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这才是中国被卡脖子最严重的领域!

发布日期:2021-10-20      来源:光电产业网      作者:苏州市光电产业商会      阅读:130 次

这段时间手机圈最大的新闻除了苹果刚发布了最新的“十三香”系列产品外,就数前段时间华为发布了最新的 p50 系列手机了,但是我们惊奇地发现,华为作为全球 5G 通讯技术的领跑者,这次 p50 系列居然只有4G版本,为什么会这样呢?


余承东在发布会上解释道,由于美国的制裁,华为的5G芯片只能当4G使用。其实这主要是因为华为被迫终止与美国射频芯片厂商的合作,要是知道手机要想上5G,并非只有基带就行了,还得有射频芯片,目前高端射频芯片都被美日韩三国垄断,而买不到射频芯片,华为的p50手机只能“望芯兴叹”了,而且,这个实体清单里面,还包括最狠的一条:终止华为与美国EDA软件厂商的合作。

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余承东坦言,由于美国的制裁,华为的p50系列手机只能当4G用


如果说终止华为与台积电的合作,华为还可以找其他厂商代工一些低端的芯片,可终止EDA软件几乎就等于给华为来了个釜底抽薪,直接从上游设计领域给你掐断了自研芯片之路,这里直接给国人来了个警醒,但同时也暴露了中国高端制造最薄弱的一个环节——工业软件领域。


EDA到底是什么,为什么那么重要?EDA是一种工业软件,它的全称叫Electronic design automation(电子设计自动化),主要用来设计超大规模集成电路的一种软件,你可以简单把它理解成画电路板的(但功能远远不止画那么简单,还包括后期设计验证等复杂的功能)。这里你可能会问,必须用这款软件吗,难道不能手绘吗?其实在早期EDA没有发明之前,那个时代的芯片设计确实是手绘的,但那个年代的芯片复杂程度远远不及现在,而且晶体管的数量也比现在少的多,现在指甲盖大小的芯片集成了几十亿个晶体管,如果让工程师们手绘的话,先不说它画出来的能不能用,等把几十亿个晶体管都画出来完的那一刻,估计地球都毁灭了。

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iPhone 13系列采用最新的A15仿生芯片,指甲盖大小的面积上集成了150亿个晶体管!再说一遍,是150亿,这样的数量让设计人员用手工来画是不可能的


无独有偶,去年五月份,美国再次升级对华为限制措施,同时将包括哈尔滨工业大学在内的33家中国企业与高校机构列入“实体清单”,被列入名单内的企业无法与美国进行任何贸易,而且一些重要的工业类软件也被限制使用,比如哈工大就收到MATLAB(矩阵实验室)软件授权使用终止的通知,意味着从此哈工大再无权利使用正版的MATLAB了。由于MATLAB极其强大的科学计算、数据分析、图像处理能力,在学术、工程等领域应用极为广泛,它甚至被称为“工科神器”,包括我在内,工作中也经常使用这款软件做一些图像处理方面的工作。

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工科神器——Matlab软件界面


那么你可能会问,难道就找不出一款可替代这款软件的产品吗?作为一个内行人,我可以明确地告诉你,目前来说还没有,而且我们从零开发一款这样的软件几乎不可能(后面告诉你为什么)。而且,禁用这款软件也许仅仅是个开始,后面老美会陆续对一些其它工业类软件实行禁用,例如ANSYS、Pro/E、Catia、EDA等等,万一真到了那一天,可以说中国高端工业领域绝对遭受重大挫折。


说到这里,你可能会问,工业软件真的有这么重要吗,不用不行吗,难道我们就不能自己开发吗?下面我就对这三个问题逐一回答,由于我本科是学机械的,所以下文的大部分例子我都会用机械行业里面常用的工业软件来说明。


一,工业软件真的有这么重要吗,不用不行吗?


答案:它真的很重要,不用还真不行。


我们先来看几张图片

上面三张图片是上世纪CAD软件没有诞生之前,设计师们的日常,所有的图纸全靠手绘完成。那个年代流传着一句话:判断一个人是否是一名设计师的一个标准就是看他肚子上有没有一道桌子压过的痕迹。那个年代的设计效率非常低下。

这是我在大学时候有次交作业前的最后一次审图情景,老师为了锻炼我们手绘能力,要求每次作业必须有一张手绘图,但时至今日,我依然怀念当年在大学熬夜画图的情景,有时候图书馆没位置了,我们都喜欢回宿舍把床板拆下来当画图板


然而,自从上世纪八十年代工业软件出现后,设计师们终于不用通过手绘来完成图纸的设计了,转而在电脑上完成,设计效率极大提高。


那么工业软件究竟是什么东西?


大部分读者可能是做应用软件开发的,不太了解工业软件这个行业,其实工业类软件按照功能可分为三大类,CAD(计算机辅助设计)、CAE(计算机辅助工程)、CAM(计算机辅助制造),这三款软件是如今工业行业必不可少的软件,航空、船舶、汽车等产品的研发少不了它。而目前企业常用的这三大类软件,基本上都被美、法、德三国所垄断,尤其是在CAE领域,美国更是霸主般的存在。


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1),CAD(计算机辅助设计)软件


人类史上第一款CAD软件的的雏形可追溯到上世纪五十年代,那个时代正是美苏争霸期间,美国军方为了拦截苏联的远程轰炸机,由国防部牵头联合IBM与麻省理工学院联合开发了SAGE系统,SAGE系统完全用汇编语言来完成,它其中一个功能就是能够在计算机上绘图,当时耗资100多亿美元(注意这是上世纪50年代的100亿美元,放现在估计也得一千亿美元以上了)。但那个时候的CAD软件仅仅供美国军方使用,后来才逐步走向商业化。


简而言之,CAD软件就是让设计师能够在电脑上画图的软件,可以说,CAD软件的出现彻底解放了设计师们手中的作图工具,以往通过手工绘制的图纸可以放在电脑上来完成,极大减轻了设计人员的工作量,同时也大大加快了产品的研发效率。

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CAD软件出现后,以前只能手工来绘制的图纸,可以放到电脑上来完成,大大提高了工作效率,这是美国AutoDesk公司旗下的一款二维CAD软件产品——AutoCAD


我之前在车企待过,所以我还以汽车研发过程为例来说明。汽车的研发过程远比大家想象的复杂得多,你可能觉得汽车由设计人员先把图纸画出来,然后就可以来进行加工生产了?No, No, No...,汽车的研发过程先由再行设计师来完成造型的设计,再由工程设计人员完成零部件的设计,随后工程人员还要对设计出来的雏形做验证分析,最后还要交给生产技术人员对每个零部件做加工可行性分析,等每个环节都确认无误后才能投线生产。


在第一阶段,汽车造型设计师在完成车辆造型与外观设计后,剩下的就要交给工程设计人员了,而车辆工程师们要对汽车的每一个零部件进行设计画图,最后还要出工程图,交给工人加工。汽车是人类工业级消费品中唯一零部件达到上万级别的产品,结构复杂,所以工程师们一般情况下都会先出画3D图,目的是为了检查结构设计的合理性以及零部件是否有干涉,也为后面做有限元分析做准备,而零部件的绘制用什么工具呢,这就需要用到CAD软件了。


那么你可能会问,必须用计算机绘制吗,不能手绘吗,这放在上世纪六七十年代还是可以的,但是现在绝无可能,现在人类汽车结构的复杂程度跟上世纪相比根本不在一个数量级,你不可能让工程师们还用古老的工具手工绘图,那样即便你真手绘完成了,也必将花费大量的时间,等产品上市,早已被竞争对手淘汰。

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中国第一代核潜艇总设计师——黄旭华,在那个年代,他们隐姓埋名,为中国研发出第一艘核潜艇,在那个没有CAD软件的年代,潜艇的每一个零部件都需要手绘来完成,共计4.5万张图纸,加起来总共有30公里长,向黄老致敬!


三维CAD软件的出现,又将产品开发效率提升了一个档次,以前画图只能在二维平面上完成,现在可以直接进行3D建模,随后直接生成工程图。这是美国PTC公司旗下的一款三维CAD软件——Pro/E.


这是一张采用Pro/E软件绘制的汽车总装图,汽车一般采用自顶向下的设计方法,等总装图完成后,工程师们还要逐一生成零件图,每辆车假如有两万个零件,那图光零件图就有两万张,后面还有局部装配图、加工工艺图等等,总共至少在四万多张。这些工作单靠手工完成在目前追求效率的市场上是不现实的。

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将总装图的每个零件都拆解,生成零件图,最后交给工人加工。


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这是一张绘制比较标准的汽车传动轴类零件图,图纸上必须表明完整的尺寸、公差、粗糙度等,容不得半点差错,一般都需要用CAD软件来绘制。


2),CAE(计算机辅助工程)软件


要问世界上哪家公司的代码数量最多,你可能回答是微软、IBM或者Google,但事实上这些都不是,单论代码数量,世界上最大的软件公司是美国的军火商巨头——洛克希德·马丁,没错,就是那家美国的军火公司,美国的F22战斗机、F35战斗机等都出自这家公司。说道这里你可能觉得疑惑,军火厂商居然也做软件?是的,而且他们做的软件大部分仅供自己使用,不对外销售,其中就包括CAE软件。


CAE软件是工业软件里面开发难度最大的一类软件(后面会告诉你为什么),但也是最重要的一款软件。CAE自诞生之日起,与CAD软件一样,主要服务于军方,后来才逐步走向商业化,民用企业才得以使用。那么CAE究竟是干什么呢?


CAE全程叫Computer Aided Engineering (计算机辅助工程),就是把设计出来的产品,通过软件的方法进行仿真分析,来验证设计出来的产品是否达到规定的要求(它的原理后面会解释)。你闭上眼睛想一下,设计师们把产品在电脑上设计出来后,只要导入这款软件,就能知道产品设计哪里有不合理的地方,然后再更改设计图纸,这是不是就像魔法一样?这节约了多少后期试验的成本。而且,在有些领域,你必须使用CAE软件进行仿真分析,例如航空航天领域,这都是关乎每一位乘客人身安全的领域,必须经过软件的验证。


CAE软件的出现,极大程度地提高了产品的研发周期,以前必须通过实验来验证的产品,现在可以放到电脑上来完成


目前全球商用CAE软件行业市场份额最大的是美国的ANSYS, ANSYS自诞生之日起就一直专注于有限元仿真技术,到目前,已经形成了包括结构、流体、电磁、航空、船舶、汽车等完整的仿真产品线。那它用在什么地方呢,我还以汽车为例,你以为车辆工程师把3D总装图完成后就可以直接生成零件图进行加工了吗,不,这还远远不够,后面还有重要两环,其中最重要的就是对你设计出来的产品进行可行性分析。


大家可能不知道,衡量一款汽车的好坏,安全性是一项重要的指标。那么如何知道设计师设计出来的汽车是都达到足够的安全标准呢?你敢保证刚设计出来的汽车跑在路上不会有断轴的危险?你敢保证设计出来的汽车在突发撞击意外情况安全气囊一定能打开?也许有人说,可以先造出来一辆上路测试一下不就行了?可是你想过没,如果万一测试达不到安全标准怎么办,难道重新设计吗?且不说在安全方面涉及到人命关天,单说模具环节,重新设计就意味着重新开模,一套汽车模具价格动辄在千万以上,这样的成本允许车企这样做吗?


再给大家举个例子,外行人可能总是觉得,汽车前保险杠与引擎机舱部分为什么那么“脆弱”,只要发生碰撞发动机基本上就报废了,就不能把发送机前引擎机舱部分做的更加“结实”一些吗?可事实恰恰相反,非但不能设计更加“结实”,反而需要故意要设计成“容易”损坏的程度,这是为什么呢,原因就在于发动机前引擎机舱部分在一定程度上给我们充当了炮灰的角色,一旦发生碰撞,要尽量避免产生的撞击能量传递给驾驶室,那么就要把前引擎机舱部分设计成有一定的柔性,机舱部分要首先溃缩,用来吸收能量,保证驾驶室内人员的安全。而且,为了将驾驶室内人员的损伤降到最低,除了前引擎部分“牺牲自己”外,还要将剩余的撞击能量均匀地传递到车身骨架以及底盘上面,这些功能都如何验证你设计的产品是否达标呢,这里就需要用到强大的工具——CAE软件。