【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 潘攻愚】

前不久在第二十六屆中國科協(xié)年會主論壇上，中國科協(xié)發(fā)布2024重大科學問題、工程技術難題和產(chǎn)業(yè)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(yè)軟件有緊密關聯(lián)：

1. 工業(yè)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、仿真建模軟件平臺CAE/CAD，或集成電路設計、制造自動化軟件EDA工具，CAE/CAD以及EDA統(tǒng)屬于工業(yè)軟件大類。

如果勞煩讀者以“工業(yè)母機”、“工業(yè)軟件”等為關鍵詞檢索新聞資訊，就可以發(fā)現(xiàn)過去十多年來，發(fā)改委、工信部、科技部等多個部委的發(fā)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(yè)母機”、“工業(yè)軟件”往往都赫然在列且被重點標注。

在工業(yè)母機、工業(yè)軟件、高端集成電路設計與制造、基礎材料自主可控已成為產(chǎn)、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(wǎng)科技板塊之前也曾發(fā)表多篇深度文章談及這一議題，指出工業(yè)軟件往往在實現(xiàn)“0”到“1”突破后依然會面臨諸多障礙。從目前我國工程類設備的研發(fā)和市場應用等視角來看，工業(yè)軟件的被“卡脖子”風險之所以長期成為產(chǎn)業(yè)升級中的重大難題，背后的原因依然有可發(fā)覆之處。

工業(yè)軟件——連接物理世界和數(shù)字世界的旋鈕

先看第一個難題，即“工業(yè)母機精度保持性的快速測評”。工業(yè)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制造工序中的基石，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(shù)控機床的檢測系統(tǒng)負責將機床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(xiàn)閉環(huán)控制；而數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，是實現(xiàn)機床精確加工功能的關鍵。高端數(shù)控機床需要一整套多通道、全數(shù)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(shù)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著CAE/CAD工具以及相關IP鏈條的不斷完善和發(fā)展。

數(shù)控系統(tǒng)

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(wěn)溫、種籽晶、放肩、生長、收尾、冷卻等一系列復雜工序。復雜工序的“可見”視域之內(nèi)，離不開其背后所需的器件建模，多物理場仿真工具這一“不可見”的工業(yè)軟件——它負責把單晶生長和集成電路制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(shù)字世界。

隨著當下半導體制造工藝的日趨復雜和因制程遷移帶來的器件密度的成倍增長，硅片廠和晶圓廠面臨著開工率、產(chǎn)品良率和嚴苛交付時間約束下的量產(chǎn)成本的巨大壓力。集成電路制造類EDA工具恰如一把鋒利的“奧卡姆剃刀”，剔除掉芯片制造環(huán)節(jié)的重復物理性實驗冗余，是加快芯片上市時間和設計技術協(xié)同優(yōu)化的關鍵抓手。全球大型硅片廠和晶圓廠內(nèi)的設備一旦熱啟動，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(jié)點上，用“寸秒寸金”形容也毫不為過。

直拉法單晶硅制備虛擬仿真實驗@北京歐倍爾

筆者曾在蘇州拜訪某家制造類EDA企業(yè)時，企業(yè)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(shù)字世界，這一過程越來越多出現(xiàn)了很多“反直覺”的現(xiàn)象。

比如芯片工藝平臺的不斷躍遷，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(fā)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著工藝制程不斷增加，但由于EDA工具成為了開發(fā)者的公共平臺，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(fā)和驗證平臺，才不至于讓芯片設計和制造端“重復造輪子”，從而實現(xiàn)技術累積的有序演化。

從母機和大硅片制造體系這一宏觀視角來看，如果把機床制造和單晶生長看作一片密林，那么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(wěn)定性，又要縮短工藝開發(fā)時間保證制造成本可控，又能在量測、檢測中保證數(shù)據(jù)的即時可編程性和回溯性，一套成熟有序的配套工業(yè)軟件必不可少。