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前不久在第二十六屆中國科協(xié)年會主論壇上，中國科協(xié)發(fā)布2024重大科學問題、工程技術難題和產業(yè)技術問題。在所列舉的十大工程類技術難題中，至少有三個難題，或隱或顯的和工業(yè)軟件有緊密關聯(lián)：

1. 工業(yè)母機精度保持性的快速測評；

2. 大尺寸半導體硅單晶品質管控理論與技術；

3. 基礎設施領域自主工程設計軟件問題。

這三個難題均需要用到工程類計算機輔助工程、仿真建模軟件平臺CAE/CAD，或集成電路設計、制造自動化軟件EDA工具，CAE/CAD以及EDA統(tǒng)屬于工業(yè)軟件大類。

如果勞煩讀者以“工業(yè)母機”、“工業(yè)軟件”等為關鍵詞檢索新聞資訊，就可以發(fā)現過去十多年來，發(fā)改委、工信部、科技部等多個部委的發(fā)文，包括歷年全國兩會的代表提案，幾乎只要涉及到亟需突破的“卡脖子”領域，“工業(yè)母機”、“工業(yè)軟件”往往都赫然在列且被重點標注。

在工業(yè)母機、工業(yè)軟件、高端集成電路設計與制造、基礎材料自主可控已成為產、學、研各界高度共識的背景之下，為何這些難題多年來依然常講常新？觀察者網科技板塊之前也曾發(fā)表多篇深度文章談及這一議題，指出工業(yè)軟件往往在實現“0”到“1”突破后依然會面臨諸多障礙。從目前我國工程類設備的研發(fā)和市場應用等視角來看，工業(yè)軟件的被“卡脖子”風險之所以長期成為產業(yè)升級中的重大難題，背后的原因依然有可發(fā)覆之處。

工業(yè)軟件——連接物理世界和數字世界的旋鈕

先看第一個難題，即“工業(yè)母機精度保持性的快速測評”。工業(yè)母機號稱“機器之母”，是機器中的機器。大尺寸半導體硅單晶是集成電路高端制造工序中的基石，有關這兩個領域的精度快速測評和品質把控，均和量測、檢測即Metrology體系息息相關。

高端數控機床的檢測系統(tǒng)負責將機床運動部件的實際位移量隨時檢測出來，與給定的指令信號進行比較，從而控制驅動元件正確運轉，實現閉環(huán)控制；而數控系統(tǒng)是數控機床的核心，是實現機床精確加工功能的關鍵。高端數控機床需要一整套多通道、全數字總線，還包含豐富的插補及運動控制功能、智能化的編程和遠程維護診斷。而且，數字控制（Numerical Control-NC）的算法、算力和母機器件、材料的迭代同氣連枝，同生共振，半個多世紀以來不斷推動著CAE/CAD工具以及相關IP鏈條的不斷完善和發(fā)展。

數控系統(tǒng)

再看第二個難題，大尺寸半導體硅單晶的品質管控。僅單晶棒的生長過程就包括了融化、穩(wěn)溫、種籽晶、放肩、生長、收尾、冷卻等一系列復雜工序。復雜工序的“可見”視域之內，離不開其背后所需的器件建模，多物理場仿真工具這一“不可見”的工業(yè)軟件——它負責把單晶生長和集成電路制造這種紛繁雜多的物理世界，化約為可被電子計算處理的數字世界。

隨著當下半導體制造工藝的日趨復雜和因制程遷移帶來的器件密度的成倍增長，硅片廠和晶圓廠面臨著開工率、產品良率和嚴苛交付時間約束下的量產成本的巨大壓力。集成電路制造類EDA工具恰如一把鋒利的“奧卡姆剃刀”，剔除掉芯片制造環(huán)節(jié)的重復物理性實驗冗余，是加快芯片上市時間和設計技術協(xié)同優(yōu)化的關鍵抓手。全球大型硅片廠和晶圓廠內的設備一旦熱啟動，時間成本可以通過計算模型量化為資本投入，尤其在先進工藝節(jié)點上，用“寸秒寸金”形容也毫不為過。

直拉法單晶硅制備虛擬仿真實驗@北京歐倍爾

筆者曾在蘇州拜訪某家制造類EDA企業(yè)時，企業(yè)董事長闡述，EDA工具負責把聲、光、電、化這些物理世界化約為可編程、量化、計算的數字世界，這一過程越來越多出現了很多“反直覺”的現象。

比如芯片工藝平臺的不斷躍遷，從7nm到5nm再到3nm，每一片wafer的成本都在急劇上升，但工藝開發(fā)時間卻沒有按照成本的增長而被顯著拉長，EDA工具就是其中的密碼——雖然晶體管的密度隨著工藝制程不斷增加，但由于EDA工具成為了開發(fā)者的公共平臺，可以讓所有全世界的軟件設計者都能用同樣的語言來描述晶體管的特性。有了晶體管級電路仿真工具，半導體器件模型（SPICE Model）以及PDK自動化開發(fā)和驗證平臺，才不至于讓芯片設計和制造端“重復造輪子”，從而實現技術累積的有序演化。

從母機和大硅片制造體系這一宏觀視角來看，如果把機床制造和單晶生長看作一片密林，那么穿梭在密林之中所見的一片不起眼的樹葉都有可能成為影響工藝良率的“元兇”。若想既要保證母機精度、穩(wěn)定性，又要縮短工藝開發(fā)時間保證制造成本可控，又能在量測、檢測中保證數據的即時可編程性和回溯性，一套成熟有序的配套工業(yè)軟件必不可少。

工業(yè)軟件，一場“毀滅”與“反毀滅”之戰(zhàn)

根據德國德國機床制造商協(xié)會VDW數據，2022年全球機床產值803億歐元，中國大陸機床產值全球占比32%，我國機床消費中進口依賴度從2018年的33%下降至2022年的24%。不過中國大陸依然是德國機床主要的出口地。

隨著10年更換周期的到來，預計我國機床行業(yè)將迎來大規(guī)模替換需求。

與此同時，集成電路設計類企業(yè)過去五年年復合增長率為28%，而服務這些設計類企業(yè)的EDA工具增長率僅為14%，對比下來，至少還有翻倍的空間。

因此，無論工業(yè)母機所需CAD/CAE，還是集成電路所需的EDA軟件，在未來五到十年內都有肉眼可見的巨大增長潛力。

然而，我國在高端數控機床、高端集成電路設計與制造這兩大領域所需的工業(yè)軟件，卻長期被歐美少數幾個大廠所壟斷。前者的代表企業(yè)主要有日本發(fā)那科、三菱、德國西門子等，后者則主要由業(yè)界所稱的“三大家”，即Synopsys、Cadence、西門子EDA為代表。這些歐美巨頭形成的高護城河和生態(tài)壁壘，讓中國高端制造業(yè)不得不花費巨資獲取軟件授權。而且在制造-設計端融合度越來越高，軟硬件數據優(yōu)化協(xié)同的大背景下，毫不夸張地講，工業(yè)軟件所帶來的數據安全已經成為我國高端制造成敗的關鍵。為了更直觀地說明這個問題，在此舉三個例子。

例一。根據數控機床工作原理，如果數控網絡與管理網邊界缺少必要的邊界防護措施，會導致管理網安全風險容易橫向傳播到數控網絡；數控設備經常需要遠程維護，如果沒有自主研發(fā)、成體系的工業(yè)軟件，那么軟件運維，包括相應的debug工具也就無從談起。

前一段時間，業(yè)界風傳光刻巨人ASML可定位光刻系統(tǒng)操作地點且掌握所謂遠程“毀機按鈕”。雖然ASML官方對此不置可否，但在工業(yè)母機行業(yè)，這是殘酷的現實——國外高檔數控系統(tǒng)基本都是驅控一體的全數字閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中嵌入的GPS模塊確實可以實施遠程監(jiān)控所銷售的數控系統(tǒng)，包括但不限于調試維護、新數據更新導入等，在極端情況下，可以遠程中斷數控系統(tǒng)的運行。

例二。工業(yè)軟件對機臺運行所產生的數據歸納整理和分析能力，所帶來的數據安全和企業(yè)機密掌控同樣不容低估。

近年來，負責集成電路制造的晶圓廠內部的物流自動化成為國產替代的焦點。負責抓取、搬運晶圓盒的天車系統(tǒng)（AMHS）供應商成長很快，然而這一領域長期被村田、大福等少數日本廠商所壟斷，二者市占率高達90%。

某蘇州AMHS制造商總經理前一段時間告訴筆者，AMHS系統(tǒng)需要高度的定制化服務，所需的軟件系統(tǒng)成為各家打出差異化的突破點。AMHS對晶圓盒的抓取速度、吞吐量都由AMHS數據中臺掌控。可以說，AMHS不但事關晶圓廠開工效率，還高度涉及企業(yè)月度、年度產能核心機密。這一領域的工業(yè)軟件如果仰人鼻息，有可能會導致企業(yè)遭遇“開膛破肚”白盒化，即嚴重的數據泄露，商譽也會嚴重受損。

例三。歐洲最大的二手設備制造商SDI Fabsurplus總裁Stephen Howe前一段時間在和筆者對話時，感慨近些年官司不斷，訴訟成本高漲。原因就在于設備商把淘汰或者閑置的產線變賣，很多大型名貴設備包括很多光刻設備進入二手設備市場后，設備OEM廠商以各種名義只賣設備不賣配套軟件，導致二手設備的翻新維護變得愈加困難。

中國大陸是全球最大的二手半導體設備進口地，在美國對高端半導體設備出口不斷收緊的情況下，二手設備這些年成為我國半導體制造，增加產能的重要工具。若無正版配套的升級維護軟件系統(tǒng)，二手設備很容易被強制報廢，不但造成資源配置的巨大浪費，也影響芯片制造體系的整體升級。

高端制造裝備已經成為全球各大國高科技競爭的焦點，美國商務部不斷收緊EDA出口管制，高精尖工業(yè)軟件是否能自主可控的問題，已經可以上升到“毀滅”與“反毀滅”的高度。

有了工業(yè)制造體系就不怕沒有工業(yè)軟件？錯誤的論斷！

工業(yè)軟件被譽為工業(yè)皇冠上的明珠，觀察者網之前就“工業(yè)軟件”問題撰文時，讀者評論最高贊的一條是“我們已經擁有了世界上少有的全鏈條工業(yè)制造體系，不怕沒有配套的工業(yè)軟件。”

誠然，軟件所需的數據投喂、加密分析和算法的迭代往往伴隨同樣處在制造端上游的設備、材料一同成長，坊間所云“一代設備，一代材料，加一代軟件有一代工藝”，但工業(yè)軟件卻有其獨特的技術邊界和生態(tài)演進特色。以集成電路EDA為代表，國外三大家的產品矩陣的拓展無不伴隨著密集的收購并購和業(yè)務拆分整合。這種“大魚吃小魚”，EDA+IP的戰(zhàn)略疊加研發(fā)實操中的knowhow積累，讓后來者“彎道超車”幾乎變得不可能。

EDA巨頭Synopsys多年來并購了大大小小的各類EDA+IP公司@anysilicon

中國半導體行業(yè)協(xié)會集成電路設計分會理事長魏少軍教授在某年清華大學校友論壇中曾指出，中國臺灣雖然有著強大的半導體代工制造力，臺積電一家就占了全球所有pure foundry市占份額的約六成，與聯(lián)電、力積電共同構成了芯片代工島內生態(tài)。但幾十年來，中國臺灣地區(qū)其實已經沒有“生產整機能力”的可能，比如說一直未能發(fā)展出稍有規(guī)模的EDA廠商。其背后有一只看不見的手，在主導亞太地區(qū)IC供應鏈生態(tài)角色分工。

無獨有偶，韓國在全球半導體分工體系中，長期以來形成了以存儲、面板為主的強勢特色領域，而且有了三星電子這樣幾乎無所不包的超大型半導體企業(yè)。在當今這一波AI加速器狂飆突進中，以SK海力士為主的存儲企業(yè)吃飽了高帶寬存儲HBM的紅利，然而時至今日，韓國在EDA領域的全球份額卻依然接近為零。

由此可見，工業(yè)制造體系的規(guī)模，并不一定意味著工業(yè)軟件也會隨著硬件和設計理念的升級換代而協(xié)同進步，越來越多的國家已經意識到，當今如果沒有強有力的以國家意志為主導的頂層設計，以清晰明確的產業(yè)政策配合資本市場的高力度扶持，幾乎不可能在工業(yè)軟件中突破對手的生態(tài)壟斷壁壘。

難中之難，工業(yè)軟件到底難在哪里？

如前所述，科協(xié)年會主論壇十大工程難題居然就有三個和工業(yè)軟件強相關，而且各部位在列舉難啃的硬骨頭時，工業(yè)軟件時不時會排在尖端集成電路和精密儀器之前，被稱為“難中之王”，原因何在？

首先，相關專業(yè)人才匱乏，培養(yǎng)周期和成本過高。

工業(yè)軟件需要長時間的研發(fā)積累和龐大的工程師不斷在實操中提煉knowhow，這是軟硬件仿真、驗證環(huán)節(jié)能落地的基本前提，無論是工業(yè)母機還是大硅片制造、量測均需要打通前端制造和后端測試的數據耦合，以DTCO理念構建工業(yè)母機和大硅片的全生命周期視野，這一理念牽扯到物理學、數學、電磁、熱力學和計算機編程等繁雜的學科，客觀上推高了人才培訓和儲備成本。

目前國內雄心勃勃，有志于在制造類EDA多物理場仿真工具大干一場的企業(yè)，在人才招聘市場上往往會遭遇這樣的靈魂發(fā)問：你們需要如此復雜的工程基礎學科背景和相關理論素養(yǎng)的人才，但我只要掌握一兩種專業(yè)知識，比如計算機編程，就可以在互聯(lián)網公司拿到一份高薪，何必要進到集成電路和工業(yè)母機這樣的苦逼行業(yè)？這些行業(yè)又苦又累，工資也不比互聯(lián)網企業(yè)高多少。

其次，資本市場的逼問。眾所周知，無論一級市場還是二級市場，細分賽道的成長性、估值等尤其為投資者所看重。然而工業(yè)軟件的尷尬之處就在于，其總統(tǒng)市場規(guī)模往往沒看上去那么大。

以集成電路為例，諸多EDA供應商賣的是軟件授權而非tape out的量，全球集成電路總市場突破6000億美元大關時，EDA+IP市場不過才150億美元，大型EDA公司的營收的增量往往被并購的業(yè)務整合貢獻了大頭，很多時候還是存量之爭。近年來異軍突起的國內EDA點工具供應商，其中不少一開始志存高遠，不畏困難，發(fā)力啃一些EDA must工具鏈條（所謂must工具鏈，即EDA從集成電路設計到制造、封測全流程所必須的點工具）中40多個中的一兩個，希望以情懷加持獲得投資方的青睞。

但投資機構也有他們的靈魂發(fā)問：“這幾個點工具市場都被你吃干抹凈也不過才不到10億人民幣規(guī)模，就算讓你拿到100%市占份額。然后呢？”“然后呢”就代表了成長性，這三個字折射出了國內點工具EDA供應商融資過程中的尷尬和無奈。

2021全球EDA市占率和2020-2024增長率分析@Trendforce

第三，客戶驗證之難。工業(yè)軟件需要實驗室，但必須要走出實驗室接受市場閉環(huán)的考驗，才能在激烈的市場競爭中站穩(wěn)腳跟。某一家軟硬件集成設備商上個月告訴筆者，為了贏得某大型客戶的驗證資格和獲取足夠多的軟件調試一線數據，很多同行不得不把姿態(tài)放得很卑微，甚至和晶圓廠簽署免費導入合同，只求賺取一點可憐的加工費。

以晶圓前端制造所必須的離子注入機為例，離子注入是半導體前端工序極為重要的一步，需要多物理場仿真工具如TCAD等對蒙特卡洛（Monte-Carlo）方法進行仿真模擬，但離子注入的工藝結果驗證困難，不能像其他設備一樣通過光學檢測查看產品質量，只能等到三個月后芯片做完測試電性能時才知道注入結果，因此初次使用未經驗證的設備對于Fab風險很大，甚至有企業(yè)高管在考慮是否需要簽署金融對賭條款以換取TCAD工具配合離子注入機進行客戶驗證。

綜上所述，工業(yè)軟件不僅難在人才儲備，還難在上下游商用生態(tài)建設，這毫無疑問都需要一個相當長期的過程。

結語 有信心打贏工業(yè)軟件關鍵戰(zhàn)

今年以來，國家集成電路大基金二期動作頻頻，先后入股EDA解決方案提供商全芯智造、九同方微電、IP供應商牛芯半導體等，同時，工業(yè)母機龍頭企業(yè)華中數控等上市后將再融資，引入國家制造業(yè)轉型升級基金戰(zhàn)投等，意味著具備技術優(yōu)勢和“殺手锏”產品的企業(yè)，即使估值較高，也會因其獨特價值而受到投資方的青睞。

同時在AIGC產業(yè)浪潮之下，工業(yè)軟件算法迭代的范式正在迎來重大機遇期。在AI加持下的軟件云網運維、數據保護和仿真、驗證自動化程度的不斷提高，讓原本看似難以超越的工業(yè)軟件突破難點，至少看上去不再那么遙不可及。集成電路前端設計所需要的EDA驗證環(huán)節(jié)，往往占據整個流程近乎一半的時間成本，如何借力AI，全速優(yōu)化EDA工具驗證尤其是形式驗證過程，是目前全球各主要EDA公司共同需要探索的課題。除此之外，3D可視化工具輔助工業(yè)軟件，對期間模擬和材料應力變化以數字孿生的方式呈現，也為國產工業(yè)軟件“換道超車”提供了更多可能。

可以說，有國家意志主導的產業(yè)政策打底，資本市場的強力扶持，再加上相對完善、豐富的AIGC產品生態(tài)，我國工業(yè)軟件必將克服目前所能遭遇的重大難題，向著更高層面上的征途前進。