国产工业软件替代之困

杜玮

一颗只有指甲大小的芯片，可能集成了上百亿个仅凭肉眼无法看到的晶体管。编织“0”和“1”的逻辑变幻，使之拥有丰富功能的功臣显然不是人工，而是芯片的电子设计自动化工具EDA;一架民航客机，在获得美国联邦航空管理局适航证前，必须要有一款特定计算机仿真工程设计软件CAE的加持，而飞行器的设计则离不开一款辅助设计软件CAD。

这些应用于工业生产实际中，包含着数学、物理、计算机、工程学等多学科知识和技术的软件，称为工业软件。2019年5月，美国对华为的制裁手段之一，就是断供芯片设计的EDA工具;2020年6月，哈工大、哈工程大学等多个科研机构和公司，被美国列入实体清单，随后两校师生无法通过学校账号登入海外用于建模求解、仿真分析的软件MATLAB;今年3月，研发、生产无人机的深圳大疆公司因位列美国制裁名单中，被告知禁用美国用户界面设计软件Figma。

根據工信部指导发布的《中国工业软件白皮书（2020）》，2019 年，全球工业软件市场规模达 4107 亿美元，而国产工业软件仅占全球市场的6%。在国产工业软件的细分门类中，生产控制、经营管理、运维服务类软件占国内市场份额分别为五成、七成和三成，而像EDA、CAD、CAE这样研发设计类的国产软件占比只有5%。也就是说，这一领域的国产工业软件进口依赖度高，极易被“卡脖子”，亟须国产替代。

按照中国制造2025重点领域技术创新的路线图，到2025年，国产工业软件绝大部分核心技术要取得突破，自主工业软件市场占有率要超过50%。但当下及未来，国产工业软件的替代之路依然将面临市场、人才等诸多挑战。

谢仲辉是芯华章科技公司首席市场战略官。芯华章是国内一家成立于2020年3月的EDA初创公司，汇聚了300余名来自新思、楷登电子等知名集成电路企业的从业人员。新思、楷登电子，连同2016年被西门子收入旗下的明导国际， 被誉为全球EDA市场的三大巨头。三巨头市场份额占全球的60%以上，在国内市场占90%以上。国产EDA的龙头企业是华大九天，成立于2009年，占国内市场份额6%。

谢仲辉曾见证过上世纪90年代台积电初创期的辉煌。大学毕业后，他先后在新思、楷登电子等公司任职近20年，担任过新思中国副总经理，参与过国内半导体项目“909工程”，还曾在国内半导体制造商华虹公司工作过。他介绍说，早期集成电路发展过程中，以模拟电路为主。芯片设计时，多采取手工画版图的形式，类似画工程施工图，随着数字电路出现，芯片设计讲求自动化。新思成立于1986年，在他印象中，1990年代，新思刚刚开发出芯片设计自动化的综合工具，可以将包含功能的代码转换为与或非门逻辑器件的网表。

EDA被称为芯片之母，全球市场规模仅为100亿美元，却能孕育5000亿美元的半导体产业。设计一座“微雕宫殿”是一个复杂的过程，EDA工具的使用要贯穿始终。除了设计，制造、封装也会用到EDA。设计流程大体分为前端和后端，前端就是满足芯片所需功能，写代码，设计算法，再通过逻辑仿真、形式验证、原型验证等一系列工具做验证，确保算法正确;后端则是将代码转换为工艺网表后，再布局布线，形成版图。后端设计要与不同晶圆制造厂的工艺相匹配。购买一套含主要功能的三巨头EDA工具花费至少要几百万元人民币。

上海菲戈恩微电子公司的主要业务以设计指纹芯片为主，胡兵是该公司高级数字芯片设计工程师。他对《中国新闻周刊》解释说，国外三巨头的EDA工具之所以能横行天下，关键在于其能提供从前端到后端全链条的工具，而且，三家的产品分别在某些环节的点工具具有绝对优势。胡兵以自身经历举例说，前端设计时，他更多选用新思的工具，后端用楷登电子的产品。布局布线完成，做物理验证时，业界90%会选择明导国际的软件。

相比之下，国内的EDA公司大多只能提供某一环节的点工具或者局部的工具。以华大九天为例，产品覆盖模拟电路设计的全流程 EDA 工具系统，但在数字电路设计领域，产品线并不完整。其他一些同类公司如鸿芯微纳、芯行纪研发后端工具，芯华章则主要聚焦数字电路前端验证，迄今为止，推出4款验证产品和一个验证平台，但后端设计需要其他公司的产品支持。

三巨头能实现设计一条龙的一大秘诀在于并购。“过去三十四年里，三巨头通过不断并购，形成了一个明显的寡头市场。”谢仲辉说。据统计，自成立以来，新思直接参与的并购达近百次，楷登电子并购70多次，明导国际近50次。如果再把间接并购算在内，三巨头所涉的总并购次数在300次左右。整个行业内的技术与专利不断向三家巨头聚拢，形成了强大的壁垒。

芯片设计师们青睐三巨头的另一个原因还与PDK有关。PDK是芯片设计时，晶圆厂提供给设计公司的工艺套件。这里面提供了有关芯片物理性能和电性能的一系列规则和参数，以及最底层的逻辑单元。简单说，这就相当于盖房子时的建筑规范和最基本的砖头。

PDK在后端设计时会用到，而实际上，PDK是EDA公司和台积电、三星等芯片制造商的合作产物。三巨头和芯片代工厂的关系密切。晶圆公司确定了PDK的参数，EDA公司也获得了最新的工艺参数，从而得以不断精进自身工具，确保精度，以达到满足最新工艺的设计要求。现实使用中，芯片设计公司会给予反馈和建议，EDA厂家会不断迭代软件。EDA厂家、晶圆制造厂、芯片设计公司形成稳定的三角关系。而且，三巨头还开发了丰富的IP，即设计成型的一些大型模块，便于芯片设计时直接调用。新思的营收构成中，有近1/3来源于此。

实际上，自EDA公司创立，其与半导体制造商间就有着某种“共生”关系。“EDA工具从诞生之初，就有用户给EDA公司投资，软件不断更迭，和用户一起成长。”一位在半导体行业有着数十年从业经验、曾在多家顶尖芯片公司担任高管的资深业内人士说，比如，英特尔公司有20亿美元的芯片制造项目，其中给予EDA公司的研发费用就能达到1亿美元。楷登电子建立之初，设立了独特的投资模式，把入股机会留给通用电气、爱立信、IBM等半导体生产商，将自己与下游客户牢牢捆绑在一起，实现“工业反哺”。更早期，集成电路的设计队伍本身就集中在强大的半导体公司，从设计到制造、封装都由半导体制造商自给自足。

工业软件诞生于工业，这是国外工业软件发展的一大特色，一个更明显的例子是CAD软件，这是工程、机械制造、航空等领域设计的必备工具。1964年，IBM公司推出一款光笔交互图形终端后，美国飞机制造商洛克希德等在此基础上研发出各自的二维绘图系统。1970年代，法国著名的达索飞机公司设计幻影战斗机过程中，开发出了此后在航空工业领域广泛应用的三维CATIA软件。此后，达索公司又将洛克希德研发的系统收入囊中。1985年，波音公司也决定采用清一色的CATIA软件，欧洲空客公司也是CATIA的重要客户。在四大航空制造公司加持下，CATIA得到丰厚的滋养。1998年，达索还推出一款全新的CATIA系统。中国某机型开发团队，使用当年就提出500多条问题或建议，大大提升了系统的应用成熟度。

梅敬成1990年从法国国立工艺学院机械工程专业博士毕业，从事CAD研发20余年，2011年加盟国内自主研发三维CAD的三家企业之一山大华天，担任首席技术官。他对《中国新闻周刊》介绍说，以其公司如今研发的三维CAD产品来讲，基本功能的实现上能和国外产品对标，但一些复杂功能，比如倒圆角、复杂曲面、抽壳、自由曲线等的绘制上还有差距，使用稳定性和计算效率上还需加强。而国外软件之所以表现更优异，得益于核心技术更成熟，以及在几十年的实际运用中的不断优化。

国外软件替代难度还与长期以来已相对固化的用户习惯有关。“国外的软件很成熟，我们先入为主，确实熟悉他们的流程和界面、脚本。”胡兵说。去年，他曾接到一个月设计两款芯片的紧急任务，面对国内某EDA厂家送来的评估版软件，他还是选择了三巨头的工具。“万一国内厂家工具有什么问题，或者我自己操作不熟练，导致错误出现，芯片就会毁掉，产品交付和市场占有率会受到影响，有风险的因素存在”。

梅敬成说，改用国内软件，还涉及将原有软件积累的大量数据转换到新软件，要考虑格式能不能兼容，“而且，用户不光关注的是结果转换，还有能否对建模过程进行编辑，国内基本没有公司能做得到”。再者，国内公司研发的工具相当于国外十几年前产品的水平，用户用惯了高水平的工具，为什么会去选择十几年前的产品？

其实，国内对于工业软件的研发并非没有努力过。1988年，在这之前两年已成立的北京集成电路设计中心，汇聚了来自国内高等院校、研究所、中科院和有关企业等17个单位的120人，并且聘请了华裔专家领衔，集体攻关一个名为“熊猫系统”的系统开发专项。当时，正值西方国家组建的巴黎统筹委员会（“巴统”）对中国实施EDA软件进口封锁。“熊猫系统”正是此后华大九天系列工具軟件的雏形。

谢仲辉说，当时，“熊猫系统”功能偏向模拟电路的设计，虽然有电路仿真的模块，但整体而言并不是那么自动化。2002年前后，在谢仲辉任职华虹期间，国内芯片行业依然以开发模拟芯片、数模混合芯片为主。市场规模和需求有限，这是国产EDA工具难以很好发展的重要原因。虽然当时国家支持集成电路发展，但更多支持的也只是制造环节，对于工业软件的重视程度不够。在前述芯片领域资深人士看来，当初“熊猫系统”的开发，也更多是模仿、学习，对于底层的技术架构、物理参数，相关科研人员并不了解。

高曙明是浙江大学计算机学院博士生导师，研究CAD已近四十年。他对《中国新闻周刊》说，以CAD为例，国内工业软件的发展先天不足，后天努力也不够。与发达国家相比，20世纪七八十年代，国内的科技水平、工业水平都与西方有较大差距，而工业软件与国家的工业水平密切相关，因此，当时，国产工业软件的发展需求本身就弱。工业软件的开发又需要数学、物理、力学、计算机等领域的复合型高端人才，这方面人才也欠缺。

1980年代中期，国内各院校与研究机构开发的CAD系统已经多达2000多套，以二维CAD软件为主。在1991年～1995年的“八五”期间，国家还启动“CAD应用工程”。时任国家科委主任提出“甩掉绘图板”的号召。“八五”期间，累计投入CAD技术的资金近8亿元，国产CAD软件产值近1亿元。

在高曙明看来，“七五”“八五”期间，国家对CAD研发有了较多投入，使国内有了一定技术储备，但关键在于参与的主体是高校和科研机构，这使得国产CAD的产业化面临困难。高校面向前沿研究和企业注重产品实用性的目标不同。高校也不能依靠学生来做实用性软件，这还关系到科研项目能否持续性投入。总体而言，由于工业软件研发周期长、初期难以盈利，诸多脱形于高校的国产CAD企业，如山大华天、从北航起家的数码大方等都一度生存困难。

2000年后，国家开始推动三维CAD软件的发展。但梅敬成发现，当时国内只有少数高校在做三维CAD的研发，面向市场化的三维软件很少，市面上几乎是清一色国外软件。梅敬成说，出于生存考量，很多国内CAD厂商会基于国外软件做二次开发或关注国外厂商未涉及的细分领域，而没有面向通用市场的基础产品。

国产CAE软件几乎同样走上了一条宇宙的尽头是高校科研院所成果的路线。这一软件的作用是在CAD设计完成后，对方案进行仿真验证和优化。

刘韶鹏是云庐科技的首席信息官，云庐科技融合了CAE工具，并将之运用于基建建设和运维监测。刘韶鹏的博士生导师、中科院数学所研究员梁国平，曾在1989年开发了一款CAE软件，之后又成立了北京飞箭软件公司。2004年，刘韶鹏与导师共同研发完成世界上首个并行CAE自动生成平台。刘韶鹏说，过去几十年，国内CAE行业星火闪现后，又慢慢消失。他导师的公司依然还能存活，一个重要原因是其生意并非完全依仗工业界，很多客户是来自于高校与院所的科研人员。

2020年12月11日，广东广州市，第一届全国技能大赛的CAD机械设计现场。图/视觉中国

2019年6月14日，一款国产CAE软件产品LiToSimV1.0在重庆正式上线。工作人员在软件展示区进行展示。摄影/本刊记者 陈超

2011年，刘韶鹏和朋友创立了一家名为紫荆华风的CAE公司，完成了面向垂直行业的几款CAE软件，但终因市场需求小，且国外软件占优，转向了如今的基建监测领域。他认为，时至今日，国内CAE软件的应用需求尚未打开。诸如机械、汽车制造等工业领域，CAE的使用并不受重视。一些企业招聘了良莠不齐的CAE人才，对CAE的使用并非在方案设计、优化阶段，而是在设计完成后，做一些无关紧要的验证。当CAE 部门的人员给定的参数有误，造成仿真结果与实际不符，CAE的功能又会进一步被怀疑，形成一种恶性循环。

对工业软件而言，拥有丰沃的土壤和完善的市场生态，进而才能吸引更多人才，反之，会造成人才流失。在高曙明的记忆中，从2000年以后，他的学生就更多去到通讯行业、互联网企业就业，到今天依然如此。刘韶鹏说，国外设置有电子工程专业，培养CAE的从业人员，所学内容涉及数学、力学、工程方面的知识。在国内，少有这样的专业设置。

很多时候，工业软件的“终极大招”是求解一个个复杂的方程组。像这样寻求最优解的工具，叫做求解器，被誉为“工业软件之魂”，这同样也是一个“卡脖子”的领域。

杉数科技是一家由四位斯坦福大学博士创立的国产优化求解器研发公司，2016年成立，填补了国家在商用求解器领域的空白。公司联合创始人兼首席科学家葛冬冬对《中国新闻周刊》说，以其研发软件用到的核心学科运筹学为例，在工业软件结合的方面，国内这一类人才稀缺，培养是浅层次的，教授学生的知识仍局限在一些传统方法上，前沿研究不够。由于与工业界连接不紧密，师生理论结合实际的能力与国外相比有差距，“很多算法老师也不清楚，更无法教学生”。

当1994年“巴统”解散，国外EDA软件涌入国内，对于尚属稚嫩的国产EDA软件造成重大冲击。当时，业内开始盛行“造不如买”的观点。1994年与1995年，楷登电子、新思先后在北京设立了办事处，在此之前，国内包括清华、复旦在内的科研院所都已购买了新思的产品和技术。就连研发熊猫系统的北京集成电路设计中心也利用“八五”科研经费，率先引入了新思的一款硬件仿真器，成为该产品在亚洲地区的首位用户。

当时，国外厂家为迅速占据中国市场，还会以低价和免费形式提供软件及配套服务，开展企业员工培训，甚至在大学建立了外商EDA工具支撑的开放平台，从学生入学就开始培养使用外商软件的未来工程师。梅敬成说，当外商软件大举进入国内市场后，很多国内名校的毕业生，从市场占有率小的国产软件厂转投外商厂，成为其销售和技术精英，又进一步制约了国产自主软件的发展。

从1994年一直到2008年“核高基”重大科技专项实施前，中国的EDA产业发展陷入了长达十五年的沉寂。而在2000年后的10年间，中国对于三维CAD软件研发方面的总投入规模大概是4000万～5000万元。北京联讯动力咨询公司总经理、长期跟踪全球先进制造的林雪萍去年出版了《工业软件简史》一书。他在书中提到，2010年后的“十二五”期间，国内开始走信息化与工业化的两化融合道路，研发设计软件的工作由科技部转为工信部负责。由于工信部并不对属于基础科研的工业软件研发进行补助，国家对三维CAD软件研发的投入越来越少。与此同时，随着两化融合工作深入，大量两化融合资金，被用于购买国外工业软件。截至2015年前的三个五年规划中，国家对三维CAD/CAE等核心工业软件研发的投入不足2亿人民币资金。

相比之下，源自美国的全球最大CAE软件公司Ansys，2016年研发的投入为3.5亿美元，约为20亿元人民币。而国家战略层面，早在2009年，美国就在其“竞争力委员会”白皮书中，将建模、模拟和分析的高性能计算，视为维系美国制造业竞争力战略的王牌。2018年10月5日，美国国家科学与技术委员会发布《美国先进制造领先战略》，提出要保持电子设计和制造的主导领先地位，优先考投资建立半导体制造厂和相关的设计工具。

在历经了数次“卡脖子”事件后，国家对于工业软件的发展愈加重视。2020年，国家发布的新时期促进集成电路和软件产业高质量发展的若干政策中，将集成电路列为一级学科，并在财税政策、投融资政策、研究开发政策等八大方面为 EDA 行业开绿灯。去年12月工信部发布的《“十四五”软件和信息技术服务业发展规划》中提到，要重点突破工业软件，研发推广计算机辅助设计、仿真、计算等工具软件。

资本随之升温。2021年3月，被誉为“国产CAD第一股”的中望软件登陆科创板，股价一度上升至665.96元/股，总市值一度突破400亿元。EDA市场的角逐显得更为疯狂。去年9月，华大九天通过证监会的审议，获得首发通过，成为中国EDA第一股，眼下正在筹备股票发行。2021年，包括华大九天在内，国内共有4家EDA公司同时发起IPO，拟募资约57亿元。

在前述芯片领域资深人士看来，未来EDA领域能够实现国产替代的公司，其创始人和技术团队多会来自三巨头，他们了解EDA开发的全流程，知道“坑”在哪，能够用较短时间，开发出安全自主可控的产品。而更多公司并不具备相应能力，只是为了谋求上市圈钱。公司未来估值一定会掉下来，最终死掉，或者挂羊头卖狗肉，融到钱后，去做其他产品，实现所谓转型。

谢仲辉说，目前，芯华章在不断完善验证的工具，力争到2023年、2024年形成覆盖EDA前端所有工具的完整平台。在他看来，国外三巨头并购过程中，很多时候纳入软件的数据是分散的、碎片化的，工具间连通性不够好，只能通过打补丁的方式，将其接合起来。作为龙头，其创新的动力也是有限的。这恰恰是国内EDA企业的机会。

高曙明分析说，如果发展方法对路，国产CAD要想达到现在国外的高端水平，至少还需要10年，在这过程中，要建立产、学、研、用、资的有效系统和生态。在《中国工业软件白皮书（2020）》中提到，要建设国家级产学研用联合攻关平台，由政府主导，建立工业软件关键技术攻关平台，选择相关高校科研院所为主体，协调研发设计类工业软件企业参与，突破工业软件关键技术。近两年，国内还成立了由企业、高校等参与的数字化工业软件联盟，推动工业软件发展。

刘韶鹏认为，国内软件厂商首先要正视和国外软件的差距，工业软件开发，除了国家扶持，更重要的是制造业企业的支持。“运用软件本是一个企业行为，要给国内厂商一些空间，提供试用机会，否则，国产软件一点生机都没有，到头来还是会卡制造业自己的脖子。”但他也强调，國家的支持是有限的，只有软件商自己造血，才能形成良性循环。梅敬成也说，现在国内一些公司的产品性能已经达到或超越了进口软件，但未来更大的挑战在于，如何让众多中小企业开始使用国产软件。

前述芯片领域资深人士则分析说，走国产替代的道路，一方面要创新，一方面也要务实。“从种麦子开始，等着粮食是不靠谱的”，如果没有基础，从头开始做EDA国产替代，二十年都不一定能完成。“不能为了自主而自主，安全自主可控就可以，关键是要满足市场的需求”。

谢仲辉说，工业软件的发展与市场、资本、政策、人才息息相关，彼此间相互影响。相比十年二十年前，国内现在已经有了相对完善的市场和政策支持，但企业不能只满足于实现国产替代，打磨好一定能力后，还是要放眼全球，以开放的态度积极参与全球竞争。

（本文参考《工业软件简史》，实习生余皓晴亦有贡献）