國產工業軟件替代之困

杜瑋

一顆只有指甲大小的芯片，可能集成了上百億個僅憑肉眼無法看到的晶體管。編織“0”和“1”的邏輯變幻，使之擁有豐富功能的功臣顯然不是人工，而是芯片的電子設計自動化工具EDA;一架民航客機，在獲得美國聯邦航空管理局適航證前，必須要有一款特定計算機仿真工程設計軟件CAE的加持，而飛行器的設計則離不開一款輔助設計軟件CAD。

這些應用于工業生產實際中，包含著數學、物理、計算機、工程學等多學科知識和技術的軟件，稱為工業軟件。2019年5月，美國對華為的制裁手段之一，就是斷供芯片設計的EDA工具;2020年6月，哈工大、哈工程大學等多個科研機構和公司，被美國列入實體清單，隨后兩校師生無法通過學校賬號登入海外用于建模求解、仿真分析的軟件MATLAB;今年3月，研發、生產無人機的深圳大疆公司因位列美國制裁名單中，被告知禁用美國用戶界面設計軟件Figma。

根據工信部指導發布的《中國工業軟件白皮書（2020）》，2019 年，全球工業軟件市場規模達 4107 億美元，而國產工業軟件僅占全球市場的6%。在國產工業軟件的細分門類中，生產控制、經營管理、運維服務類軟件占國內市場份額分別為五成、七成和三成，而像EDA、CAD、CAE這樣研發設計類的國產軟件占比只有5%。也就是說，這一領域的國產工業軟件進口依賴度高，極易被“卡脖子”，亟須國產替代。

按照中國制造2025重點領域技術創新的路線圖，到2025年，國產工業軟件絕大部分核心技術要取得突破，自主工業軟件市場占有率要超過50%。但當下及未來，國產工業軟件的替代之路依然將面臨市場、人才等諸多挑戰。

謝仲輝是芯華章科技公司首席市場戰略官。芯華章是國內一家成立于2020年3月的EDA初創公司，匯聚了300余名來自新思、楷登電子等知名集成電路企業的從業人員。新思、楷登電子，連同2016年被西門子收入旗下的明導國際， 被譽為全球EDA市場的三大巨頭。三巨頭市場份額占全球的60%以上，在國內市場占90%以上。國產EDA的龍頭企業是華大九天，成立于2009年，占國內市場份額6%。

謝仲輝曾見證過上世紀90年代臺積電初創期的輝煌。大學畢業后，他先后在新思、楷登電子等公司任職近20年，擔任過新思中國副總經理，參與過國內半導體項目“909工程”，還曾在國內半導體制造商華虹公司工作過。他介紹說，早期集成電路發展過程中，以模擬電路為主。芯片設計時，多采取手工畫版圖的形式，類似畫工程施工圖，隨著數字電路出現，芯片設計講求自動化。新思成立于1986年，在他印象中，1990年代，新思剛剛開發出芯片設計自動化的綜合工具，可以將包含功能的代碼轉換為與或非門邏輯器件的網表。

EDA被稱為芯片之母，全球市場規模僅為100億美元，卻能孕育5000億美元的半導體產業。設計一座“微雕宮殿”是一個復雜的過程，EDA工具的使用要貫穿始終。除了設計，制造、封裝也會用到EDA。設計流程大體分為前端和后端，前端就是滿足芯片所需功能，寫代碼，設計算法，再通過邏輯仿真、形式驗證、原型驗證等一系列工具做驗證，確保算法正確;后端則是將代碼轉換為工藝網表后，再布局布線，形成版圖。后端設計要與不同晶圓制造廠的工藝相匹配。購買一套含主要功能的三巨頭EDA工具花費至少要幾百萬元人民幣。

上海菲戈恩微電子公司的主要業務以設計指紋芯片為主，胡兵是該公司高級數字芯片設計工程師。他對《中國新聞周刊》解釋說，國外三巨頭的EDA工具之所以能橫行天下，關鍵在于其能提供從前端到后端全鏈條的工具，而且，三家的產品分別在某些環節的點工具具有絕對優勢。胡兵以自身經歷舉例說，前端設計時，他更多選用新思的工具，后端用楷登電子的產品。布局布線完成，做物理驗證時，業界90%會選擇明導國際的軟件。

相比之下，國內的EDA公司大多只能提供某一環節的點工具或者局部的工具。以華大九天為例，產品覆蓋模擬電路設計的全流程 EDA 工具系統，但在數字電路設計領域，產品線并不完整。其他一些同類公司如鴻芯微納、芯行紀研發后端工具，芯華章則主要聚焦數字電路前端驗證，迄今為止，推出4款驗證產品和一個驗證平臺，但后端設計需要其他公司的產品支持。

三巨頭能實現設計一條龍的一大秘訣在于并購。“過去三十四年里，三巨頭通過不斷并購，形成了一個明顯的寡頭市場。”謝仲輝說。據統計，自成立以來，新思直接參與的并購達近百次，楷登電子并購70多次，明導國際近50次。如果再把間接并購算在內，三巨頭所涉的總并購次數在300次左右。整個行業內的技術與專利不斷向三家巨頭聚攏，形成了強大的壁壘。

芯片設計師們青睞三巨頭的另一個原因還與PDK有關。PDK是芯片設計時，晶圓廠提供給設計公司的工藝套件。這里面提供了有關芯片物理性能和電性能的一系列規則和參數，以及最底層的邏輯單元。簡單說，這就相當于蓋房子時的建筑規范和最基本的磚頭。

PDK在后端設計時會用到，而實際上，PDK是EDA公司和臺積電、三星等芯片制造商的合作產物。三巨頭和芯片代工廠的關系密切。晶圓公司確定了PDK的參數，EDA公司也獲得了最新的工藝參數，從而得以不斷精進自身工具，確保精度，以達到滿足最新工藝的設計要求。現實使用中，芯片設計公司會給予反饋和建議，EDA廠家會不斷迭代軟件。EDA廠家、晶圓制造廠、芯片設計公司形成穩定的三角關系。而且，三巨頭還開發了豐富的IP，即設計成型的一些大型模塊，便于芯片設計時直接調用。新思的營收構成中，有近1/3來源于此。

實際上，自EDA公司創立，其與半導體制造商間就有著某種“共生”關系。“EDA工具從誕生之初，就有用戶給EDA公司投資，軟件不斷更迭，和用戶一起成長。”一位在半導體行業有著數十年從業經驗、曾在多家頂尖芯片公司擔任高管的資深業內人士說，比如，英特爾公司有20億美元的芯片制造項目，其中給予EDA公司的研發費用就能達到1億美元。楷登電子建立之初，設立了獨特的投資模式，把入股機會留給通用電氣、愛立信、IBM等半導體生產商，將自己與下游客戶牢牢捆綁在一起，實現“工業反哺”。更早期，集成電路的設計隊伍本身就集中在強大的半導體公司，從設計到制造、封裝都由半導體制造商自給自足。

工業軟件誕生于工業，這是國外工業軟件發展的一大特色，一個更明顯的例子是CAD軟件，這是工程、機械制造、航空等領域設計的必備工具。1964年，IBM公司推出一款光筆交互圖形終端后，美國飛機制造商洛克希德等在此基礎上研發出各自的二維繪圖系統。1970年代，法國著名的達索飛機公司設計幻影戰斗機過程中，開發出了此后在航空工業領域廣泛應用的三維CATIA軟件。此后，達索公司又將洛克希德研發的系統收入囊中。1985年，波音公司也決定采用清一色的CATIA軟件，歐洲空客公司也是CATIA的重要客戶。在四大航空制造公司加持下，CATIA得到豐厚的滋養。1998年，達索還推出一款全新的CATIA系統。中國某機型開發團隊，使用當年就提出500多條問題或建議，大大提升了系統的應用成熟度。

梅敬成1990年從法國國立工藝學院機械工程專業博士畢業，從事CAD研發20余年，2011年加盟國內自主研發三維CAD的三家企業之一山大華天，擔任首席技術官。他對《中國新聞周刊》介紹說，以其公司如今研發的三維CAD產品來講，基本功能的實現上能和國外產品對標，但一些復雜功能，比如倒圓角、復雜曲面、抽殼、自由曲線等的繪制上還有差距，使用穩定性和計算效率上還需加強。而國外軟件之所以表現更優異，得益于核心技術更成熟，以及在幾十年的實際運用中的不斷優化。

國外軟件替代難度還與長期以來已相對固化的用戶習慣有關。“國外的軟件很成熟，我們先入為主，確實熟悉他們的流程和界面、腳本。”胡兵說。去年，他曾接到一個月設計兩款芯片的緊急任務，面對國內某EDA廠家送來的評估版軟件，他還是選擇了三巨頭的工具。“萬一國內廠家工具有什么問題，或者我自己操作不熟練，導致錯誤出現，芯片就會毀掉，產品交付和市場占有率會受到影響，有風險的因素存在”。

梅敬成說，改用國內軟件，還涉及將原有軟件積累的大量數據轉換到新軟件，要考慮格式能不能兼容，“而且，用戶不光關注的是結果轉換，還有能否對建模過程進行編輯，國內基本沒有公司能做得到”。再者，國內公司研發的工具相當于國外十幾年前產品的水平，用戶用慣了高水平的工具，為什么會去選擇十幾年前的產品？

其實，國內對于工業軟件的研發并非沒有努力過。1988年，在這之前兩年已成立的北京集成電路設計中心，匯聚了來自國內高等院校、研究所、中科院和有關企業等17個單位的120人，并且聘請了華裔專家領銜，集體攻關一個名為“熊貓系統”的系統開發專項。當時，正值西方國家組建的巴黎統籌委員會（“巴統”）對中國實施EDA軟件進口封鎖。“熊貓系統”正是此后華大九天系列工具軟件的雛形。

謝仲輝說，當時，“熊貓系統”功能偏向模擬電路的設計，雖然有電路仿真的模塊，但整體而言并不是那么自動化。2002年前后，在謝仲輝任職華虹期間，國內芯片行業依然以開發模擬芯片、數模混合芯片為主。市場規模和需求有限，這是國產EDA工具難以很好發展的重要原因。雖然當時國家支持集成電路發展，但更多支持的也只是制造環節，對于工業軟件的重視程度不夠。在前述芯片領域資深人士看來，當初“熊貓系統”的開發，也更多是模仿、學習，對于底層的技術架構、物理參數，相關科研人員并不了解。

高曙明是浙江大學計算機學院博士生導師，研究CAD已近四十年。他對《中國新聞周刊》說，以CAD為例，國內工業軟件的發展先天不足，后天努力也不夠。與發達國家相比，20世紀七八十年代，國內的科技水平、工業水平都與西方有較大差距，而工業軟件與國家的工業水平密切相關，因此，當時，國產工業軟件的發展需求本身就弱。工業軟件的開發又需要數學、物理、力學、計算機等領域的復合型高端人才，這方面人才也欠缺。

1980年代中期，國內各院校與研究機構開發的CAD系統已經多達2000多套，以二維CAD軟件為主。在1991年～1995年的“八五”期間，國家還啟動“CAD應用工程”。時任國家科委主任提出“甩掉繪圖板”的號召。“八五”期間，累計投入CAD技術的資金近8億元，國產CAD軟件產值近1億元。

在高曙明看來，“七五”“八五”期間，國家對CAD研發有了較多投入，使國內有了一定技術儲備，但關鍵在于參與的主體是高校和科研機構，這使得國產CAD的產業化面臨困難。高校面向前沿研究和企業注重產品實用性的目標不同。高校也不能依靠學生來做實用性軟件，這還關系到科研項目能否持續性投入。總體而言，由于工業軟件研發周期長、初期難以盈利，諸多脫形于高校的國產CAD企業，如山大華天、從北航起家的數碼大方等都一度生存困難。

2000年后，國家開始推動三維CAD軟件的發展。但梅敬成發現，當時國內只有少數高校在做三維CAD的研發，面向市場化的三維軟件很少，市面上幾乎是清一色國外軟件。梅敬成說，出于生存考量，很多國內CAD廠商會基于國外軟件做二次開發或關注國外廠商未涉及的細分領域，而沒有面向通用市場的基礎產品。

國產CAE軟件幾乎同樣走上了一條宇宙的盡頭是高校科研院所成果的路線。這一軟件的作用是在CAD設計完成后，對方案進行仿真驗證和優化。

劉韶鵬是云廬科技的首席信息官，云廬科技融合了CAE工具，并將之運用于基建建設和運維監測。劉韶鵬的博士生導師、中科院數學所研究員梁國平，曾在1989年開發了一款CAE軟件，之后又成立了北京飛箭軟件公司。2004年，劉韶鵬與導師共同研發完成世界上首個并行CAE自動生成平臺。劉韶鵬說，過去幾十年，國內CAE行業星火閃現后，又慢慢消失。他導師的公司依然還能存活，一個重要原因是其生意并非完全依仗工業界，很多客戶是來自于高校與院所的科研人員。

2020年12月11日，廣東廣州市，第一屆全國技能大賽的CAD機械設計現場。圖/視覺中國

2019年6月14日，一款國產CAE軟件產品LiToSimV1.0在重慶正式上線。工作人員在軟件展示區進行展示。攝影/本刊記者 陳超

2011年，劉韶鵬和朋友創立了一家名為紫荊華風的CAE公司，完成了面向垂直行業的幾款CAE軟件，但終因市場需求小，且國外軟件占優，轉向了如今的基建監測領域。他認為，時至今日，國內CAE軟件的應用需求尚未打開。諸如機械、汽車制造等工業領域，CAE的使用并不受重視。一些企業招聘了良莠不齊的CAE人才，對CAE的使用并非在方案設計、優化階段，而是在設計完成后，做一些無關緊要的驗證。當CAE 部門的人員給定的參數有誤，造成仿真結果與實際不符，CAE的功能又會進一步被懷疑，形成一種惡性循環。

對工業軟件而言，擁有豐沃的土壤和完善的市場生態，進而才能吸引更多人才，反之，會造成人才流失。在高曙明的記憶中，從2000年以后，他的學生就更多去到通訊行業、互聯網企業就業，到今天依然如此。劉韶鵬說，國外設置有電子工程專業，培養CAE的從業人員，所學內容涉及數學、力學、工程方面的知識。在國內，少有這樣的專業設置。

很多時候，工業軟件的“終極大招”是求解一個個復雜的方程組。像這樣尋求最優解的工具，叫做求解器，被譽為“工業軟件之魂”，這同樣也是一個“卡脖子”的領域。

杉數科技是一家由四位斯坦福大學博士創立的國產優化求解器研發公司，2016年成立，填補了國家在商用求解器領域的空白。公司聯合創始人兼首席科學家葛冬冬對《中國新聞周刊》說，以其研發軟件用到的核心學科運籌學為例，在工業軟件結合的方面，國內這一類人才稀缺，培養是淺層次的，教授學生的知識仍局限在一些傳統方法上，前沿研究不夠。由于與工業界連接不緊密，師生理論結合實際的能力與國外相比有差距，“很多算法老師也不清楚，更無法教學生”。

當1994年“巴統”解散，國外EDA軟件涌入國內，對于尚屬稚嫩的國產EDA軟件造成重大沖擊。當時，業內開始盛行“造不如買”的觀點。1994年與1995年，楷登電子、新思先后在北京設立了辦事處，在此之前，國內包括清華、復旦在內的科研院所都已購買了新思的產品和技術。就連研發熊貓系統的北京集成電路設計中心也利用“八五”科研經費，率先引入了新思的一款硬件仿真器，成為該產品在亞洲地區的首位用戶。

當時，國外廠家為迅速占據中國市場，還會以低價和免費形式提供軟件及配套服務，開展企業員工培訓，甚至在大學建立了外商EDA工具支撐的開放平臺，從學生入學就開始培養使用外商軟件的未來工程師。梅敬成說，當外商軟件大舉進入國內市場后，很多國內名校的畢業生，從市場占有率小的國產軟件廠轉投外商廠，成為其銷售和技術精英，又進一步制約了國產自主軟件的發展。

從1994年一直到2008年“核高基”重大科技專項實施前，中國的EDA產業發展陷入了長達十五年的沉寂。而在2000年后的10年間，中國對于三維CAD軟件研發方面的總投入規模大概是4000萬～5000萬元。北京聯訊動力咨詢公司總經理、長期跟蹤全球先進制造的林雪萍去年出版了《工業軟件簡史》一書。他在書中提到，2010年后的“十二五”期間，國內開始走信息化與工業化的兩化融合道路，研發設計軟件的工作由科技部轉為工信部負責。由于工信部并不對屬于基礎科研的工業軟件研發進行補助，國家對三維CAD軟件研發的投入越來越少。與此同時，隨著兩化融合工作深入，大量兩化融合資金，被用于購買國外工業軟件。截至2015年前的三個五年規劃中，國家對三維CAD/CAE等核心工業軟件研發的投入不足2億人民幣資金。

相比之下，源自美國的全球最大CAE軟件公司Ansys，2016年研發的投入為3.5億美元，約為20億元人民幣。而國家戰略層面，早在2009年，美國就在其“競爭力委員會”白皮書中，將建模、模擬和分析的高性能計算，視為維系美國制造業競爭力戰略的王牌。2018年10月5日，美國國家科學與技術委員會發布《美國先進制造領先戰略》，提出要保持電子設計和制造的主導領先地位，優先考投資建立半導體制造廠和相關的設計工具。

在歷經了數次“卡脖子”事件后，國家對于工業軟件的發展愈加重視。2020年，國家發布的新時期促進集成電路和軟件產業高質量發展的若干政策中，將集成電路列為一級學科，并在財稅政策、投融資政策、研究開發政策等八大方面為 EDA 行業開綠燈。去年12月工信部發布的《“十四五”軟件和信息技術服務業發展規劃》中提到，要重點突破工業軟件，研發推廣計算機輔助設計、仿真、計算等工具軟件。

資本隨之升溫。2021年3月，被譽為“國產CAD第一股”的中望軟件登陸科創板，股價一度上升至665.96元/股，總市值一度突破400億元。EDA市場的角逐顯得更為瘋狂。去年9月，華大九天通過證監會的審議，獲得首發通過，成為中國EDA第一股，眼下正在籌備股票發行。2021年，包括華大九天在內，國內共有4家EDA公司同時發起IPO，擬募資約57億元。

在前述芯片領域資深人士看來，未來EDA領域能夠實現國產替代的公司，其創始人和技術團隊多會來自三巨頭，他們了解EDA開發的全流程，知道“坑”在哪，能夠用較短時間，開發出安全自主可控的產品。而更多公司并不具備相應能力，只是為了謀求上市圈錢。公司未來估值一定會掉下來，最終死掉，或者掛羊頭賣狗肉，融到錢后，去做其他產品，實現所謂轉型。

謝仲輝說，目前，芯華章在不斷完善驗證的工具，力爭到2023年、2024年形成覆蓋EDA前端所有工具的完整平臺。在他看來，國外三巨頭并購過程中，很多時候納入軟件的數據是分散的、碎片化的，工具間連通性不夠好，只能通過打補丁的方式，將其接合起來。作為龍頭，其創新的動力也是有限的。這恰恰是國內EDA企業的機會。

高曙明分析說，如果發展方法對路，國產CAD要想達到現在國外的高端水平，至少還需要10年，在這過程中，要建立產、學、研、用、資的有效系統和生態。在《中國工業軟件白皮書（2020）》中提到，要建設國家級產學研用聯合攻關平臺，由政府主導，建立工業軟件關鍵技術攻關平臺，選擇相關高校科研院所為主體，協調研發設計類工業軟件企業參與，突破工業軟件關鍵技術。近兩年，國內還成立了由企業、高校等參與的數字化工業軟件聯盟，推動工業軟件發展。

劉韶鵬認為，國內軟件廠商首先要正視和國外軟件的差距，工業軟件開發，除了國家扶持，更重要的是制造業企業的支持。“運用軟件本是一個企業行為，要給國內廠商一些空間，提供試用機會，否則，國產軟件一點生機都沒有，到頭來還是會卡制造業自己的脖子。”但他也強調，國家的支持是有限的，只有軟件商自己造血，才能形成良性循環。梅敬成也說，現在國內一些公司的產品性能已經達到或超越了進口軟件，但未來更大的挑戰在于，如何讓眾多中小企業開始使用國產軟件。

前述芯片領域資深人士則分析說，走國產替代的道路，一方面要創新，一方面也要務實。“從種麥子開始，等著糧食是不靠譜的”，如果沒有基礎，從頭開始做EDA國產替代，二十年都不一定能完成。“不能為了自主而自主，安全自主可控就可以，關鍵是要滿足市場的需求”。

謝仲輝說，工業軟件的發展與市場、資本、政策、人才息息相關，彼此間相互影響。相比十年二十年前，國內現在已經有了相對完善的市場和政策支持，但企業不能只滿足于實現國產替代，打磨好一定能力后，還是要放眼全球，以開放的態度積極參與全球競爭。

（本文參考《工業軟件簡史》，實習生余皓晴亦有貢獻）