیت‌های فیزیکی همچنان پابرجاست، اما پیشرفت‌های تدریجی در مواد، کنترل‌ها و یکپارچه‌سازی به‌تدریج فاصله عملکرد میان انواع عملگرها را کاهش می‌دهد. افزون بر این، طراحی‌های متن‌باز و تجاری‌سازی گسترده‌تر قطعات، فرصت‌های تجاری بیشتری را ایجاد می‌کند.
فناوری الکتروصنعت همان زیرساخت اصلی پهپادهای کوچک گروه ۱ است که میدان نبرد مدرن را متحول کرده‌اند. به‌عبارت دیگر، این پهپادها برای حرکت و عملکرد خود به همان فناوری‌هایی وابسته‌اند که در پشته الکتروصنعتی تعریف شده؛ اما مشکل این است که به‌شدت به موتورهای وارداتی متکی هستند. باوجود اینکه شرکت‌های غربی در زمینه موتورهای خاص و پیشرفته مانند سروو (Servos) برتری دارند؛ اما بزرگ‌ترین ضعف فعلی در زمینه تولید موتورهای پهپادی این است که عمدتاً از چین تأمین می‌شوند.
- آمریکا برای رفع این چالش، باید چند مسیر را به‌طور موازی دنبال کند:
- تقویت زنجیره تامین آهنرباهای کمیاب
- تشویق و حمایت از طراحی موتورهای بدون عناصر کمیاب
- احیای تولید موتورهای PMSM را برای کاربردهای حیاتی
- ایجاد یک اکوسیستم بومی برای پیشران پهپادها
همزمان باید روی اجزای دقیق مانند گیربکس‌ها، بلبرینگ‌ها و انکودرها نیز سرمایه‌گذاری کند؛ زیرا حتی بهبودهای کوچک در بهره‌وری موتورها و عملگرها، سهم بزرگی از تولید ناخالص داخلی (GDP) را به حرکت در می‌آورد.
رایانش (Compute)
لایه رایانش همان جایی است که انرژی الکتریکی به «هوش» تبدیل می‌شود و کنترل همه‌چیز، از خودروهای خودران گرفته تا سامانه‌های پیشرفته نظامی و ربات‌های صنعتی، در آن رقم می‌خورد. امروز پیشتاز این عرصه، تراشه‌های منطقی ۲ تا ۴ نانومتری هستند که اغلب به شکل پردازنده‌های گرافیکی (GPU) توسط شرکت چندملیتی انویدیا طراحی و در کارخانه تایوانی تی‌اس‌ام‌سی (TSMC) ساخته می‌شوند. همین موضوع یک چالش ژئوپولیتیک جدی ایجاد کرده است؛ زیرا آمریکا برای تولید پیشرفته‌ترین تراشه‌های خود به کارخانه‌های برون‌مرزی وابسته است.
شکستن سلطه انویدیا و تی‌اس‌ام‌سی در حوزه محاسبات بسیار دشوار است. تراشه‌های اختصاصی هوش مصنوعی (ASIC) شاید از نظر سرعت و هزینه بتوانند از GPUها پیشی‌بگیرند؛ اما کماکان با همان محدودیت‌های تولید و بسته‌بندی مواجه هستند و از نظر نرم‌افزاری هم ضعیف‌تر عمل می‌کنند. آنچه عملا مزیت رقابتی را در این حوزه تعیین می‌کند، اکوسیستم نرم‌افزاری است و انویدیا با راه‌اندازی پلتفرم محاسبات موازی کودا (CUDA) یک خندق دفاعی عمیق را برای خودش ایجاد کرده است. درحالی‌که آمریکا با وضع محدودیت‌های صادراتی مانع ورود تراشه‌های پیشرفته به چین شده است؛ اما این کشور با استفاده از بازارهای غیررسمی و خرید تراشه‌های قدیمی‌تر که مالیات کمتری دارند، محدودیت‌ها را دور می‌زند و با کمک برق ارزان و شبکه گسترده‌اش، مراکز بزرگ داده و پردازش هوش مصنوعی را راه‌اندازی می‌کند.
امروز همان‌قدر که کوچک‌سازی ترانزیستورها مهم است، فناوری بسته‌بندی پیشرفته تراشه‌ها هم در تعیین عملکرد نقش دارد. طراحی سیستم از سطح یک تراشه فراتر رفته است و باید یک بهینه‌سازی هماهنگ بین کل اجزا ماشین از تراشه و حافظه گرفته تا اتصالات داخلی و حتی تامین، سازماندهی تجهیزات شبکه و سیستم‌های خنک‌کننده در سطح رک (rack) اتفاق بیفتد. از طرف دیگر، چارچوب‌های نرم‌افزاری، کامپایلرها، کرنل‌ها و درایورها هم به همان اندازه مهم هستند؛ زیرا باید مدل‌ها را روی این معماری پیچیده پیاده کنند، ارتباطات و حافظه را مدیریت کنند و عملکرد کل زیرساخت را هماهنگ کنند.
شرکت‌های چینی در تولید انبوه و بسته‌بندی ارزان‌قیمت تراشه‌های قدیمی‌تر پیشتاز هستند؛ در حالی‌که شرکت‌های غربی در ابزارهای طراحی (EDA)، لیتوگرافی و اکوسیستم‌های نرم‌افزاری دست بالا را دارد. اما مشکل اصلی اینجاست که غرب فعلا به‌جز تولید تراشه‌های پیشرفته در تایوان، ظرفیت دیگری ندارد. برای غلبه بر این چالش، آمریکا و متحدانش باید کارخانه‌ها و مراکز بسته‌بندی پیشرفته داخلی بسازند و اکوسیستم‌های عمیق‌تری را برای زیرلایه‌ها، حافظه با پهنای باند بالا (HBM) و فرآیند مونتاژ و تست توسعه دهند. همزمان، اعمال محدودیت صادرات بر سخت‌افزارها و نرم‌افزارهای پیشرفته از لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) گرفته تا ابزارهای تحلیل کاوشگرانه داده‌ها (EDA) و معماری‌های پردازشی (ISA) همچنان اهرم‌های مهمی هستند.
نکته حیاتی این است که آمریکا برای امنیت و استقلال صنعتی خود به یک نسخه آمریکایی از شرکت TSMC نیاز دارد، زیرا این شرکت تایوانی از انتقال فناوری‌های پیشرفته به خارج از کشور خودداری می‌کند. به این استراتژی «سپر سیلیکونی» گفته می‌شود. اکنون سوال اصلی این است که آیا اینتل می‌تواند دوباره احیا شود و این نقش حیاتی را برای آمریکا ایفا کند. در چنین شرایطی، برخی شرکت‌ها مسیرهای جایگزین را در پیش گرفته‌اند؛ مثلا تسلا برای حفظ ظرفیت تولید در تگزاس به سامسونگ متکی شده است. با این وجود تا زمانی که آمریکا کنترل کامل تولید و بسته‌بندی تراشه‌های پیشرفته را در داخل کشور به دست نگیرد، کل زنجیره رایانش و محاسباتی آن از نظر استراتژیک در معرض آسیب‌پذیری باقی خواهد ماند.
جمع‌بندی
پشته الکتروصنعتی (Electro-Industrial Stack) مجموعه یکپارچه‌ای از فناوری‌ها و زیرساخت‌ها است که نرم‌افزار و دنیای فیزیکی را به هم متصل می‌کند تا ماشین‌ها و دستگاه‌ها بتوانند از یک سطح ساده فراتر بروند و به سامانه‌های خودکار و کارآمد تبدیل شوند. این پشته یک زنجیره کامل از استخراج و پالایش مواد معدنی گرفته تا تولید باتری‌ها، موتورها و عملگرها، الکترونیک قدرت، تراشه‌های پردازشی و در نهایت مونتاژ محصول نهایی را در بر می‌گیرد. این ساختار درواقع همان «بنیاد نامرئی» است که به ماشین‌ها جان می‌بخشد و اجازه می‌دهد نوآوری‌های نرم‌افزاری در جهان واقعی تحقق پیدا کنند.
نمونه بارز این توانمندی شرکت چینی BYD است؛ شرکتی که از یک تولیدکننده باتری آغاز کرد و امروز نه تنها در بازار جهانی خودروهای برقی پیشتاز است، بلکه در حوزه کشتی‌های باری، قطارها، اتوبوس‌ها، تجهیزات صنعتی و حتی پهپادها حضور پررنگی دارد. دلیل این گستردگی، تسلط BYD بر فناوری‌های کلیدی و توانایی در مدیریت یک پشته صنعتی کامل است.
نبود این پشته به معنای وابستگی به دیگران و گرفتار شدن در گلوگاه‌های حیاتی است؛ در چنین شرایطی شرکت‌ها دیگر قادر به ساخت پهپاد، موتور، سامانه‌های انرژی، تجهیزات فضایی یا حتی اجرای پروژه‌های پیشرفته هوش مصنوعی نخواهند بود. کشوری که فاقد پشته صنعتی باشد، کنترل آینده خود را به دست دیگران می‌سپارد.
بنابراین، باید پشته صنعتی را همچون یک سیستم منسجم ببینیم، نه مجموعه‌ای از قطعات پراکنده؛ تفکر جزیره‌ای فقط باعث جابه‌جایی گلوگاه‌ها می‌شود. درنهایت، برنده شدن در این مسیر نیازمند استعدادهای جهانی، مهارت، تخصص عملیاتی و سیاست‌گذاری هماهنگ در کل زنجیره ارزش است.
