【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(huì)主論壇上，中國科協(xié)發(fā)布2024重大科學(xué)問題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題。在所列舉的十大工程類技術(shù)難題中，至少有三個(gè)難題，或隱或顯的和工業(yè)軟件有緊密關(guān)聯(lián)：

1. 工業(yè)母機(jī)精度保持性的快速測評；

2. 大尺寸半導(dǎo)體硅單晶品質(zhì)管控理論與技術(shù)；

3. 基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域自主工程設(shè)計(jì)軟件問題。

這三個(gè)難題均需要用到工程類計(jì)算機(jī)輔助工程、仿真建模軟件平臺(tái)CAE/CAD，或集成電路設(shè)計(jì)、制造自動(dòng)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(jī)”、“工業(yè)軟件”等為關(guān)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(gè)部委的發(fā)文，包括歷年全國兩會(huì)的代表提案，幾乎只要涉及到亟需突破的“卡脖子”領(lǐng)域，“工業(yè)母機(jī)”、“工業(yè)軟件”往往都赫然在列且被重點(diǎn)標(biāo)注。

在工業(yè)母機(jī)、工業(yè)軟件、高端集成電路設(shè)計(jì)與制造、基礎(chǔ)材料自主可控已成為產(chǎn)、學(xué)、研各界高度共識(shí)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(shí)現(xiàn)“0”到“1”突破后依然會(huì)面臨諸多障礙。從目前我國工程類設(shè)備的研發(fā)和市場應(yīng)用等視角來看，工業(yè)軟件的被“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)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(gè)難題，即“工業(yè)母機(jī)精度保持性的快速測評”。工業(yè)母機(jī)號(hào)稱“機(jī)器之母”，是機(jī)器中的機(jī)器。大尺寸半導(dǎo)體硅單晶是集成電路高端制造工序中的基石，有關(guān)這兩個(gè)領(lǐng)域的精度快速測評和品質(zhì)把控，均和量測、檢測即Metrology體系息息相關(guān)。

高端數(shù)控機(jī)床的檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移量隨時(shí)檢測出來，與給定的指令信號(hào)進(jìn)行比較，從而控制驅(qū)動(dòng)元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；而數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，是實(shí)現(xiàn)機(jī)床精確加工功能的關(guān)鍵。高端數(shù)控機(jī)床需要一整套多通道、全數(shù)字總線，還包含豐富的插補(bǔ)及運(yùn)動(dòng)控制功能、智能化的編程和遠(yuǎn)程維護(hù)診斷。而且，數(shù)字控制（Numerical Control-NC）的算法、算力和母機(jī)器件、材料的迭代同氣連枝，同生共振，半個(gè)多世紀(jì)以來不斷推動(dòng)著CAE/CAD工具以及相關(guān)IP鏈條的不斷完善和發(fā)展。

數(shù)控系統(tǒng)

再看第二個(gè)難題，大尺寸半導(dǎo)體硅單晶的品質(zhì)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(fù)雜工序。復(fù)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(fù)責(zé)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(jì)算處理的數(shù)字世界。

隨著當(dāng)下半導(dǎo)體制造工藝的日趨復(fù)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(yán)苛交付時(shí)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(fù)物理性實(shí)驗(yàn)冗余，是加快芯片上市時(shí)間和設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化的關(guān)鍵抓手。全球大型硅片廠和晶圓廠內(nèi)的設(shè)備一旦熱啟動(dòng)，時(shí)間成本可以通過計(jì)算模型量化為資本投入，尤其在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)@北京歐倍爾

筆者曾在蘇州拜訪某家制造類EDA企業(yè)時(shí)，企業(yè)董事長闡述，EDA工具負(fù)責(zé)把聲、光、電、化這些物理世界化約為可編程、量化、計(jì)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(tái)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(shí)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(tái)，可以讓所有全世界的軟件設(shè)計(jì)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(dǎo)體器件模型（SPICE Model）以及PDK自動(dòng)化開發(fā)和驗(yàn)證平臺(tái)，才不至于讓芯片設(shè)計(jì)和制造端“重復(fù)造輪子”，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)累積的有序演化。

從母機(jī)和大硅片制造體系這一宏觀視角來看，如果把機(jī)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(jī)精度、穩(wěn)定性，又要縮短工藝開發(fā)時(shí)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(shí)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。