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。