电磁仿真软件方向思考：未来发展趋势与挑战

关于电磁仿真软件方向的一些思考mp.weixin.qq.com/s/F6UqXip02DruVZNrkRiIsA

什么是电磁仿真软件？
电磁仿真软件实际上是属于CAE软件 中的一类，小编之前写过一篇关于国内工业仿真软件发展的文章：工业仿真软件|中国工业的“断”命之板。

CAE：Computer AidedEngineering，计算机辅助工程。在产品中对产品的强度、刚度、热传导、电磁特性等性能进行仿真分析以及数值求解，然后反馈进行产品的优化设计。可以这样说CAE软件是三者当中难度最大、技术要求最高以及数学模型最多的一个。其中涉及了多种不同的数学解算内核，主体包括前处理模块、有限元分析模块、矩量法分析模块、后处理模块等。前处理模块主要用于实体及参数建模（画图）、布尔运算、网格剖分（便于数值求解）；有限元分析模块主要用于结构、流体、热力、电磁计算等多领域求解器；后处理模块主要用于进行数据处理、呈现数据结果、物理量的直观展现等。

简单来说，前处理+求解器+后处理可以比喻为：模型画图建模+计算+数据处理显示.

电磁仿真软件实际上是针对模拟对象的电磁特性进行仿真的软件，同样涉及到了模型建模、网格划分等等这样的前处理模块、内核求解器以及数据处理及结构显示这样的后处理模块。熟知的天线的仿真、一些武器装备的RCS的计算、电磁泄露信号的干扰仿真等等都是属于电磁仿真的范畴。

从大的概念来说，ADS这一类针对电路的仿真也属于电磁仿真软件软件或者直接的叫做射频电路的仿真软件。从纯电磁场的空间仿真来看，更切合的是ANSYS 旗下的HFSS 、达索旗下的CST 、Candence旗下的AWR，Altair的FEKO 等等这一类软件。

技术积累、工业应用、长期适配以及用户培养成为国外企业垄断的多方面因素和真正构建的壁垒

国外厂商在软件仿真方向经历了长期的技术沉淀、工业应用积累以及后期的不断兼并形成现在的龙头垄断地位。我们从两个角度来看看ANSYS的发展：

产品开发及平台适配历程：

• 1963年，John Swanson博士在美国匹兹堡的Westinghouse的太空核子实验室工作过程中为解决计算机加载温度、压力结构应力变形等问题编写了很多三维分析的程序，构建了原始算法。利用有限元算法程序取代了复杂的手算，节省了大量的人力资源。
• 1969年Swanson博士离开Westinghouse，在自家车库中（熟为人知的车库文化）创立了Swanson Analysis Systems Inc（SASI）,并于第二年发布了ANSYS商用软件。第一个版本仅仅提供稳态热分析及简单的结构分析，且只能在大型计算机上运行。
• 1979年，ANSYS3.0可以在DEC公司的VAX11-780小型计算机运行；
• 1984年ANSYS4.0版本开始支持Intel于1982年发布的80286处理器的PC；
• 1985年ANSYS4.2版本引入优化设计功能（Optimize，常说的暴力优化）；
• 2001年：InternationalTechneGroup Incorporated合作推出了CADfix for ANSYS 5.6.2/5.7，以解决由外部汇入不同几何模型图文件的问题。并购了CADOE S.A 及ICEM CFD Engineering。ANSYS6.0，离散(Sparse)求解模块改进，速度增快，内存消耗减小。图形显示窗背景颜色变为蓝色.
• 2002年4月ANSYS6.1，界面优化，由Tcl/tk所发展。支持Intel Itanium 64位芯片及Windows XP的组合。
• 2002年10月ANSYS7.0，推出系数矩阵直接求解器，计算效率提高比6.0提高了20%-30%。
• 2004年，ANSYS在基于Intel安腾芯片的服务器上面成功在CFX软件上面求解1亿自由度的问题，这是仿真求解规模的里程碑的事件。
• 2009年6月ANSYS12.0，第二代的Workbench，可以通过脚本语言编制适合自己的使用界面。
• 2010年，ANSYS 13.0和CFX 13.0发布。
• 2013年，ANSYS15.0
  

公司收购事件：

• 1994年收购了Compuflo公司。
• 1994年被TA Associates并购，新公司正式改为ANSYS
• 2003年收购CFX， CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求。
• 2006年收购Fluent公司，Fluent是专注于流体动力学方面的仿真，包括流体、热传导等。
• 2006年收购Century Dynamics公司，在流体力学强化了线性、非线性、显式以及多物质流体动力学问题的求解能力。
• 2008年收购Ansoft公司，拓展到电子EDA行业，并且开始提出多物理场仿真 的概念，在ANSYSWorkbench环境中进行交互仿真——可以让工程师可以进行紧密结合的多物理场仿真,这对整个机械电子设计领域起到重要的支撑。
• 2011年收购Apache Design Solutions ，进入集成电路解决领域。
• 2012年收购Esterel Technologies。
• 2013年收购EVEN公司，对复合材料结构分析的应用进行渗透。
• 2014年5月收购3D建模软件公司SpaceClaim，本次收购使得公司的前处理能力大大增强。

ANSYS的产品开发经过长时间的发展，伴随着计算机厂商、操作系统厂商的发展不断进行适配和平台开发工作，经过多轮的产迭代和技术开发形成了稳定、可靠、高效率的产品特性，这是在短时间之内无法构建的能力。

当公司发展到一定程度之后，技术外溢和市场拓展的需求凸显，通过不断的并购向不同的市场应用方向进行渗透，这也是ANSYS在建立多物理场仿真能力做出的努力，这样的规划也将带来一个重要的问题。

国外的其他几家公司，不论是达索，还是其他的，发展路线和规划大致相同，技术源自于工程问题应用，经过长时间的发展，陪伴着工业界、计算机行业等不同方向的发展而不断演变，做了多种平台的适配，解决了众多的bug才能够发展成为现在的产品体系。这是这个行业中头部企业具有的特性。

从并购中也能够发现两个方面的特性：基于已有的算法会不断补充新的算法能力，强化各个阶段处理能力，这是共性的技术能力；通过并购，构建生态，多物理场仿真成为一种趋势。

国外电磁仿真软件逐步成为全面仿真家族的一员，步入并购成为一种常态

国外的电磁仿真软件比较常见的有HFSS（俗称海飞丝）、CST、FEKO、XFDTD、Zeland IE3D，MagNet等等。这些软件大部分都被大型的仿真公司收购、并购成为其多物理场仿真中的一环。

HFSS是Ansoft的公司的软件，在2008年被ANSYS以8.32亿美元（包含现金和股票）的价格收购。

CST原本是德国的Computer Simulation Technology AG公司的软件，是一款功能强大的电磁仿真软件。在2016年8月9日被达索系统以2.2亿欧元的价格收购。

Zeland IE3D在2010年被EDA软件三大巨头的MentorGraphics收购，但是Mentor随后也逃不掉被西门子收购的宿命。

NewFASANT被Altair的FEKO收购。

2017年西门子收购Infolytica公司，其MagNet以及Motorsolve成功将西门子旗下仿真产品组合拓展到低频电磁仿真领域。

大部分商业电磁仿真软件真正自己走到最后的非常少，一方面因为这些巨头仿真企业自己业务发展逐步拓展到电磁仿真方向，结合其他仿真方向构建多物理场仿真是他们必然走向的一种趋势。另外一方面是否有意味着电磁仿真方向独立走出独角兽或者独当一面的上市公司的难度较高，或者整个市场的需求空间存在一定的天花板。从公司被收购的价格上来看，在50亿元左右，是否代表了行业中其他企业发展的价值取向，这也为我们带来了一些思考的空间。

国内电磁仿真软件应用现状堪忧，低成本或零成本应用短期内无法改变

随着中美贸易战的开始，西方国家的技术制裁，人们逐步意识到掌握国产化自主可控的重要性，电磁仿真软件也是其中一个重要的方向。长期以来国外的商业软件的发展形成了巨头垄断效应，国内单位也在长期的应用背景下熟悉使用了国外的这些软件。但是就算是这样的巨头软件公司，在国内仍然面临着大量并且难以解决的问题——盗版软件的使用。

国内的很多公司、高校甚至是研究所使用着各种各样花式的破解软件，国人热衷于破解各类软件放在网上供大家免费下载使用。从使用者的角度来看，不必通过花费巨额的软件费用来获取应用。但是真正从公司、知识产权方面的来看，严重损害了公司正常、合法的利益，同时对整个市场带来了难以短期改变的状况：“我可以低成本或者零成本，为何要花钱？”

电磁仿真的理论是基于麦克斯韦方程组 的，不管是直接求解还是数值分析法，都需要大量的基础理论的研究工作。国内很多高校都有很多很好的算法能力和自己编写的软件，这个阶段我们叫做校园软件。但是一方面这样的软件是针对某一个或者某一类特定计算的问题提出的，并没有做衍生的开发工作形成真正的商业化软件；另外一方面，面对如此的市场环境，如何保证自己的知识产权是一个重要的问题；再者，电磁仿真软件的属性本质上还是工业应用的软件，缺少实际的工业应用、大量的项目支撑，也就造成其在面向科研能展现能力，在面向工业应用如何保证软件的稳定性、兼容性、多平台拓展适应等问题，不再是一个简单的基础理论算法的能力。

国内企业逐步步入工业界，能否从巨头身上撕下一块肉？

近年来我们也逐步看到国内有几家单位开始逐步进入市场：

无锡飞谱：

成立于2014年7月，从事CAE/EDA领域的国产工业软件企业。从其产品上来看，主要专注于电大尺寸 的测试类电磁仿真以及部分天线、电路的建模仿真软件。

从算法上来看，电大尺寸主要还是利用了多层快速多极子（FMM），针对一些非金属介质、凸起结构的细微处理采用了EFIE/CFIE-PMCHWT的方法，解决了FMM在面对介质、非连续性的计算问题。但是FMM方法主要还是在面向50倍波长以下的应用，在超过50倍波长方面并不具有优势，需要考虑结合类似物理光学（PO算法）。

上海东峻：

成立于2011年，但是公司早在2008年开始了最初的技术积累，经过了多年的积淀逐步推出了EastWave仿真软件，在面向电小、大尺寸（50倍波长、100倍波长及以上）方面均有仿真能力。

上市公司：

上海霍莱沃：霍莱沃是在2021年上市，其主要的业务方向是在相控阵的测试，在电磁仿真领域也有部分的业务，2020年的数据中电磁场仿真分析业务营收2900多万，占比达10%左右。

中望软件：

实际上中望并不是专业做电磁仿真软件的公司，我们比较熟悉的产品是其实现部分国产替代的AutoCAD软件。在2018年的时候公司开启了电磁仿真软件的业务，ZWSim-EM，相对而言并没有太多的积累，属于跨界选手。

小编认为从行业中公司的发展历程来看，想要在电磁场仿真方向有一定的市场竞争力的公司需要具备以下的几个特点：

• 拥有原生的技术，不管是基于科研性质产生的，还是基于工业问题解决过程中产生的。原生的技术决定了最基础的代码和算法层面，未来所有的能力都需要建立在这个基础上。
• 长时间的技术迭代和不断的应用适配。国内的企业拥有一个天然的优势，就是站在了前人的肩膀上能够实现快速的研发，不必再经历长时间的计算机硬件发展的伴随成长时期，可以直接在多种成熟的平台上做适配，但是这并不代表这个工作不重要。在前期没有经过多种系统的兼容适配是无法保证软件的稳定性。所以时间尺度是衡量的一个表象指标。
• 算法和软件研发人员在精不在多，背景是门槛，稳定是关键。ANSYS全球员工3000人左右，但是真正在负责电磁方向核心算法研究工作的不过十几人。这不是一个劳动密集型方向，对人员的技术背景、理论基础要求极高。另外一方面，算法底层的重构工作十分复杂，读过别人的代码的人都知道这个痛苦，更别说去改动复杂的算法，因此保持稳定也是一个关键。这个稳定包含了两个方面的因素，一个是核心研发人员的稳定，另外一个是算法层面的稳定，如何实现易拆易用的算法模块是未来构建大型仿真能力的基础。

国外的软件已经实现了大面积的市场占有，国内的企业想要真正做到国产替代，这个任务实际上是非常困难的。在商业化软件应用方向，一方面存在大量盗版软件，另外一方面现有的软件已经和工业融合达到了一定程度，要想短时间内改变用户的使用习惯也是非常困难的。国内的企业要想在商业软件上面大范围和欧美厂家正面碰撞是一个不太合理的选择。

因此找到特定的应用方向作为突破点是非常关键的。一方面要在应用方向上面找到独特之处，例如，要在设计类的电磁软件做就要直面HFSS这样的大型软件。除非能够提供性能明显优于对方的软件，或者在在某些具体的仿真层面（计算速度、建模范围、精准度等等）有自己的优势。另外一方面，要在客户方面做到差异化，传统电子产品研制的公司要进行大面积的替换存在产品特性适应、研发工程师使用习惯、替换成本（自身成本以及连带的其他相关的替换）等等，如何找到有真实需求但是又有大量应用的客户是关键。

电大尺寸的仿真具有一定的特点，真正能够应用的在测试类的需求方面会更多。这一类的客户有刚需的典型的就是军方、研究所这一类。在过去他们存在两种使用特点：习惯使用了欧美的商业仿真软件，但是仿真速度慢，耗费大量的硬件资源；靠经验、靠人判断（具体不展开）。但是武器平台的电磁仿真又是必不可少的，其中存在大量的仿真的需求（软件+服务）。

多物理场仿真是未来发展方向，巨头并购构建生态还是自下而上逐步构建能力完成系统？

多物理场（COMSOL ）：多物理场包括耦合了多个物理现象的计算机仿真，以及针对多个相互作用的物理性质的研究。多物理场的仿真也就是针对多种物理现象之间相互作用、耦合效应进行仿真分析。不管是ANSYS还是达索，这些巨头公司都是在不断并购、收购，整合了不同方向的仿真能力构建起了一个看上去类似CMOSOL的能力。但是从实际的应用效果来看，各个软件仍然处于一个相对独立的应用，这个情况可能将会长期存在而难以解决。这也是之前提到的并购带来的一些问题。不同公司的软件底层不同且庞大，将底层打通将会是一个非常具有挑战的事情，目前来说还没有看到真正做的很好的软件。

要想真正做到稳定、高效的多物理场仿真构建，另外一种方法就是从底层开始自己构建，流体力学、应力、电磁等一点点构建。但是这也将是一个长期且耗费资源的事情（人力及资金）。

最后：一些不成熟的个人观点，欢迎讨论指正！