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一文讲透,工业软件是如何卡住“中国脖子”的

宏观视点

一文讲透,工业软件是如何卡住“中国脖子”的

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【摘要】:

一文讲透,工业软件是如何卡住“中国脖子”的

 

  随着硬件迭代升级,现如今相对于硬件本身,制造设备的“核心竞争力”越来越多地体现在了软件中,核心零部件“卡脖子”问题还没解决,工业软件的“卡脖子”问题又来了。而且远比想象的要严重得多。

  此前,B站一位UP主——极客队长GeekLead在《华为等中国制造,美国如何靠软件,卡住脖子?》这一投稿视频中,分析了中国在工业软件领域的短板问题,相对于“卡脖子”的核心零部件,工业软件的受限制程度堪比“卡脑袋”。

  为什么中国火箭都能上天,偏偏芯片还会被卡?

  这是由于美国控制了制造业的基础,这一幕堪比釜底抽薪。

  如果说,生产芯片方面国产企业还可以凑合一些场景,但在设计芯片的软件上中国就差的太远了。关键软件是生产的上游,这意味着美国不仅卡了中国的脖子,还把头卡住了。

  工业软件是中国整个工业体系中的最大短板之一。很多人对于中国软件有一个认知上的错误:很多大型互联网公司都是做软件的,中国软件能差到哪儿?

  在这里极客队长引用了一张倪光南院士的PPT:

  从PPT中可以看出:虽然中国互联网应用很厉害,但中国大型工业软件和芯片设计软件(EDA设计工具)是最为薄弱的环节。极客队长作为工程师在互联网界和工业软件界都呆过,留学期间的导师就是工业软件领域的专家,当时也曾在北美西门子工业软件研发部实习。正是这段实习经历让极客队长体会到了行业的难度和中国的差距,这一科普对于大众认知也十分重要。

  工业软件是如何卡住“中国脖子”的

  首先,工业软件到底是什么?

  工欲善其事,必先利其器。工业软件其实就是工业领域的工具,就像office、photoshop等。

  工业软件大概可以分成三类:帮助设计的、帮助仿真的,以及帮助制造的,英文简称以CA(计算机辅助)开头:

  设计类的软件——CAD,简单理解就是画图工具,例如造一栋建筑或做零件、芯片,都需要先画图纸,早期都是手工画,现在就由计算机来操作,拖拽标准件直接组合就可以完成。

  仿真类的软件——CAE,在用途上来讲就是试验,即帮助检验涉及是否合适、合理。

  制造类的软件——CAM,由于生产要靠设备来完成,操作设备就要靠CAM,例如在机床生产中,需要依靠软件控制刀头如何移动、如何切割。

  当然,这些概念如今已被融合起来,成为一个大的概念,提供一整套服务——PLM(product lifecycle management)即产品生命周期管理,电子领域成为EDA(电子设计自动化软件)。

  目前,无论你是PLM还是EDA,中国都完全地被国外,尤其是美国“卡脖子”了。

  由于软件是一切环节的工具,没有工业软件就什么都做不了,卡住了软件就卡住了一切。因为现在无法靠工程师徒手绘制上亿个晶体管。就算是在70年代,EDA就诞生在硅谷,当年的英特尔和惠普就已经在企业内部自己探索了,之后才形成单独的产业——Synopsys和Cadence,之后才在硅谷创业,如今他们在业内已经是垄断一般的巨头存在了。

  为什么中国工业软件发展不好

  第一个原因是难。

  不少人以为工业软件属于计算机专业,事实上,工业软件看起来是软件,但背后是无数知识的结晶,是绝对的跨学科领域。它需要你在各个领域都没有短板,只有计算机专业参与是绝对没戏的。

  首先它涉及基础学科,这里极客队长着重分享了其实习经历。

  当时极客队长实习的公司是著名的西门子NX,实习部门中文翻译过来就是动画组,客户是特斯拉。当时他们在研发model 3,外形还没有最终敲定。因为客户的设计很新颖,有巨大的玻璃还是电动车,有很多需求确实是当时的第一家。特斯拉给了几个版本的设计,需要让计算机模拟出汽车制造的过程,来看看设计是否合理。

  最初极客队长以为做动画片儿能有多难,结果开工之后就傻眼了,这虽然是做动画但不是动画片那种动画,能动起来就行,工业的要求是十分严格精准的。极客队长每天都要研究力学,以模拟几千个零部件的运动过程,计算每个零部件的空间位移,而且不同零部件相互直接还有一定的作用力,仅靠基础知识是完全不够用的。

  可以说工业软件的程序员如果不懂动力学,根本无法下手干活,所有动画仿真必须要基于物理公式,工业生产不是儿戏,并不是好看就可以,要能够切实知道实际生产。

  由此,极客队长明白了:工业软件本质上是把物理公式写到软件里,让软件快速实现运算。而且如果所需要的物理公式不存在,那就要先去推导公式,这就需要研究物理这一基础学科,之后还需要计算机底层研究能力。由于有些物理公式过于复杂,虽然理论是正确的,但无法计算出来,这是就要靠计算机学家,让计算成为可能。

  这里极客队长列举了一个典型应用:CFD(计算流体力学),计算流体(例如空气、水等)对于产品的影响是CFD重要的应用之一,这类仿真在飞机翅膀和汽车外形设计的时候都必须要做,如今更设计到了更多领域,例如芯片的散热。

  其实CFD相关的物理方程早在19世纪就提出了,但在没有计算机的时候解起来非常困难,所以此前基本要靠实验,例如在机翼搭风洞,防止机翼,然后用风扇模拟气流,再用传感器测量数据,这一过程耗费巨大成本且浪费时间。

  在一台IBM计算机解除这一方程过后,从此使用计算机解物理方程成为可能,而在技术不断迭代的影响下,CFD也越来越强大,无论是运算量还是运算速度都持续攀升。

  而在CFD这一领域,中国可以说被美国拿捏得死死得,2019年美国华为禁令刚刚开始,美国Ansys就禁售了,作为业内王冠级的工业软件,台积电、联发科等都是Ansys的客户,而其CFD领域的名片级产品fluent就在禁售之中。

  美国密歇根大学CFD领域泰斗Philip.L.Roe 教授就评价表示:现在CFD分析已经完全取代实验来设计工业产品了。如果美国欧盟真的认真执行相关政策,中国的汽车、飞机设计就都要回去吹风洞了。

  目前工业仿真软件主要被美德法三国把持,美国Ansys、德国西门子、法国达索。关键是欧盟和美国脱不开关系,Ansys收购了很多欧洲公司。直白讲,工业软件领域,美国依然操控全场。

  第二个原因是钱不够。

  说实话,做什么都不能靠用爱发电,极客队长在西门子实习时,在一个非常小的城市,物价很低,一个暑假两三个月,税后工资到手15000刀,差不多10万多人民币。同比极客队长很多国内做工业软件的朋友,工资差距非常悬殊。

  工资低是有市场原因的,因为工业软件行业的头部效应非常明显。为了自己的研发周期不被影响,客户只会为最先进可靠的软件买单。而国产软件在公平竞争下面对高端客户并没有优势,客户为什么要赌上自己的未来给国产软件送温暖,外国货物美价廉,直接用不香吗?

  而且国外的工业软件其实已经渗透到了整个中国工程师的培养环节,现在绝大部分中国高校工科专业,一进大学就要学习国外软件,学的第一个3D设计软件就是SolidWorks,它的母公司是法国达索。控制住大学就是控制住了中国未来的工程师,从源头上扼住了中国人才。

  第三个原因是政策。

  美国国防部就牵头开展了电子复兴计划(ERI),这里的“复兴”并不是由于落后,而是美国发现其领跑优势不够明显了,要依靠政策进一步扩大优势。ERI计划在5年内投入15亿美元,EDA软件巨头Cadence在这一计划中获得了2400万美金的资助。而这只是近年来美国各种扶持政策下面的一项。

  而在中国,统计表明,在十五,十一五期间,对相关领域的各类政策投资一共只投入了5000万人民币左右,在十二五期间也不超过两个亿,差距可见一斑。就是说美国一项扶持政策的强度等于中国15年来投入的50倍。这里还有另外一方面原因,就是工业软件的位置很尴尬,如果属于软件的话,按照中国分类属于工业应用;但正如之前所说,工业软件最重要的是跨学科的基础研究,不单单是工业就能涵盖的。典型的中国时刻又出现了,按照经验,多内容融合,两头都管的结果就是踢皮球,两头都不管。

  而且还有一个问题就是,观念上觉得科研投入“软不如硬”,例如华为事件中,很多科普视频都在讲光刻机,因此很多时候上面政策投资更喜欢看到的是拿钱去建实验室,购买高大上的实验装置,反观投资买软件,带来的效果不好看,领导参观怎么展示?看一堆电脑?这一点倪光南院士也呼吁过,要改变软件不重要的思想,要知道工业软件是和光刻机、机床一样重要的工业实力。

  值得庆幸的是,国家已经开始非常重视了,“十四五规划”重点是解决国家卡脖子工程,光刻机、芯片、操作系统、触觉传感器等35项卡脖子关键技术将是未来重点方向。

结语:中国工业软件的发展依旧依靠广大行业从业者,中国的年轻人才,在人口红利过后,接下来就是人口素质提高带来的工程师红利。中国由全世界数量最多的大学生群体,日后也将拥有世界上最大的工程师群体。希望借此机会激起年轻一代人对于工业软件的兴趣,也算劳有所值了。(来源: 人工智能工业应用)

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