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“卡脖子”的国产工业软件,现状如何?路又在何方?

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导读:2019年,华为开始被美国列入“实体清单”后,就被美国禁止使用包括ANSYS在内的各类工业软件和EDA软件。2020年,哈工大被列入清单,禁用MATLAB。这些新闻让“工业软件”一词进入了大众和投资人们的视野,“工业软件是工业皇冠上的明珠”、核心工业软件被美国“卡脖子”之类的说法也越来越多见于新闻报道中。

一、“卡脖子”的工业软件

2018年,央媒《科技日报》发表系列文章,列出了制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术。最近一位视频up主 科工洞洞拐 总结这张卡脖子清单,调研发现其中24项技术已经突破。而在列表中,“核心工业软件”还属于勉强能国产的橙色状态,“航空设计软件”更是完全离不开进口的红色状态。
根据2020年发布的《中国工业软件产业白 皮 书》,CAD、CAE、EDA等研发设计类工业软件,国产化率仅为约5%。从普通学生、工程师的亲身体验来说,大多数公司和课题组的机械设计工作仍然离不开SolidWorks、CATIA、Creo等国外三维设计软件;仿真课题离不开ANSYS、达索系统、Altair、Comsol等外国公司的仿真软件。

(直接来源:甲子光年-中国工业软件市场研究报告;数据引用自2020《中国工业软件产业白 皮 书》)

二、制裁与扶持

关于工业软件的话题,近几年已有许多讨论。和许多其他“卡脖子”技术领域类似,在工业软件行业,发达国家的倾销才是真正的制裁而如今发达国家的制裁,其实是对中国这一行业最大的扶持。
中国工业软件行业几乎与世界同时起步。冯康先生1965年在解决三峡大坝的建设问题时,独立于西方提出了有限元法的思想;大连理工大学、中航工业飞机强度研究所等单位,更是早在上世纪70年代就推出了JIFEX、HAJIF等结构分析软件。中国过去在工业软件方面一直没能发展起来,并非由于美国对我们的技术封锁。恰恰相反,在改革开放后的很长一段时间里,以美国为首的发达国家并未在工业软件方面对中国作过多的限制。无论是广大学生“免费”学习使用,还是各类制造业企业购买国外工业软件的授权,发达国家基本都不设门槛。
对于工业软件来说,它的用户群体远不如Office广泛,使用难度也要高得多,用户掌握一款软件后就更不容易迁移到其他软件上去。国外先进的工业软件在其本土与先进工业企业合作完成研发后,销售到海外市场的边际成本几乎为零,再加上一段时期内我国“造不如买”的观念、优先突破下游产值更高的产品的战略等等因素叠加,在本世纪最初十几年,自主工业软件公司一直是在阴影中艰难生存。曾有统计显示,ANSYS公司2016年的研发投入强度约为20亿人民币,相当于本世纪初三个五年计划对CAD/CAE等核心工业软件总投入的十倍。位于产业链上游的研发设计类工业软件,并没有分享到中国的制造业由弱到强,成为制造大国的红利。
2023年11月12日,一代计算力学泰斗、大连理工大学钟万勰院士逝世。笔者清晰记得,2016年,在纪念钱令希先生诞辰100周年的活动中,钟院士作了《钱令希先生的治学之道》讲座。在讲座上,钟院士讲起在上世纪末,某国外高端工业软件模块对中国禁运,影响国家重大工程项目的实施。大连理工大学组织许多教授放下手上的研究工作,专注攻克该功能。当中国在这方面的技术有所突破、登上报纸的第二天,发达国家就解除了这一软件模块对中国的禁运。后来相关单位在对比后,选择了国外的软件。这个故事就是那个年代中国工业软件研发者的鲜明写照。
钟万勰先生与钱令希先生(图源:大连理工大学)
在讲座结束后,笔者有幸向钟院士提问为什么中国的CAE软件没能顺利发展起来。钟院士扶着桌子站起身,坚定地说:“我们的软件和他们有的一拼!我们中国的科学家是勤奋的、有智慧的,是力争上游的。”“人必自重而后人重之”,钟万勰院士一生在为中国的计算力学软件事业奔走,也为中国工业软件行业培养了大量杰出人才。
《钱令希先生的治学之道》讲座
幸运的是,在美国对中国实行技术制裁的背景下,今天有越来越多的工程师们继承了前辈的衣钵。美国的制裁引起了国内对工业软件领域的广泛关注,在资本的支持、政府和相关下游用户的关照下,大量自主工业软件公司得以快速成长。在国家“十四五”规划中,明确强调了要针对关键基础软件补短板,“研发推广计算机辅助设计、仿真、计算等工具软件,大力发展关键工业控制软件,加快高附加值的运营维护和经营管理软件产业化部署。”

各省份工业软件政策汇总

三、工业软件自主化的真正目的

其实,工业软件的“卡脖子”问题,和其他高端装备的卡脖子不太一样。像光刻机这样的芯片加工设备,美国禁运我们就是买不到。美国不允许台积电为华为代工,我们就是无法生产。但对于CAD\CAE这些研发设计类工业软件来说,除非美国与中国完全脱钩,不给任何人发放ANSYS等软件的安装包,否则在很多通用仿真软件上是做不到真正限制中国的。即使是被“禁用”MATLAB的哈工大,同学们也只是需要在发表论文的时候改用其他开源软件,或带上其他单位的作者即可。更何况,如OpenRadioss、OpenFOAM、Code_Aster等优秀的工业级开源CAE\CFD软件也有很多。在大多数通用的研发设计类工业软件功能上,美国的制裁并不会让我们完全无法获取到相关软件和功能。我们要发展自主工业软件,不仅仅是为了解决卡脖子问题。真正的核心问题是:工业软件是一个国家科技“软实力”的积累和体现。
无论是CAD、CAE软件,还是流程管理类工业软件,都是与下游工业企业相伴而生,共同成长的。用户单位对工业软件的深度应用,积累的经验内化为企业的研发能力,完成的算例变成软件的验证案例,与上下游供应商共同使用的文件格式形成一款软件的生态。当企业面临当前工业软件无法解决的新问题,无论是自己基于某款工业软件做二次开发,还是和软件公司合作,最后的成果都变成了国外工业软件的积累。
如果把工业软件比作一棵大树,那么基于国外工业软件完成的仿真分析、积累的企业研发能力,就像是在大树上结的果子。虽然果实长在自家的院子里,但这棵大树本身却扎根在别人家的土地上。我们的制造业企业付费购买工业软件,向国外工业软件公司提的研发需求,都是在为别人的大树浇水。中国的花园里看似枝繁叶茂,硕果累累,但实际上我们自家的“树苗”——自主工业软件公司却没有得到阳光雨露的滋润,只能躲在角落,看着别人家的大树茁壮成长,逐渐绿荫遮天。在海外软件倾销的阴影下,我们培养出来的工业软件研发人才无法获得高薪,无处可去,只能转行或流向海外。长期来看,这样才真正会让中国持续损失创新能力。
工业软件要追求自主化的真正目的不是为了解决“卡脖子”问题,而是要种出我们自己的“树”。让工业界下游创新应用的“水”能够浇灌到我们自己的土壤里,让高校和研究机构提出的新理论、新模型能够落地在我们中国自主的软件平台上,让我们的原始创新、理论创新成果有所依托、有所积累。我们国家有那么多的基础学科,每年大量科研经费投入产出的论文和创新成果,不应该一直躺在SCI索引数据库中。只有让这些新理论、新方法变成一线工程师实际可用的工业软件产品并得到应用,才能打通学术界到工业界的闭环,也才能真正实现从中国制造到中国创造的转型升级。

四、龟兔赛跑

一些CAE从业者会认为,过去的几年乃至十几年里,CAE技术的发展是非常缓慢、乃至几乎停滞的。这给了中国自主软件追赶国际先进水平的时间和机遇。的确,许多经典的CAE数值算法,如有限单元法、有限体积法、边界元法等等,大多提出于上世纪,目前的理论已经趋于完善。但在笔者看来,国际工业软件巨头公司每年高额的研发投入绝不是无的放矢。如ANSYS、达索系统、Altair等这些工业软件大厂,最近几年从最易感知的软件GUI易用性到底层算法,从改良式的CAE新理论新模型到颠覆式创新的革命性算法、AI应用,都有着巨大的进步。
以2023年的更新为例,SIMULIA Abaqus提供了新的用于模拟心肌组织的Holzapfel-Ogden各向异性超弹性模型、纤维增强复合材料新的均质化建模技术、增强的隐式迭代耦合算法等等;ANSYS改进了包括接触、单元、求解器、多场耦合等许多方面的功能,还补充了两个新的技术展示案例;LS-DYNA基于人工智能技术发展了一套深度材料网络(DMN)算法用于多尺度分析RVE建模、也在联合ANSA等前处理软件和BMW等终端用户,将等几何分析(IGA)方法推向实用;Altair公司近年来一直在大幅改进革命性的无网格分析软件simsolid,刚刚结束的2023新产品发布会上,也展示了基于几何深度学习技术的Physics AI仿真预测工具…… 上述这些只是几家公司软件更新内容的冰山一角。
Abaqus和ANSYS在2023版中更新的部分功能

LS-DYNA更新的深度材料网络RVE方法与等几何分析功能

Altair最新发布的physics AI仿真预测工具
从软件更新内容的角度看,如果将自主工业软件与海外优秀的工业软件巨头相比较,就如同一场龟兔赛跑。在赛跑中,兔子拥有多年的先发优势,跑得比乌龟更快,而且居然没有打盹。在这样的竞争中,乌龟要如何才能获胜?
我想,局面其实也没有那么糟糕。我们还是要坚定地、踏踏实实地走好自己的路,最重要的是要面向用户、面向市场。

五、面向用户、面向市场

自主工业软件,不是造原子弹,不是一锤子买卖做出来就行。它需要不断迭代,需要得到市场和用户的反馈。所以做自主工业软件,不是埋头科研攻关、不是报奖项,不能只给评审专家和投资人看PPT。想要真正做出活的、有持续发展迭代潜力和竞争力的自主工业软件,就一定要面向用户、面向市场。
还是以笔者熟悉的CAE软件为例。做出一款聚焦某一特定算法的CAE软件的第一版本可能需要的时间并不太长,但这只是万里长征的第一步。接下来,有没有用户真正愿意付费使用你的软件,你能不能以软件目前现有的功能去支撑用户单位的产品研发工作,这才是最重要的。有人愿意为你的产品付费,有人使用你的软件,对软件提出批评、意见和期望,才能够转起商业的飞轮,产品才有持续迭代的动力。
可能目前我们的自主工业软件还远不能完全替代进口软件的功能,但可以从简单的需求入手,从一个小切口开始,与用户一起努力。在用户的鞭策下不断解决遇到的bug,让已有的功能更可靠、更完善、更易用,也一点点补充更多的算法、更多的功能。之所以说工业软件是“时间的孩子”,就在于这些迭代完善的路,要一步一步踏踏实实地走。
工业软件是时间的孩子

我们实事求是,不打鸡血,不好高骛远。不要幻想和宣传一鸣惊人、弯道超车的故事,不必夸下自主软件已实现了进口软件80%功能这种海口;也无需妄自菲薄,说我们在这方面和发达国家有30年差距。先把基础的功能做好,把能替代的功能落地让用户使用起来,逐渐向上攀登,相信这条路一定可以越走越顺,越走越好。路虽远,行则将至;事虽难,做则可成。

六、国产工业软件专题月

虽然中国的工业软件起步很早,但工业软件真正获得资本和社会的广泛关注,大约是在2019年。如果把2019年称为中国工业软件的“元年”,至今也已有四年有余。最近几年,有许多自主工业软件公司创立,一些老牌公司也逐渐走上发展的快车道。几年前种下的小树苗,已经在资本和用户的悉心培育下逐渐长大。
为了让关注自主工业软件行业的从业者们看到近几年国产工业软件取得的进展,也为了让一些有潜在需要的用户单位和工程师们更好地了解国产工业软件的能力自11月29日-12月31日,仿真秀将主办2023国产工业软件专题月。以邀请直播展示的形式,为国内各大自主工业软件公司提供一个集中展示的平台,也给广大工程师、投资人和相关专业的学生们一个了解自主工业软件现状的窗口。
目前邀请到了15家公司。这些公司有老将、有新锐;有深耕经典理论的“守正”者,也有应用新技术、新算法的“出奇”者。但无论他们来自何方、何时创立、走何种路线,他们都是努力突破中国工业软件“卡脖子”问题的践行者。

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如果你也是国产软件厂商,有合作需求、或者也想在这个专题月里宣传展示软件产品,请联系我们。

(完)

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首次发布时间:2023-12-09
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1条评论
仿真圈
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3月前
他们有老将、有新锐;有深耕经典理论的“守正”者,也有应用新技术、新算法的“出奇”者。但无论他们来自何方、何时创立、走何种路线,他们都是努力突破中国工业软件“卡脖子”问题的践行者。
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