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EDA技术的发展趋势与应采取的对策
EDA技锋氏术的发展趋势与应采取的对策
《EDA技术》以电路实例为基础,将许多界面和知识的讲解融入到具体的电路绘制中,图文并茂、易学易懂。下面是我整理的关于EDA技术的发展趋势与应采取的对策,欢迎大家参考!
1.EDA技术的概念
EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统,是指以计算机为工作平台,融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及银碧散智能化技术的最新成果,进行电子产品的自动设计。
利用EDA工具,电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统,大量工作可以通过计算机完成,并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。
现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中,从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟,都可能涉及到EDA技术。本文所指的EDA技术,主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。
EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。
2 EDA常用软件
EDA工具层出不穷,目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有:multiSIM7(原EWB的最新版本)、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIIogic、Cadence、MicroSim等等。这些工具都有较强的功能,一般可用于几个方面,例如很多软件都可以进行电路设计与仿真,同慧散进还可以进行PCB自动布局布线,可输出多种网表文件与第三方软件接口。下面按主要功能或主要应用场合,分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件,进行简单介绍。
2.1 电子电路设计与仿真工具
我们大家可能都用过试验板或者其他的东西制作过一些电子制做来进行实践。但是有的时候,我们会发现做出来的东西有很多的问题,事先并没有想到,这样一来就浪费了我们的很多时间和物资。而且增加了产品的开发周期和延续了产品的上市时间从而使产品失去市场竞争优势。有没有能够不动用电烙铁试验板就能知道结果的方法呢?结论是有,这就是电路设计与仿真技术。
说到电子电路设计与仿真工具这项技术,就不能不提到美国,不能不提到他们的飞机设计为什么有很高的效率。以前我国定型一个中型飞机的设计,从草案到详细设计到风洞试验再到最后出图到实际投产,整个周期大概要10年。而美国是1年。为什么会有这样大的差距呢?因为美国在设计时大部分采用的是虚拟仿真技术,把多年积累的各项风洞实验参数都输入电脑,然后通过电脑编程编写出一个虚拟环境的软件,并且使它能够自动套用相关公式和调用长期积累后输入电脑的相关经验参数。这样一来,只要把飞机的外形计数据放入这个虚拟的风洞软件中进行试验,哪里不合理有问题就改动那里,直至最佳效果,效率自然高了,最后只要再在实际环境中测试几次找找不足就可以定型了,从他们的波音747到F16都是采用的这种方法。空气动力学方面的数据由资深专家提供,软件开发商是IBM,飞行器设计工程师只需利用仿真软件在计算机平台上进行各种仿真调试工作即可。同样,他们其他的很多东西都是采用了这样类似的方法,从大到小,从复杂到简单,甚至包括设计家具和作曲,只是具体软件内容不同。其实,他们发明第一代计算机时就是这个目的(当初是为了高效率设计大炮和相关炮弹以及其他计算量大的设计)。
电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE;multiSIM7;Matlab;SystemView;MMICAD LiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark等。下面简单介绍前三个软件。
①SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis):是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件,是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件,1998年被定为美国国家标准。1984年,美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE(Personal-SPICE)。现在用得较多的是PSPICE6.2,可以说在同类产品中,它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件,在国内普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真,都可以得到精确的仿真结果,并可以自行建立元器件及元器件库。
②multiSIM(EWB的最新版本)软件:是Interactive Image Technologies Ltd在20世纪末推出的电路仿真软件。其最新版本为multiSIM7,目前普遍使用的是multiSIM2001,相对于其它EDA软件,它具有更加形象直观的人机交互界面,特别是其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样,但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊色,几乎能够100%地仿真出真实电路的结果,并且它在仪器仪表库中还提供了万用表、信号发生器、瓦特表、双踪示波器(对于multiSIM7还具有四踪示波器)、波特仪(相当实际中的扫频仪)、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪和电压表及电流表等仪器仪表。还提供了我们日常常见的各种建模精确的元器件,比如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码管等等。模拟集成电路方面有各种运算放大器、其他常用集成电路。数字电路方面有74系列集成电路、4000系列集成电路、等等还支持自制元器件。MultiSIM7还具有I-V分析仪(相当于真实环境中的晶体管特性图示仪)和Agilent信号发生器、Agilent万用表、Agilent示波器和动态逻辑平笔等。同时它还能进行VHDL仿真和Verilog HDL仿真。
③MATLAB产品族:它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块,包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。它具有数据采集、报告生成和MATLAB语言编程产生独立C/C++代码等功能。MATLAB产品族具有下列功能:数据分析;数值和符号计算、工程与科学绘图;控制系统设计;数字图像信号处理;财务工程;建模、仿真、原型开发;应用开发;图形用户界面设计等。MATLAB产品族被广泛应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLAB产品族很容易针对特定的需求进行扩充,从而在不断深化对问题的认识同时,提高自身的竞争力。
2.2 PCB设计软件
PCB(Printed-Circuit Board)设计软件种类很多,如Protel、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、MentorGraphices的Expedition PCB、Zuken CadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO、PCBWizard(与LiveWire配套的PCB制作软件包)、ultiBOARD7(与multiSIM2001配套的PCB制作软件包)等等。
目前在我国用得最多当属Protel,下面仅对此软件作一介绍。
Protel是PROTEL(现为Altium)公司在20世纪80年代末推出的CAD工具,是PCB设计者的首选软件。它较早在国内使用,普及率最高,在很多的大、中专院校的电路专业还专门开设Protel课程,几乎所在的电路公司都要用到它。早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用,其最新版本为Protel DXP,现在普遍使用的是Protel99SE,它是个完整的全方位电路设计系统,包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计(包含印刷电路板自动布局布线),可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客户/服务体系结构), 同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多层印制线路板的自动布线,可实现高密度PCB的100%布通率。Protel软件功能强大(同时具有电路仿真功能和PLD开发功能)、界面友好、使用方便,但它最具代表性的是电路设计和PCB设计。
2.3 IC设计软件
IC设计工具很多,其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。中国华大公司也提供ASIC设计软件(熊猫2000);另外近来出名的Avanti公司,是原来在Cadence的几个华人工程师创立的,他们的设计工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡,非常适用于深亚微米的IC设计。下面按用途对IC设计软件作一些介绍。
①设计输入工具
这是任何一种EDA软件必须具备的基本功能。像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述语言VHDL、Verilog HDL是主要设计语言,许多设计输入工具都支持HDL(比如说multiSIM等)。另外像Active-HDL和其它的设计输入方法,包括原理和状态机输入方法,设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段,如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具Modelsim FPGA等。
②设计仿真工作
我们使用EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确,几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog用于Verilog仿真,Leapfrog用于VHDL仿真,Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有:viewsim门级电路仿真器,speedwaveVHDL仿真器,VCS-verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog双仿真器:Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器)。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。
③综合工具
综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势,它的Design Compile是作为一个综合的工业标准,它还有另外一个产品叫Behavior Compiler,可以提供更高级的综合。
另外最近美国又出了一个软件叫Ambit,据说比Synopsys的软件更有效,可以综合50万门的电路,速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购,为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。随着FPGA设计的规模越来越大,各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件,比较有名的有:Synopsys的FPGA Express, Cadence的Synplity, Mentor的Leonardo,这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。
④布局和布线
在IC设计的布局布线工具中,Cadence软件是比较强的,它有很多产品,用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra,它原来是用于PCB布线的,后来Cadence把它用来作IC的布线。其主要工具有:Cell3,Silicon Ensemble-标准单元布线器;Gate Ensemble-门阵列布线器;Design Planner-布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。
⑤物理验证工具
物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的,其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。
⑥模拟电路仿真器
前面讲的仿真器主要是针对数字电路的,对于模拟电路的仿真工具,普遍使用SPICE,这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中,HSPICE作为IC设计,其模型多,仿真的精度也高。
2.4 PLD设计工具
PLD(Programmable Logic Device)是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。目前主要有两大类型:CPLD(Complex PLD)和FPGA(Field Programmable Gate Array)。它们的基本设计方法是借助于EDA软件,用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,最后用编程器或下载电缆,由目标器件实现。生产PLD的厂家很多,但最有代表性的PLD厂家为Altera、Xilinx和Lattice公司。
PLD的开发工具一般由器件生产厂家提供,但随着器件规模的不断增加,软件的复杂性也随之提高,目前由专门的软件公司与器件生产厂家使用,推出功能强大的设计软件。下面介绍主要器件生产厂家和开发工具。
①ALTERA:20世纪90年代以后发展很快。主要产品有:MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其开发工具-MAX+PLUS II是较成功的PLD开发平台,最新又推出了Quartus II开发软件。Altera公司提供较多形式的设计输入手段,绑定第三方VHDL综合工具,如:综合软件FPGA Express、Leonard Spectrum,仿真软件ModelSim。
②ILINX:FPGA的发明者。产品种类较全,主要有:XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列,其最大的Vertex-II Pro器件已达到800万门。开发软件为Foundation和ISE。通常来说,在欧洲用Xilinx的人多,在日本和亚太地区用ALTERA的人多,在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。
③Lattice-Vantis:Lattice是ISP(In-System Programmability)技术的发明者。ISP技术极大地促进了PLD产品的发展,与ALTERA和XILINX相比,其开发工具比Altera和Xilinx略逊一筹。中小规模PLD比较有特色,大规模PLD的竞争力还不够强(Lattice没有基于查找表技术的大规模FPGA),1999年推出可编程模拟器件,1999年收购Vantis(原AMD子公司),成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001年12月收购Agere公司(原Lucent微电子部)的FPGA部门。主要产品有ispLSI2000/5000/8000,MACH4/5。
④ACTEL:反熔丝(一次性烧写)PLD的领导者。由于反熔丝PLD抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快,所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。
⑤Quicklogic:专业PLD/FPGA公司,以一次性反熔丝工艺为主,在中国地区销售量不大。
⑥Lucent:主要特点是有不少用于通讯领域的专用IP核,但PLD/FPGA不是Lucent的主要业务,在中国地区使用的`人很少。
⑦ATMEL:中小规模PLD做得不错。ATMEL也做了一些与Altera和Xilinx兼容的片子,但在品质上与原厂家还是有一些差距,在高可靠性产品中使用较少,多用在低端产品上。
⑧Clear Logic:生产与一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片,这种芯片可将用户的设计一次性固化,不可编程,批量生产时的成本较低。
⑨WSI:生产PSD(单片机可编程外围芯片)产品。这是一种特殊的PLD,如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、Flash,并支持ISP(在线编程),集成度高,主要用于配合单片机工作。
顺便提一下:PLD(可编程逻辑器件)是一种可以完全替代74系列及GAL、PLA的新型电路,只要有数字电路基础,会使用计算机,就可以进行PLD的开发。PLD的在线编程能力和强大的开发软件,使工程师可以几天,甚至几分钟内就可完成以往几周才能完成的工作,并可将数百万门的复杂设计集成在一颗芯片内。PLD技术在发达国家已成为电子工程师必备的技术。
2.5 其它EDA软件
①VHDL语言:超高速集成电路硬件描述语言(VHSIC Hardware Deseription Languagt,简称VHDL),是IEEE的一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超高速集成电路(Very High Speed Integrated Circuit,简称VHSIC)计划,是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入工具。
②Veriolg HDL:是Verilog公司推出的硬件描述语言,在ASIC设计方面与VHDL语言平分秋色。
③其它EDA软件如专门用于微波电路设计和电力载波工具、PCB制作和工艺流程控制等领域的工具,在此就不作介绍了。
3 EDA的应用
EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面,几乎所有理工科(特别是电子信息)类的高校都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具(如multiSIM、PSPICE)和PLD开发工具(如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统),为今后工作打下基础。
科研方面主要利用电路仿真工具(multiSIM或PSPICE)进行电路设计与仿真;利用虚拟仪器进行产品测试;将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中;从事PCB设计和ASIC设计等。
在产品设计与制造方面,包括计算机仿真,产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真,生产流水线的EDA技术应用、产品测试等各个环节。如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的制作过程等。
从应用领域来看,EDA技术已经渗透到各行各业,如上文所说,包括在机械、电子、通信、航空航航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域,都有EDA应用。另外,EDA软件的功能日益强大,原来功能比较单一的软件,现在增加了很多新用途。如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计,也扩展到建筑装璜及各类效果图、汽车和飞机的模型、电影特技等领域。
4 EDA技术的发展趋势
从目前的EDA技术来看,其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。
中国EDA市场已渐趋成熟,不过大部分设计工程师面向的是PCB制板和小型ASIC领域,仅有小部分(约11%)的设计人员开发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争,中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的EDA技术。
在信息通信领域,要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术,积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品,发展新兴产业,培育新的经济增长点。要大力推进制造业信息化,积极开展计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺(CAPP)、计算机机辅助制造(CAM)、产品数据管理(PDM)、制造资源计划(MRPII)及企业资源管理(ERP)等。有条件的企业可开展“网络制造”,便于合作设计、合作制造,参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合,形成测量、控制、通信与计算机(M3C)结构。在ASIC和PLD设计方面,向超高速、高密度、低功耗、低电压方面发展。
外设技术与EDA工程相结合的市场前景看好,如组合超大屏幕的相关连接,多屏幕技术也有所发展。
中国自1995年以来加速开发半导体产业,先后建立了几所设计中心,推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。
在EDA软件开发方面,目前主要集中在美国。但各国也正在努力开发相应的工具。日本、韩国都有ASIC设计工具,但不对外开放。中国华大集成电路设计中心,也提供IC设计软件,但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地开花并结果。据最新统计显示,中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场,年夏合增长率分别达到了50%和30%。
EDA技术发展迅猛,完全可以用日新月异来描述。EDA技术的应用广泛,现在已涉及到各行各业。EDA水平不断提高,设计工具趋于完美的地步。EDA市场日趋成熟,但我国的研发水平仍很有限,尚需迎头赶上。
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突围工业软件,谁是尖刀连?
工业软件大热,万象沸腾。但目前工业软件的定义过于宽泛,其实造成了很多伪工业软件的存在。我自己习惯于将工业软件分为工业物理学软件和工业管理学软件。后者诸如ERP、SCM之类,并不是攻坚的重点。前者则以研发工具戚耐软件如设计CAD、仿真CAE、电子自动化设计软件EDA或者流程模拟软件等为主,这些才是真正的硬骨头。只有将工业软件的定义聚焦到真正的工业内核上,才能有更好的发展。而当下过于宽泛的定义,无益于解决核心攻关问题。国内有一个软件排行榜,Top10中制造业的只有华为、海尔、中兴、浪潮和海信。这类软件,基本都是嵌入式软件。没有这些软件,硬件就不灵。但这些软件,其实跟我们所担忧的卡脖子软件关系并不大。也不是本人关心的范畴。我们讨论的还是能够独立服务的研制类工业软件,这才是中国最需要突破的地方。
那么,到底谁是工业软件的攻坚者?目前来看,这个答案,似乎并不是那么确定。正常而言,都是需要供应商来突破。但这种答案也似是而非。工业软件的发展,从来不是一个单人比赛,它更像是一个接力赛。没有基础数学物理的研究,工业软件就会缺少根基;而如果没有用户的反哺,工业软件永无出头之日。很多工业软件败就败在没有用户。不是技不如人,而是用不如人。无用兵之地,则无神武之威。
那么,工业软件都是怎么锻造出来的?从 历史 来看,主要有四个来源,分别来自大型工业企业、大学院所、工程和咨询公司,以及企业家的创业行动。
工业软件如辅助设计CAD、辅助仿真CAE最早都来自航空和 汽车 行业的内部。这两个行业,成为工业软件最有耐心的保姆。GE在上个世纪五六十年代开始研发最早财务软件,成为第一家自研软件的企业。而后,企业自研软件成为一个时髦的事情。到后来,很多工业企业,纷纷加入到自研软件的行列。而在CAD领域,这种现象尤其明显。
后来这些软件,慢慢地形成了商业化的能力,并挣脱工业企业的怀抱,成为专注于工业软件的公司。当然,也不乏并购和消亡。
然而,这种工业软件最早的发展源泉,其实有着特殊的 历史 原因。最早的软件商品化程度都很低,因为需求量也很低,没有一家企业能够靠着软件而独立存活。于是企业必须自行研发软件,开发者本身也是大户。仿真软皮仔桥件ANSYS起源于西屋核电,EASY5起源于波音。
但是这条路,随后就开始变得荒芜。只有走进来,没有重新来过,这是时代的选择。当年一个企业有大型软件是一种有核心竞争力的表现。而开发软件也可以通过一班人马,快马加鞭地完成。而现在的软件代码,动辄数千万行,关联关系非常复杂,已经不是企业内部团队所能维持得住的。如果无法同时实现对外销售,这将是一个巨大的黑洞。
软件开发是一种成本,维护则是另外一种高昂的成本。可以说,自研软件的时代窗口已经永久性关闭。不太会有工业大企业坚持自己开发软件。这是一条血路,因为维持一个系统太复杂了。福特 汽车 公司上个世纪90年代,曾经因为部燃猛门经理的个人喜恶而阻挡ADAMS软件的引入,坚持自己开发一套多体动力学仿真软件,因此吃尽苦头,还耽搁了三四年的时间,最后还是要回头拥抱ADAMS。
国内有着类似的情况。航空HAJIF、风洞基地的风雷软件,一直还在苦苦支撑。尽管它们在内部起到了一定的作用,但终究无法与民用软件技术打通,只能靠着国家昂贵的补液来实现持续更新。
总体而言,很多企业会自研一部分软件,但都是小型软件,很难不能担当重任,也无法实现技术溢出。
当前,资金如此丰沛。很多国内的大型工业企业,又会重新考虑这条路径。对于嵌入式软件而言,无可厚非。正如头号军火商洛马需要开发大量的机载软件。但是,如果想开发国外工具替代类软件,那将是一个很难啃的硬骨头。
现在软件都有高度复杂性,维护系统的费用高昂,使用者寥寥。工业软件是知识叠罗汉,开发者、使用者叠加得越多,软件越好用。一家再大的企业也无法承担这种研发费用。更何况,工业软件产值小到可怜。一个明智的决策者,不会选择这条路。大型企业,从头开始开发能够商业化的大型工业软件的时间窗口已经永久性地关闭。以前工业软件相对简单,孤胆英雄和明星团队就可以搞定。但今非昔比,软件复杂度且不说,是否成功具有高度不确定性,这绝不是国企现有的风险体制所能负担的。工业软件可能是一种在所有创新产品中最不稳定的工业品。而且投资周期长、投入大,但规模小,这种市场特性,很难是国有企业能够解决的。
工业软件跟大学院所有着天生亲密的关系。这是由于工业软件需要深厚的数学基础、物理方程求解能力和计算机技术相互交融。这也使得很多工业软件成为从大学流出来的圣火。而这些大学的资金,一开始几乎全来自政府资助项目。而类似美国宇航局NASA有320多个国家实验室,也都是各种工艺软件的摇篮。这解释了政府资金和工业软件早期的关系。
目前在流程行业工艺模拟以及管道软件中的英国AVEVA软件(已经被施耐德电气反向收购),最早是英国剑桥大学CAD中心的项目。一开始它也是从机械CAD开始,但后来逐渐走到以工厂厂房设计为主的方向,围绕流程行业弯弯曲曲的管道阀门,创立了一个完全不同的方向。
而在非线性有限元计算声名鹊起的Abaqus(2005年被达索系统收购),也同样来自剑桥大学。丰富的数学、力学等基础学科的昌盛,给英国带来了许许多多的软件公司。而在计算机辅助世界制造CAM领域,英国更是独占前茅。类似达尔康(已经被欧特克收购)、EdgeCAM(已经被海克斯康收购)等都是昔日的佼佼者。
而在化工行业的流程模拟领域几乎吃独食的艾斯本Aspentech,正是从麻省理工学院的流程行业而来。在爆炸领域独树一帜的Ls-Dyna,则来自美国国家实验室利弗莫尔。而最早在CAE软件和电子设计自动化软件EDA的开创性工作中,伯克利分校起到了重要的作用。当时他们的源代码曾经慷慨地四处赠送。中国很多早期的CAE火种,都是这些源码的受益者。
但在中国,这条路已经成为断头路,多少行者早已绕道。学院派,无论是CAD、CAE,还是化工流程模拟,都曾经比肩海外流派。中国的工业软件起点并无差距,至少是齐头并进。
在当前工业软件中,卡脖子最难受的焦点软件当属于电子设计自动化软件EDA,但是这类软件对于中国学术界来说却是先知先觉。早在1978年, “数字系统设计自动化”学术会议就在桂林举办,这是中国“EDA事业的开端”。作为一次全国性大型计算机学术活动,有67个单位的140多名代表参加了会议。可谓盛况空前。当时的EDA主要集中在PCB设计领域。而清华大学计算机系已经做好了布局,北京理工大学也较早地开创了EDA学科。在桂林大会的18篇论文成果中,覆盖了当时电路分析、模拟技术、印制板布线等EDA领域的各个方面。毫无疑问,当时的中国学者专家们,对于技术的把握和理论探讨,几乎做到了与国外同步。尽管在当时,硬件支撑环境非常差,像邮电学院的老师们几乎是手无寸铁,硬是用手摇计算机和手工计算完成了几万个用于逻辑综合的数据。
当时EDA大发展的原因,跟三十年后的今天居然有着惊人的相似。当时专门负责技术卡脖子的组织机构,被称为巴黎统筹委员会(又称“巴统”),就是对中国禁运EDA软件。买不到先进的工具,IC设计很难发展。而国内对IC-CAD工具的需求,可以说是求贤若渴。于是在1986年7月,电子设计同样迎来了春天。当时电子工业部确定在北京、上海、无锡建立3个集成电路设计中心。这是来自三十五年的国产工业软件春天,有没有似曾相识的感觉?
随后,中国迎来了IC-CAD的播种季节,这是一个大会战的时代。北京集成电路设计中心聚集了来自17个单位的120人,在一个工厂进行密集式攻关。
那个时候,电子工业部真是一个驾轻就熟的创新者,它熟练地将创新链条衔接起来。“八五”期间,国家将IC-CAD产业化的任务转交给华大设计中心,并在1995年完成熊猫系统的最终版本。全国产自主可控的“熊猫系统”可谓一鸣惊人,当时有56套熊猫系统在国内26家集成电路设计单位应用,并且成功进入国际市场 。当时,三大EDA软件巨头之一的Mentor,也曾将自己软件与熊猫系统做集成。
历史 不会重来,但 历史 会重复。
中国工业软件当前的落后,从来不是因为落在了起跑线上。相反,在起点位置上,中国软件也是受尊敬的同行。当年来华谈判知识产权问题的美国商务部副部长,曾经专程到华大设计中心考察,对我国自主知识产权的“熊猫系统”表示赞赏。而就CAD而言,北航学派在几何造型的早期实践者,也得到了法国贝赛尔曲线发明者恭敬的学术交流。
北航曾经创立了金银花的CAD软件,这也是当时科研项目结晶最好的钻石之一。它也勇敢地走出了学校,来到了广东。但是学院派的软件,无法得到工业界的响应。学者挑战市场的努力,有如堂吉诃德对风车的挑战。不能说没有勇气,只能说不合时宜。
逐渐地,学院派慢慢地退出了赛道。只有北航的海尔(现在的数码大方)、华科大的苏州同元、大连理工的力学分析软件等寥寥几颗苗株,还算是守住了自己的地盘。
中国学院派跟美国、法国等工业软件强国同时拿到了面向未来的种子。只是后来国外的学院成果都迅速地经过产权变换,成功地将大旗交接到了为冒险而存在的企业家手中,从而扎稳了脚跟。这是工业软件所需要经历的惊险一跳,中国不曾发生。这证明在中国的产学研交接中,出现了严重的失误。换言之,中国工业的土壤证明了这并不是一块适合工业软件播种的地方。作为一种最特殊的工业品,工业软件的真实面貌一直鲜为人知。
工程公司是工业软件中一支独特的生力军,它们贡献了很多工业软件。日本流程自动化的老大横河电机,目前数字化转型激烈。而最明显的举动,就是频繁收购工业软件。它2016年收购的KBC软件,正是来自一家英国工程咨询公司,面向全球油气、炼油和化工领域。流程模拟软件是技术咨询过程中的必备分析工具,KBC公司不断增强这方面的投入。先后也参与多次并购。这类软件,最大的特点,就是充满了对工艺知识的理解。满满的都是行业知识点。日本横河电机看重的正是这一点。第二年,横河的知识专家就正式上线,解决炼油装置的远程效能监控。
因前处理的网格技术领先,而在仿真领域颇有建树的Altair公司,创始人最早也是面向福特 汽车 提供咨询的顾问。
很多人不曾注意到,加拿大的工业软件其实非常强悍。而作为全球第六大电力强国,电力软件也是具有领先位置。比如接地仿真软件CDEGS、电磁暂态仿真软件PSCAD、大规模电网仿真软件DSA-Tools等。其中配电网仿真软件CYME、是用于输配电和工业电力系统的分析工具,在中国被广泛使用。这是一款非常复杂的电力工业软件,包括多达数十个模块。而开发这款软件的正是加拿大的一家电力工程解决方案提供商。
全球顶级的船级社,如法国必维船级社(BV)等,都是通过船审软件及船舶数字资产管理软件Digital AIM来提高核心竞争力。而做全球法律和合规咨询的威科公司,旗下有专门做EHS(环境、 健康 和安全)咨询和认证的业务,从2016年开始收购了一系列做安全屏障管理和防止主动性失误的软件,从而将石化的风险变成了高级防呆的自锁性系统。
以IT服务外包和咨询而知名的EDS公司(最早是通用 汽车 旗下公司),为了更好地服务 汽车 行业,1991年从麦道公司接手了高端CAD的三大公司之一UG。但在2003年因为急于还债,不得不把UG吐给了贝恩资本,并在2006转手到西门子公司,成为后者当前最重要的工业软件集团的基石。这应该是EDS最惨痛的一次出售。贝恩两年换手,轻松赚得20多亿美元。EDS公司一度还吃下了战略界赫赫有名的科尔尼咨询公司。它是做工程服务的公司,一向重视工业软件的支撑价值。
这恰好是中国最不熟悉的领域。中国的工程公司向来不重视工具,也很少贡献出来一款叫得响的软件。在国际大牌的工程咨询公司,没有工业软件是不可想象的。石油服务公司斯伦贝谢在2018年并购了加拿大VMG流程模拟公司,以便更好地为石化公司提供健壮的石油仿真平台。想一想,如果没有统一方法论,没有统一工具,一个工程公司不过就是一个体力活的超级包工头而已。
在中国,工程咨询服务公司从来不曾向市场提供过工业软件的种子。因为这里压根就没有,颗粒无收、白卷一张。这也不是最重要的,最重要的是即使面向未来,也毫无警醒之心。
这个行业不乏代码企业家,他们一开始就是编码出身。类似仿真软件ANSYS最早来自西屋的工程师,全球第二大仿真公司澳汰尔Altair的创始人最早也是咨询顾问。在工厂管理和建筑软件称霸的本特利软件,则来自杜邦公司的一个工程师。而电子设计自动化软件EDA的领头羊Synopsys、CADENCE,开创参数化CAD设计的美国PTC公司等都有着创始人的痕迹。
在中国,四条工业软件发展的道路,只留下了一个窄窄的入口,那就是企业家。无论是已经上市的中望,在CAD看图软件下载量惊人的苏州浩辰(APP的活跃量,居然排在Top500以内),还是做流程行业资产管理软件挑战AVEVA和鹰图的北京达美盛,背后都有企业家野兽精神的支撑。中国工业软件的天地几乎全部都是由孤胆英雄所支撑。每一个工业软件背后都有一个从长路漫漫走过来的苦主——企业家苦主。没有他们的信念做支撑,现在国产工业软件的市场,就是焦土一片。
从另一个角度看,中国工业软件就是个人血泪史。换言之,基本是靠民营企业支撑着残缺的天。而大学院所、大企业、工程公司,中间或许也有挣扎,但在商业化道路上几乎全军覆没。
女娲炼五色石而补天。在当下,这些带着几条枪坚持游击战至今的苦主,正在迎来全新的五色石。然而,补天行动在即,喜未上眉梢之际,颇具意味的是,天际线也飞来一批荷枪实弹的新面孔。不知道他们来自何处,这些人只是听见了资本的号角。
从工业软件的发展源头来看,本是四面通风之地。而在中国,则像是诸葛亮为东吴名将留下的石门阵,生、死、惊、伤。一门出入生,余皆为凶门。只有企业家勉强守住了生门一块阵地。其他三面领域尤其是建制派,几乎是毫无建树。这是一个令人深思的现象。这种已经熄灭的灯,或许也没有必要重新打开。工业软件是一种太特殊的工业品,它独有的长周期、高风险、大投入、低收入的特点,绝非长官意志所能左右的,也绝非背着短期利润指标的建制派所能承担的风险。
工业软件的开发,就像是排球赛阵容的布局。主攻手,毫无疑问应该是企业家。一传手是大学院所,从基础入手,做好基础研究的传接和人才的培养;二传手是大型用户企业,提供最佳的喂球位置。三者之间,完整的配合。工业软件是一场什么样战局?是不知疲倦的软件供应商、一流反哺的用户和耐心的大学院所的共同结晶。这也是对中国分工合作的工业化精神的一次大考。
作 者
林雪萍: 南山工业书院发起人,北京联讯动力咨询公司总经理
EDA和AD的关系
EDA和AD有共同之处,但更多的是各自的功能优点。
电子设计自动化(英语:Electronic design automation,缩写:EDA)是指利用计算机辅助设计(CAD)软件,来完成超大规模集成电路(VLSI)芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)等流程的设计方式。
EDA被誉为“芯片之母”,是电子设计的基石产业。拥有百亿美金的EDA市场构筑了整个电子产业的根基,可以说“谁掌握了EDA,谁就有了芯片领域的主导权。
”近年来,我国在多个领域面临关键核心技术“卡脖子”的危机,其中对芯片技术领域的制约尤为严重,尽快打破垄橡迟断、让芯片关键技术不再受制于人可谓刻不容缓。
对于我国来说,EDA芯片设计软件的国产告如肢化对于芯片领域的突破意义与光刻机制造同等重要。因此,中国团队拿下EDA全球冠军可以说为我国前沿科技领域研究注入了强心剂,极大程度上提振了我国突破技术封锁、实现高端芯片制造独立自主的信心。
AD(Altium Designer)是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统,运行于Windows操作系统。
Altium Designer 提供了唯一一款统一的应用方案,其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer 在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版袜世图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得Altium Designer成为电子产品开发的完整解决方案-一个既满足当前,也满足未来开发需求的解决方案。
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