潘攻愚：有了工業製造體系就不怕沒有工業軟件？恐怕沒那麼樂觀-心智觀察所、潘攻愚

【文/觀察者網專欄作者 潘攻愚】

前不久在第二十六屆中國科協年會主論壇上，中國科協發佈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. 大尺寸半導體硅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，包括歷年全國兩會的代表提案，幾乎只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註。

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、研各界高度共識的背景之下，為何這些難題多年來依然常講常新？觀察者網科技板塊之前也曾發表多篇深度文章談及這一議題，指出工業軟件往往在實現“0”到“1”突破後依然會面臨諸多障礙。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。大尺寸半導體硅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體系息息相關。

高端數控機牀的檢測系統負責將機牀運動部件的實際位移量隨時檢測出來，與給定的指令信號進行比較，從而控制驅動元件正確運轉，實現閉環控制；而數控系統是數控機牀的核心，是實現機牀精確加工功能的關鍵。高端數控機牀需要一整套多通道、全數字總線，還包含豐富的插補及運動控制功能、智能化的編程和遠程維護診斷。而且，數字控制（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着CAE/CAD工具以及相關IP鏈條的不斷完善和發展。

數控系統

再看第二個難題，大尺寸半導體硅單晶的品質管控。僅單晶棒的生長過程就包括了融化、穩温、種籽晶、放肩、生長、收尾、冷卻等一系列複雜工序。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。

隨着當下半導體制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，硅片廠和晶圓廠面臨着開工率、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”，剔除掉芯片製造環節的重複物理性實驗冗餘，是加快芯片上市時間和設計技術協同優化的關鍵抓手。全球大型硅片廠和晶圓廠內的設備一旦熱啓動，時間成本可以通過計算模型量化為資本投入，尤其在先進工藝節點上，用“寸秒寸金”形容也毫不為過。

直拉法單晶硅製備虛擬仿真實驗@北京歐倍爾

筆者曾在蘇州拜訪某家制造類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着工藝製程不斷增加，但由於EDA工具成為了開發者的公共平台，可以讓所有全世界的軟件設計者都能用同樣的語言來描述晶體管的特性。有了晶體管級電路仿真工具，半導體器件模型（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。

從母機和大硅片製造體系這一宏觀視角來看，如果把機牀製造和單晶生長看作一片密林，那麼穿梭在密林之中所見的一片不起眼的樹葉都有可能成為影響工藝良率的“元兇”。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

根據德國德國機牀製造商協會VDW數據，2022年全球機牀產值803億歐元，中國大陸機牀產值全球佔比32%，我國機牀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牀主要的出口地。

隨着10年更換週期的到來，預計我國機牀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，我國在高端數控機牀、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-設計端融合度越來越高，軟硬件數據優化協同的大背景下，毫不誇張地講，工業軟件所帶來的數據安全已經成為我國高端製造成敗的關鍵。為了更直觀地説明這個問題，在此舉三個例子。

例一。根據數控機牀工作原理，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、成體系的工業軟件，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可定位光刻系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——國外高檔數控系統基本都是驅控一體的全數字閉環控制系統，其中嵌入的GPS模塊確實可以實施遠程監控所銷售的數控系統，包括但不限於調試維護、新數據更新導入等，在極端情況下，可以遠程中斷數控系統的運行。

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、搬運晶圓盒的天車系統（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，二者市佔率高達90%。

某蘇州AMHS製造商總經理前一段時間告訴筆者，AMHS系統需要高度的定製化服務，所需的軟件系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。可以説，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 Howe前一段時間在和筆者對話時，感慨近些年官司不斷，訴訟成本高漲。原因就在於設備商把淘汰或者閒置的產線變賣，很多大型名貴設備包括很多光刻設備進入二手設備市場後，設備OEM廠商以各種名義只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。

中國大陸是全球最大的二手半導體設備進口地，在美國對高端半導體設備出口不斷收緊的情況下，二手設備這些年成為我國半導體制造，增加產能的重要工具。若無正版配套的升級維護軟件系統，二手設備很容易被強制報廢，不但造成資源配置的巨大浪費，也影響芯片製造體系的整體升級。

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出口管制，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。

有了工業製造體系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系，不怕沒有配套的工業軟件。”

誠然，軟件所需的數據投餵、加密分析和算法的迭代往往伴隨同樣處在製造端上游的設備、材料一同成長，坊間所云“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着密集的收購併購和業務拆分整合。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多年來併購了大大小小的各類EDA+IP公司@anysilicon

中國半導體行業協會集成電路設計分會理事長魏少軍教授在某年清華大學校友論壇中曾指出，中國台灣雖然有着強大的半導體代工製造力，台積電一家就佔了全球所有pure foundry市佔份額的約六成，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，比如説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系中，長期以來形成了以存儲、面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。

由此可見，工業製造體系的規模，並不一定意味着工業軟件也會隨着硬件和設計理念的升級換代而協同進步，越來越多的國家已經意識到，當今如果沒有強有力的以國家意志為主導的頂層設計，以清晰明確的產業政策配合資本市場的高力度扶持，幾乎不可能在工業軟件中突破對手的生態壟斷壁壘。

難中之難，工業軟件到底難在哪裏？

如前所述，科協年會主論壇十大工程難題居然就有三個和工業軟件強相關，而且各部位在列舉難啃的硬骨頭時，工業軟件時不時會排在尖端集成電路和精密儀器之前，被稱為“難中之王”，原因何在？

首先，相關專業人才匱乏，培養週期和成本過高。

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硅片製造、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硅片的全生命週期視野，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，有志於在製造類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：你們需要如此複雜的工程基礎學科背景和相關理論素養的人才，但我只要掌握一兩種專業知識，比如計算機編程，就可以在互聯網公司拿到一份高薪，何必要進到集成電路和工業母機這樣的苦逼行業？這些行業又苦又累，工資也不比互聯網企業高多少。

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併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，其中不少一開始志存高遠，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多箇中的一兩個，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%市佔份額。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市佔率和2020-2024增長率分析@Trendforce

第三，客户驗證之難。工業軟件需要實驗室，但必須要走出實驗室接受市場閉環的考驗，才能在激烈的市場競爭中站穩腳跟。某一家軟硬件集成設備商上個月告訴筆者，為了贏得某大型客户的驗證資格和獲取足夠多的軟件調試一線數據，很多同行不得不把姿態放得很卑微，甚至和晶圓廠簽署免費導入合同，只求賺取一點可憐的加工費。

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）方法進行仿真模擬，但離子注入的工藝結果驗證困難，不能像其他設備一樣通過光學檢測查看產品質量，只能等到三個月後芯片做完測試電性能時才知道注入結果，因此初次使用未經驗證的設備對於Fab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户驗證。

綜上所述，工業軟件不僅難在人才儲備，還難在上下游商用生態建設，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、IP供應商牛芯半導體等，同時，工業母機龍頭企業華中數控等上市後將再融資，引入國家制造業轉型升級基金戰投等，意味着具備技術優勢和“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，往往佔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。

可以説，有國家意志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，向着更高層面上的征途前進。

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