近几年,美国一直在芯片领域疯狂封锁打压中国,而像华为手机产业也因此受到了很大的影响。
但是相比芯片本身,在芯片设计所必需的EDA软件领域,即电子设计自动化软件领域,中国面临的形势更加严峻,因为中国所需EDA软件更是有95%依赖进口,而这也是制约我国芯片产业发展的一个巨大的因素。
而EDA只是工业软件中的一种,如果EDA是“芯片之母”的话,那么工业软件则可以称之为“工业之母”。在整个工业软件领域,咱们面临的形势同样非常严峻,很多人都说,中国在该领域要落后国外30年,这也是制约我国从工业大国跨向工业强国的一大因素。
中国对国外工业软件的依赖性,从华为就可以看得很清楚。
在2020年5月15日,美国全面封杀华为,也标志着美国对中国发动全面科技战。
华为作为世界5g领域的领军企业,在5G方面的技术远超其他公司,这就引来了美国对华为进行打压制裁,特别是在芯片制造领域,由于美国禁止台积电等为华为手机生产相关的射频芯片,所以导致华为手机无法使用最新的5G功能,因此在市场上也遭受了很大的打击。
而芯片产业一般分设计、制造和封测三部分,美国对华为芯片产业的全面限制,不只是在芯片制造方面,还涵盖了芯片设计的上游软件、芯片制造的上游设备等,这其中芯片设计的上游指的就是EDA软件。
EDA是指利用计算机辅助设计(CAD)软件,来完成超大规模集成电路芯片的功能设计、综合、验证、物理设计等流程的设计方式。它是电子设计的基石产业,因而被誉为“芯片之母”,EDA市场则构筑了整个电子产业的根基,可以说“谁掌握了EDA,谁就有了芯片领域的主导权”。
虽然EDA软件全球市场规模只有约100亿美元,但是却直接决定了超过700亿美元的全球半导体制造市场,进而撬动5000亿美元的全球半导体市场,甚至对1.9万亿美元的全球电子信息产业都有着决定性的影响。
从某种程度上来说,在芯片领域,EDA的重要性不比光刻机低,甚至对于中国来说,还犹有过之。毕竟咱们现在已经拥有了能够制造28NM芯片的光刻机,但是EDA软件却有高达95%依赖从外国进口,其中最主要的就是美国。
像中兴通讯每年进口六七十亿美元的芯片,其中采购名单上的电子设计软件不过数百万美元,占比虽然很小,但如果没有这些电子设计软件,那么其它的芯片也就没法用了,变得跟普通硅土没什么两样。
同样的,这个问题也存在整个工业软件领域,中国工业软件在全球市场占比只有5%左右,也是绝大部分都需要进口。
相比2019年5月美国首次制裁华为,使得华为不能再使用美国的EDA,也让我们看到了EDA的重要性,在2020年8月,哈工大被禁用MathWorks公司旗下软件的新闻,让我们再次认识到,我们被卡脖子的不只是芯片,不只是EDA,而是整个工业软件产业。
或许美国MathWorks公司并不算有多知名,但是对于很多从事研究设计的人来说,该公司的MATLAB软件,可谓是如雷贯耳。
ATLAB软件同样是一款工业软件,由于拥有丰富的函数库和工具包,它在数据分析、无线通信、图像处理与计算机视觉、信号处理、量化金融与风险管理、机器人,控制系统等领域都被广泛使用。而在中国现有的工业软件中,都无法找到一款能够替代ATLAB的产品。
现实就是这么的残酷。
其实EDA也好,ATLAB也罢,不管是高中低端设计软件,我们都曾长期处于空白状态。包括在平面设计方面,美国欧特克公司的AutoCA软件就一直占据主导地位,而且该公司3DSMAX软件也长期占据咱们国内3D造型设计的主导地位。
所以如果说美国在工业软件方面全面封锁中国,那么中国的工业或许会遭受很大的打击。当然了,咱们假设的是全面封锁,一般来说,美国也不会这么做,因为它这么做了,等于是完全失去了中国市场,自身也要受到很大的损失。
那么中国的工业软件为何会全面落后国外呢?
其实我国在工业软件上的研究时间并不短,并且在80年代还迎来过一段“小阳春”。
在80年代初,中国人对于工业软件还没什么认识,不过随着咱们打开国门,引入了IBM大型计算机、VAX小型计算机和Apolo个人计算机工作站,上面附带的那些CG、CAD等工业软件,终于开始进入了我们的视野。
当时能引进这些昂贵的计算机硬件的,大多是有实力的研究所或高校,他们也就由此开始了学习开发工业软件的征程。
当然当时开发的软件,大多数是二维CAD绘图软件,能开发三维造型软件的单位可谓凤毛麟角。
而在“七五”计划到“十五”计划期间,即从1986年—2005年,国家对于国产自主工业软件也一直是有扶持的,主要负责部门是国家机械部和国家科委。
这两大部委早期重点支持的是二维CAD,也取得了一些不错的成果,相继出现了不少国产的具有一定竞争力的产品。
后来国家机械部逐渐淡出对CAD的支持,由国家科技部接手,当时随着863项目的推进,咱们在CAD领域还有另一个核心CAE领域,即“计算机辅助工程”领域都获得了不少成果,甚至一度出现了一个百花齐放的大好开局。
从2001年开始到2010年,科技部对研发设计软件的重点支持,转到了三维CAD。不过在2011年以后,因为某些原因,国产工业软件研发公司开始走所谓“市场化”道路,想通过企业应用拉动信息化建设,推动制造业信息化的普及,以及培养一批人才,但这也带来的一个间接的不良后果,就是所谓的研发投入都拿去买了国外工业软件。
而在2001-2010年,我国在三维CAD软件研发方面的总投入大概是4000万—5000万的规模,CAE则一年有一千万左右的投入。再加上2011-2015年一些间接性的促进,估计在三个五年计划之中,国家对三维CAD/CAE等核心工业软件研发的投入还不到2亿人民币。
与之相比,全球最大的CAE仿真软件公司、美国的Ansys,光是在2016年的研发投入就达到了3.5亿美元,约合20亿人民币。
也就是说美国一家软件公司的一年的研发投入,就是咱们整个工业软件产业在15年中研发投入的10倍。
这巨大的研发投入的差距,自然也是造成2015年前,我国工业软件与国外差距越来越大的原因之一。
不过,这并不是唯一的原因。
工业软件是工业化长期积累的工业知识的结晶,是工业化进程中不可缺少的伴生物,甚至就是一种工业品,并且在第三次工业革命后,成为了工业的基础。但是在中国,过去由于认识上的不足,将其等同于其它的IT软件,所以也一度都不够重视。
这是对于工业软件的误判,基于此,咱们的制造业就工业软件方面,在很长时间,同样形成了“造不如买,买不如租”的思维,因为影响到了自身工业软件的研发。
而像西门子、GE、施耐德等工业巨头一直都非常重视工业软件,也一直都在大量购买软件,但是人家的买,不是买工业软件的使用权,是直接买核心的技术。
现在世界上最大的软件公司不是微软,不是谷歌,苹果,也不是西门子,仅就代码行数而言,一直大力发展工业软件的美国最大的军火商洛克希德·马丁公司,才是世界上最大的软件公司。
再则,由于过去咱们国内对版权和专利不够重视,版权处罚成本也过低,导致盗版横行,这就导致国内公司对开发工业软件的积极性也不是很高。
而像美国、德国这样工业强国则一直以来就非常重视版权专利,所以有很多公司更重视研发,因为这个投入产出,能惠及发明人很长时间,甚至子孙后代也会享受到父祖辈发明的专利成果。
还有海外的工业发展时间远比中国长,工业软件起步也要比中国早,所以具有先发优势,在工业软件领域拥有很多的专利,这些专利进可攻,退可守。而中国工业发展时间短,工业软件起步也晚,面对国外的专利壁垒,自然面临更大的困难。
并且和芯片一样,国外工业软件都是依靠长期技术积累发展起来的,细数国际上具有一定市场竞争力的工业软件,都有几十年的历史。所以说工业软件开发道路漫长、路途艰辛,无论“弯道超车”或“换道超车”都是很难做到的。
不过自2015年后,尤其是美国对中国发动科技战后,咱们对于工业软件也是越来越重视了,相关产业的发展也开始加快了脚步。
近年来国家全面提升智能制造创新能力,而工业设计软件作为智能制造的重要基础和核心支持,具有重要的战略意义。据相关数据显示,工信部自2015年提出“中国制造2025”后,多个政策和项目支持推进智能制造落地,我国工业软件市场规模也在不断地加速扩大。据相关机构预测,至2024年,中国工业软件产品收入将达到2950亿元。
不过国内工业软件依然面临着核心技术不足、专家人才稀缺、软件业与制造业脱节等问题。这不是一个可以快速变现的行业,只有不断的研发、优化、整合以及技术累积才能打造优秀软件。
在3月11日,工人日报就发表了《加快自主研发应用,让工业软件不再“卡脖子”》,文章明确指出,我国工业软件仍处于起步阶段,国产化率较低,其中研发设计类工业软件国产化率最低,国内厂商市场份额仅5%左右。而且多数研发设计类工业软件仅应用于工业机理简单、系统功能单一、行业复杂度低的领域。这些工业软件成为国际竞争中“卡脖子”的问题所在,凸显了国内工业软件存在的短板,因而发展任重道远。
同样在3月11日,人民资讯则发表了标题为《破解科技“卡脖子” 要打好三张牌》的文章,可谓振聋发聩。所谓的“三张牌”,一是要打好“基础牌”,提升基础创新能力;二是要打好“应用牌”,加强对高精尖国货的应用;三是要打好“人才牌”,让人才留得住、用得上、有发展。
可喜的是,不管是“基础”,还是“应用”,或者“人才”,这几年都在发生巨大的进步。
在去年11月4日结束的EDA领域国际会议ICCAD 2021上,华中科技大学计算机学院吕志鹏教授团队就获得了CAD Contest布局布线算法竞赛的第一名,夺得了全球冠军。
ICCAD会议始于1980年,是EDA领域历史最悠久的顶级学术会议之一,其中CAD Contest算法竞赛作为会议的标志性事件,长期以来备受国际学术界与工业界的关注。
本届CAD Contest算法竞赛共有来自12个国家或地区的137支队伍参与,包括众多国内外知名高校与研究机构,如加州大学伯克利分校、东京大学、台湾大学、香港中文大学等。
而本届竞赛的布局布线问题作为EDA芯片后端物理设计中最重要的环节,直接影响芯片的功耗、面积、时延等各项性能指标。
吕志鹏教授团队所设计的启发式优化算法,在冗余导线检测、布线环路消除、并行化邻域评估加速、布局调整最优移动区域识别等多项关键技术上实现了突破。
根据ICCAD 2021会议公布的竞赛结果,该团队所设计的算法在所有测试算例上均达到了竞赛中的最优结果,因此最终获得了当之无愧的第一名。
而这支实力雄厚的参赛团队还非常年轻,包括苏宙行博士、研究生罗灿辉、梁镜湖和谢振轩,平均年龄只有24岁,其中,谢振轩、梁镜湖均生于1999年,罗灿辉生于1998年。
导师吕志鹏一直主攻算法研究,2018年,他带领实验室里一群计算机专业出身、毫无任何芯片背景的热心“门外汉”,跳进了芯片主战场。
不过在这个年轻团队的背后,是实验室团队40多年的积累。
吕志鹏介绍说,从实验室创始人黄文奇教授开始,就格外注重对学生在精神和专业上的引导,从成立至今,实验室多次获得国际算法竞赛全球前三名。
吕志鹏还表示:“我们深知,要想把科研成果写在祖国大地上,绝不能停留在学术研究的表面,一定要结合实际应用并落地。我们希望借助研究所数十年的积累与传承,一方面赋能中国企业解决EDA卡脖子问题,另一方面为国家培养更多掌握核心技术的人才。”
而除了打好“基础牌”、“应用牌”和“人才牌”,我国工业软件面临的是工业体系的系统性挑战,所以在目前形势下,如何抓住智能化工业软件新赛道机遇成为了突破的关键。
正如《2021中国工业软件发展白皮书》所指出,国家政策、云技术应用与国产替代需求成构成当前我国工业软件发展的三大驱动力。工业互联网带动互通需求进一步加强,产业链上下游之间对于数据同步、无缝对接有着更高要求。
因此随着5G、云计算、计算机存储能力提升,云化或许会成为跨环节部门协同以及渗透中小企业的趋势,同时也是国内工业软件的破局机会。
当然了,不管是旧赛道还是新赛道,我们都需要脚踏实地。我们也相信,在政府的扶持下,在企业的努力下,坚定不移地长期潜心研发,通过商业化运营,在市场哺育下发展,咱们的工业软件产业一定会成长壮大起来,进而不断推进我们工业的发展,让我国成为真正的工业强国。
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