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

1. 工業母機精度保持性的快速測評
；

2. 大尺寸半導體矽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
、仿真建模軟件平台CAE/CAD
，或集成電路設計
、製造自動化軟件EDA工具


，CAE/CAD以及EDA統屬於工業軟件大類。

如果勞煩讀者以“工業母機”、“工業軟件”等為關鍵詞檢索新聞資訊
，就可以發現過去十多年來，發改委、工信部、科技部等多個部委的發文
，包括曆年全國兩會的代表提案
，幾乎隻要涉及到亟需突破的“卡脖子”領域，“工業母機”

、“工業軟件”往往都赫然在列且被重點標注。

在工業母機
、工業軟件
、高端集成電路設計與製造、基礎材料自主可控已成為產、學、研yan各ge界jie高gao度du共gong識shi的de背bei景jing之zhi下xia，為wei何he這zhe些xie難nan題ti多duo年nian來lai依yi然ran常chang講jiang常chang新xin
？觀guan察cha者zhe網wang科ke技ji板ban塊kuai之zhi前qian也ye曾zeng發fa表biao多duo篇pian深shen度du文wen章zhang談tan及ji這zhe一yi議yi題ti，指zhi出chu工gong業ye軟ruan件jian往wang往wang在zai實shi現xian“0”到“1”突破後依然會麵臨諸多障礙。從目前我國工程類設備的研發和市場應用等視角來看，工業軟件的被“卡脖子”風險之所以長期成為產業升級中的重大難題，背後的原因依然有可發覆之處。

工業軟件——連接物理世界和數字世界的旋鈕

先看第一個難題，即“工業母機精度保持性的快速測評”。工業母機號稱“機器之母”
，是機器中的機器。大尺寸半導體矽單晶是集成電路高端製造工序中的基石
，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體係息息相關。

高gao端duan數shu控kong機ji床chuang的de檢jian測ce係xi統tong負fu責ze將jiang機ji床chuang運yun動dong部bu件jian的de實shi際ji位wei移yi量liang隨sui時shi檢jian測ce出chu來lai，與yu給gei定ding的de指zhi令ling信xin號hao進jin行xing比bi較jiao
，從cong而er控kong製zhi驅qu動dong元yuan件jian正zheng確que運yun轉zhuan
，實shi現xian閉bi環huan控kong製zhi；而數控係統是數控機床的核心，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製功能
、智能化的編程和遠程維護診斷。而且，數字控製（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展。

數控係統

再看第二個難題，大尺寸半導體矽單晶的品質管控。僅單晶棒的生長過程就包括了融化、穩溫、種籽晶
、放肩、生長
、收尾
、冷卻等一係列複雜工序。複雜工序的“可見”視域之內
，離不開其背後所需的器件建模，多物理場仿真工具這一“不可見”的工業軟件——它負責把單晶生長和集成電路製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。

隨著當下半導體製造工藝的日趨複雜和因製程遷移帶來的器件密度的成倍增長，矽片廠和晶圓廠麵臨著開工率
、產品良率和嚴苛交付時間約束下的量產成本的巨大壓力。集成電路製造類EDA工具恰如一把鋒利的“奧卡姆剃刀”，剔(ti)除(chu)掉(diao)芯(xin)片(pian)製(zhi)造(zao)環(huan)節(jie)的(de)重(zhong)複(fu)物(wu)理(li)性(xing)實(shi)驗(yan)冗(rong)餘(yu)
，是(shi)加(jia)快(kuai)芯(xin)片(pian)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)和(he)設(she)計(ji)技(ji)術(shu)協(xie)同(tong)優(you)化(hua)的(de)關(guan)鍵(jian)抓(zhua)手(shou)。全(quan)球(qiu)大(da)型(xing)矽(gui)片(pian)廠(chang)和(he)晶(jing)圓(yuan)廠(chang)內(nei)的(de)設(she)備(bei)一(yi)旦(dan)熱(re)啟(qi)動(dong)
，時(shi)間(jian)成(cheng)本(ben)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)模(mo)型(xing)量(liang)化(hua)為(wei)資(zi)本(ben)投(tou)入(ru)，尤(you)其(qi)在(zai)先(xian)進(jin)工(gong)藝(yi)節(jie)點(dian)上(shang)，用(yong)“寸秒寸金”形容也毫不為過。

直拉法單晶矽製備虛擬仿真實驗@北京歐倍爾

筆者曾在蘇州拜訪某家製造類EDA企業時
，企業董事長闡述，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。

比如芯片工藝平台的不斷躍遷
，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製程不斷增加，但由於EDA工gong具ju成cheng為wei了le開kai發fa者zhe的de公gong共gong平ping台tai
，可ke以yi讓rang所suo有you全quan世shi界jie的de軟ruan件jian設she計ji者zhe都dou能neng用yong同tong樣yang的de語yu言yan來lai描miao述shu晶jing體ti管guan的de特te性xing。有you了le晶jing體ti管guan級ji電dian路lu仿fang真zhen工gong具ju，半ban導dao體ti器qi件jian模mo型xing（SPICE Model）以及PDK自動化開發和驗證平台
，才不至於讓芯片設計和製造端“重複造輪子”，從而實現技術累積的有序演化。

從cong母mu機ji和he大da矽gui片pian製zhi造zao體ti係xi這zhe一yi宏hong觀guan視shi角jiao來lai看kan，如ru果guo把ba機ji床chuang製zhi造zao和he單dan晶jing生sheng長chang看kan作zuo一yi片pian密mi林lin
，那na麼me穿chuan梭suo在zai密mi林lin之zhi中zhong所suo見jian的de一yi片pian不bu起qi眼yan的de樹shu葉ye都dou有you可ke能neng成cheng為wei影ying響xiang工gong藝yi良liang率lv的de“元凶”。若想既要保證母機精度、穩定性，又要縮短工藝開發時間保證製造成本可控，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軟件必不可少。

工業軟件，一場“毀滅”與“反毀滅”之戰

根據德國德國機床製造商協會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，預計我國機床行業將迎來大規模替換需求。

與此同時，集成電路設計類企業過去五年年複合增長率為28%
，而服務這些設計類企業的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製造這兩大領域所需的工業軟件
，卻長期被歐美少數幾個大廠所壟斷。前者的代表企業主要有日本發那科
、三菱、德國西門子等
，後者則主要由業界所稱的“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壁壘，讓中國高端製造業不得不花費巨資獲取軟件授權。而且在製造-設she計ji端duan融rong合he度du越yue來lai越yue高gao，軟ruan硬ying件jian數shu據ju優you化hua協xie同tong的de大da背bei景jing下xia，毫hao不bu誇kua張zhang地di講jiang，工gong業ye軟ruan件jian所suo帶dai來lai的de數shu據ju安an全quan已yi經jing成cheng為wei我wo國guo高gao端duan製zhi造zao成cheng敗bai的de關guan鍵jian。為wei了le更geng直zhi觀guan地di說shuo明ming這zhe個ge問wen題ti
，在zai此ci舉ju三san個ge例li子zi。

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、成體係的工業軟件
，那麼軟件運維，包括相應的debug工具也就無從談起。

前一段時間
，業界風傳光刻巨人ASML可定位光刻係統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，但在工業母機行業
，這是殘酷的現實——國外高檔數控係統基本都是驅控一體的全數字閉環控製係統，其中嵌入的GPS模塊確實可以實施遠程監控所銷售的數控係統，包括但不限於調試維護
、新數據更新導入等
，在極端情況下

，可以遠程中斷數控係統的運行。

例二。工業軟件對機台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機密掌控同樣不容低估。

近年來，負責集成電路製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、搬運晶圓盒的天車係統（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製造商總經理前一段時間告訴筆者
，AMHS係統需要高度的定製化服務，所需的軟件係統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數據中台掌控。可以說
，AMHS不但事關晶圓廠開工效率，還高度涉及企業月度
、年度產能核心機密。這一領域的工業軟件如果仰人鼻息，有可能會導致企業遭遇“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製造商SDI Fabsurplus總裁Stephen Howeqianyiduanshijianzaihebizheduihuashi，gankaijinxienianguansibuduan，susongchengbengaozhang。yuanyinjiuzaiyushebeishangbataotaihuozhexianzhidechanxianbianmai

，henduodaxingmingguishebeibaokuohenduoguangkeshebeijinruershoushebeishichanghou，shebeiOEM廠商以各種名義隻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zhong國guo大da陸lu是shi全quan球qiu最zui大da的de二er手shou半ban導dao體ti設she備bei進jin口kou地di

，在zai美mei國guo對dui高gao端duan半ban導dao體ti設she備bei出chu口kou不bu斷duan收shou緊jin的de情qing況kuang下xia
，二er手shou設she備bei這zhe些xie年nian成cheng為wei我wo國guo半ban導dao體ti製zhi造zao，增zeng加jia產chan能neng的de重zhong要yao工gong具ju。若ruo無wu正zheng版ban配pei套tao的de升sheng級ji維wei護hu軟ruan件jian係xi統tong
，二er手shou設she備bei很hen容rong易yi被bei強qiang製zhi報bao廢fei，不bu但dan造zao成cheng資zi源yuan配pei置zhi的de巨ju大da浪lang費fei，也ye影ying響xiang芯xin片pian製zhi造zao體ti係xi的de整zheng體ti升sheng級ji。

高端製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出口管製，高精尖工業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。

有了工業製造體係就不怕沒有工業軟件？錯誤的論斷！

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

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製造端上遊的設備、材料一同成長，坊間所雲“一代設備，一代材料，加一代軟件有一代工藝”

，但工業軟件卻有其獨特的技術邊界和生態演進特色。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並購和業務拆分整合。這種“大魚吃小魚”
，EDA+IP的戰略疊加研發實操中的knowhow積累，讓後來者“彎道超車”幾乎變得不可能。

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

中(zhong)國(guo)半(ban)導(dao)體(ti)行(xing)業(ye)協(xie)會(hui)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)分(fen)會(hui)理(li)事(shi)長(chang)魏(wei)少(shao)軍(jun)教(jiao)授(shou)在(zai)某(mou)年(nian)清(qing)華(hua)大(da)學(xue)校(xiao)友(you)論(lun)壇(tan)中(zhong)曾(zeng)指(zhi)出(chu)，中(zhong)國(guo)台(tai)灣(wan)雖(sui)然(ran)有(you)著(zhe)強(qiang)大(da)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)代(dai)工(gong)製(zhi)造(zao)力(li)，台(tai)積(ji)電(dian)一(yi)家(jia)就(jiu)占(zhan)了(le)全(quan)球(qiu)所(suo)有(you)pure foundry市占份額的約六成
，與聯電、力積電共同構成了芯片代工島內生態。但幾十年來
，中國台灣地區其實已經沒有“生產整機能力”的可能
，比如說一直未能發展出稍有規模的EDA廠商。其背後有一隻看不見的手，在主導亞太地區IC供應鏈生態角色分工。

無獨有偶，韓國在全球半導體分工體係中
，長期以來形成了以存儲、麵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。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you此ci可ke見jian，工gong業ye製zhi造zao體ti係xi的de規gui模mo
，並bing不bu一yi定ding意yi味wei著zhe工gong業ye軟ruan件jian也ye會hui隨sui著zhe硬ying件jian和he設she計ji理li念nian的de升sheng級ji換huan代dai而er協xie同tong進jin步bu，越yue來lai越yue多duo的de國guo家jia已yi經jing意yi識shi到dao，當dang今jin如ru果guo沒mei有you強qiang有you力li的de以yi國guo家jia意yi誌zhi為wei主zhu導dao的de頂ding層ceng設she計ji，以yi清qing晰xi明ming確que的de產chan業ye政zheng策ce配pei合he資zi本ben市shi場chang的de高gao力li度du扶fu持chi，幾ji乎hu不bu可ke能neng在zai工gong業ye軟ruan件jian中zhong突tu破po對dui手shou的de生sheng態tai壟long斷duan壁bi壘lei。

難中之難
，工業軟件到底難在哪裏？

如ru前qian所suo述shu，科ke協xie年nian會hui主zhu論lun壇tan十shi大da工gong程cheng難nan題ti居ju然ran就jiu有you三san個ge和he工gong業ye軟ruan件jian強qiang相xiang關guan，而er且qie各ge部bu位wei在zai列lie舉ju難nan啃ken的de硬ying骨gu頭tou時shi
，工gong業ye軟ruan件jian時shi不bu時shi會hui排pai在zai尖jian端duan集ji成cheng電dian路lu和he精jing密mi儀yi器qi之zhi前qian
，被bei稱cheng為wei“難中之王”
，原因何在

？

首先
，相關專業人才匱乏，培養周期和成本過高。

工業軟件需要長時間的研發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、驗證環節能落地的基本前提，無論是工業母機還是大矽片製造、量測均需要打通前端製造和後端測試的數據耦合，以DTCO理念構建工業母機和大矽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

，有誌於在製造類EDA多物理場仿真工具大幹一場的企業

，在人才招聘市場上往往會遭遇這樣的靈魂發問：你(ni)們(men)需(xu)要(yao)如(ru)此(ci)複(fu)雜(za)的(de)工(gong)程(cheng)基(ji)礎(chu)學(xue)科(ke)背(bei)景(jing)和(he)相(xiang)關(guan)理(li)論(lun)素(su)養(yang)的(de)人(ren)才(cai)
，但(dan)我(wo)隻(zhi)要(yao)掌(zhang)握(wo)一(yi)兩(liang)種(zhong)專(zhuan)業(ye)知(zhi)識(shi)

，比(bi)如(ru)計(ji)算(suan)機(ji)編(bian)程(cheng)

，就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)互(hu)聯(lian)網(wang)公(gong)司(si)拿(na)到(dao)一(yi)份(fen)高(gao)薪(xin)
，何(he)必(bi)要(yao)進(jin)到(dao)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)和(he)工(gong)業(ye)母(mu)機(ji)這(zhe)樣(yang)的(de)苦(ku)逼(bi)行(xing)業(ye)？這(zhe)些(xie)行(xing)業(ye)又(you)苦(ku)又(you)累(lei)，工(gong)資(zi)也(ye)不(bu)比(bi)互(hu)聯(lian)網(wang)企(qi)業(ye)高(gao)多(duo)少(shao)。

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。然而工業軟件的尷尬之處就在於，其總統市場規模往往沒看上去那麼大。

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並購的業務整合貢獻了大頭，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，其中不少一開始誌存高遠，不畏困難

，發力啃一些EDA must工具鏈條（所謂must工具鏈，即EDA從集成電路設計到製造、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問：“這幾個點工具市場都被你吃幹抹淨也不過才不到10億人民幣規模，就算讓你拿到100%市占份額。然後呢？”“然後呢”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(di)三(san)，客(ke)戶(hu)驗(yan)證(zheng)之(zhi)難(nan)。工(gong)業(ye)軟(ruan)件(jian)需(xu)要(yao)實(shi)驗(yan)室(shi)，但(dan)必(bi)須(xu)要(yao)走(zou)出(chu)實(shi)驗(yan)室(shi)接(jie)受(shou)市(shi)場(chang)閉(bi)環(huan)的(de)考(kao)驗(yan)，才(cai)能(neng)在(zai)激(ji)烈(lie)的(de)市(shi)場(chang)競(jing)爭(zheng)中(zhong)站(zhan)穩(wen)腳(jiao)跟(gen)。某(mou)一(yi)家(jia)軟(ruan)硬(ying)件(jian)集(ji)成(cheng)設(she)備(bei)商(shang)上(shang)個(ge)月(yue)告(gao)訴(su)筆(bi)者(zhe)
，為(wei)了(le)贏(ying)得(de)某(mou)大(da)型(xing)客(ke)戶(hu)的(de)驗(yan)證(zheng)資(zi)格(ge)和(he)獲(huo)取(qu)足(zu)夠(gou)多(duo)的(de)軟(ruan)件(jian)調(tiao)試(shi)一(yi)線(xian)數(shu)據(ju)，很(hen)多(duo)同(tong)行(xing)不(bu)得(de)不(bu)把(ba)姿(zi)態(tai)放(fang)得(de)很(hen)卑(bei)微(wei)
，甚(shen)至(zhi)和(he)晶(jing)圓(yuan)廠(chang)簽(qian)署(shu)免(mian)費(fei)導(dao)入(ru)合(he)同(tong)
，隻(zhi)求(qiu)賺(zhuan)取(qu)一(yi)點(dian)可(ke)憐(lian)的(de)加(jia)工(gong)費(fei)。

以晶圓前端製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fang法fa進jin行xing仿fang真zhen模mo擬ni，但dan離li子zi注zhu入ru的de工gong藝yi結jie果guo驗yan證zheng困kun難nan
，不bu能neng像xiang其qi他ta設she備bei一yi樣yang通tong過guo光guang學xue檢jian測ce查zha看kan產chan品pin質zhi量liang
，隻zhi能neng等deng到dao三san個ge月yue後hou芯xin片pian做zuo完wan測ce試shi電dian性xing能neng時shi才cai知zhi道dao注zhu入ru結jie果guo，因yin此ci初chu次ci使shi用yong未wei經jing驗yan證zheng的de設she備bei對dui於yuFab風險很大，甚至有企業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

，工業軟件不僅難在人才儲備，還難在上下遊商用生態建設，這毫無疑問都需要一個相當長期的過程。

結語 有信心打贏工業軟件關鍵戰

今年以來

，國家集成電路大基金二期動作頻頻，先後入股EDA解決方案提供商全芯智造、九同方微電、IPgongyingshangniuxinbandaotideng
，tongshi，gongyemujilongtouqiyehuazhongshukongdengshangshihoujiangzairongzi，yinruguojiazhizaoyezhuanxingshengjijijinzhantoudeng，yiweizhejubeijishuyoushihe“殺手鐧”產品的企業，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產業浪潮之下，工業軟件算法迭代的範式正在迎來重大機遇期。在AI加持下的軟件雲網運維、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軟件突破難點，至少看上去不再那麼遙不可及。集成電路前端設計所需要的EDA驗證環節，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，也為國產工業軟件“換道超車”提供了更多可能。

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