國產(chǎn)科學計算軟件產(chǎn)業(yè)：悄然崛起 未來可期

薛巖

如今，航空航天、生物信息、金融科技、天氣預測等領域都離不開功能強大的科學計算軟件。

筆者了解到，由北京大學數(shù)學科學學院副院長、北京大學重慶大數(shù)據(jù)研究院副院長李若教授領銜的科研團隊，研發(fā)了首款具有完全自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)通用型科學計算軟件——北太天元數(shù)值計算通用軟件（以下簡稱北太天元）。其底層數(shù)學函數(shù)替換率達77%，功能函數(shù)替換率達55%，打破了長期以來這一領域被國外公司壟斷的局面，填補了國內(nèi)空白。目前，北太天元已在教育、汽車制造、能源電力等領域應用。

近年來，悄然崛起的國產(chǎn)科學計算軟件不只有北太天元。我國一些企業(yè)在這一賽道多有布局，并取得相應成果。

在多個領域用途廣泛

科學計算軟件可再現(xiàn)、預測和發(fā)現(xiàn)客觀世界運動規(guī)律和演化特性，建立數(shù)學物理模型、研究計算方法、開發(fā)應用程序、進行模擬計算并分析計算結(jié)果。具體來說，科學計算軟件分為專業(yè)型科學計算軟件和通用型科學計算軟件兩大類。

“科學計算軟件能模擬真實條件下無法或難以進行的實驗?！崩钊粽f，“例如想要研究海嘯、地震、核爆炸的破壞強度，人們不可能進行真實實驗，但卻可以通過科學計算軟件來模擬?！?/p>

“同時，它還能降低真實實驗成本?！崩钊襞e例，傳統(tǒng)的造車方式容錯率低且成本高。如今，借助科學計算軟件，工程師可以構建汽車模型。在沒有汽車實物的情況下，相關人員也能直觀分析車輛動力性能等關鍵指標，預判汽車可能出現(xiàn)的問題并作出調(diào)整。這大幅降低了生產(chǎn)成本，提高了研發(fā)效率，有利于提升產(chǎn)品性能。

不僅如此，科學計算軟件在高校教學中也頗受歡迎。比如，在數(shù)學教學領域，科學計算軟件已成為數(shù)學分析、線性代數(shù)、概率統(tǒng)計等相關課程的基本教學工具?！案叩葦?shù)學中有很多抽象概念，學生學習起來難度較大?？茖W計算軟件可以用圖像加深學生對這些概念的理解?！崩钊粽f，“尤其是它能將數(shù)據(jù)可視化，這對學生理解空間解析幾何很有幫助?！?/p>

相關資料顯示，在控制、機械、電氣、電子、通信、熱能等專業(yè)領域，科學計算軟件也已成為核心原理講解、實驗驗證及科研實踐不可或缺的工具。同時，它在工科專業(yè)教學中也發(fā)揮著關鍵作用，許多驗證性實驗都基于科學計算軟件搭建。

打破外國軟件巨頭壟斷

長期以來，我國科學計算軟件市場被國外軟件巨頭壟斷。以業(yè)內(nèi)領軍科學計算軟件之一——MATLAB為例，其早在20世紀80年代就進入中國市場，目前這一軟件支持的行業(yè)多達15個以上。

時下，由中國自主研發(fā)的科學計算軟件正在改變這一狀況。

以北太天元為例，2020年10月以來，李若帶領團隊在北京大學數(shù)學科學學院開啟北太天元“0—1”內(nèi)核原創(chuàng)研究后，在北京大學大數(shù)據(jù)分析與應用技術國家工程實驗室進行北太天元技術孵化。2021年，團隊入駐北京大學重慶大數(shù)據(jù)研究院，推動北太天元“1—10”產(chǎn)品孵化。2022年6月，北京大學重慶大數(shù)據(jù)研究院依托北太天元孵化了北太振寰（重慶）科技有限公司，進一步推動國產(chǎn)科學計算軟件發(fā)展。

據(jù)北太天元相關研發(fā)人員介紹，產(chǎn)品從零開始自主開發(fā)，目前擁有常用功能函數(shù)1500多個、核心數(shù)學函數(shù)400個以上，已基本滿足高校教學和研究需求。同時，它具有科學計算、并行計算、函數(shù)繪圖、算法開發(fā)、數(shù)據(jù)處理等功能，應用范圍涵蓋大部分科學和工程計算領域。目前該產(chǎn)品已突破國產(chǎn)通用型科學計算軟件內(nèi)核的根技術，在完成軟件專利的基礎上適配了國內(nèi)軟硬件環(huán)境。據(jù)團隊相關人員介紹，北太天元完全兼容國外同類產(chǎn)品并支持中文變量編程。基于此，用戶可以保留以往的工作習慣和語法習慣，高效率、低成本地完成軟件使用的過渡，將更多精力投入到自主創(chuàng)新工作中。

筆者梳理發(fā)現(xiàn)，蘇州同元軟控信息技術有限公司研發(fā)的新一代科學計算與系統(tǒng)建模仿真平臺MWORKS，北京世冠金洋科技發(fā)展有限公司研發(fā)的GCAir系統(tǒng)仿真測試驗證一體化平臺和GCKontrol系統(tǒng)設計與仿真軟件，也已經(jīng)被應用于教育、科研等領域。

盡管國產(chǎn)科學計算軟件技術不斷發(fā)展，相關市場規(guī)模不斷擴大，但這一行業(yè)也面臨技術研發(fā)能力不足等問題。

李若認為，國產(chǎn)科學計算軟件在計算效率等技術層面仍有待提升。比如，在執(zhí)行一些命令時，國產(chǎn)科學計算軟件的運算速度與國外競品相比仍有差距。

在北京大學重慶大數(shù)據(jù)研究院基礎軟件科學研究中心主任助理廖漢卿看來，開發(fā)科學計算軟件不可能一蹴而就?！翱茖W計算軟件解決的是底層邏輯計算難題，其平臺性、工具性等特點決定了它是一種底層的、基礎性的軟件，開發(fā)周期長、難度大、高層次人才需求量大?！彼a充，即便產(chǎn)品進入市場，也不意味著研發(fā)工作結(jié)束。研發(fā)人員還需要重視用戶反饋，不斷對軟件進行完善。

協(xié)同發(fā)力解決痛點問題

當前，國產(chǎn)科學計算軟件已經(jīng)擁有一定的算法實現(xiàn)能力，并突破了內(nèi)核的根技術。在技術創(chuàng)新、效率提升以及數(shù)據(jù)安全等多重訴求驅(qū)動下，智能汽車、金融科技、高校教育與科研等領域正展現(xiàn)出對國產(chǎn)自研通用型科學計算軟件的迫切需求。在業(yè)內(nèi)專家看來，下一步，應從人才支撐、政策支持、創(chuàng)新生態(tài)建設等方面發(fā)力，進一步助推產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

首先，需要培養(yǎng)一批既有軟件研發(fā)能力，又有專業(yè)背景的人才?？茖W計算軟件包含大量不同的數(shù)據(jù)模型，其工具箱更是涵蓋數(shù)學、電子信息、機械工程等諸多學科內(nèi)容。因此，其開發(fā)離不開既懂編程、又精通某一專業(yè)的交叉學科人才。

其次，政策支持也不可或缺。“科學計算軟件的發(fā)展離不開應用場景。要想激發(fā)企業(yè)創(chuàng)造更多應用場景，需要國家政策的大力支持，包括推進重大工程中的關鍵軟件應用、進一步完善知識產(chǎn)權保護制度等?！绷螡h卿認為，產(chǎn)品在新應用場景中會被不斷打磨，實現(xiàn)迭代。這不僅有利于提升我國在科學計算領域的人才培養(yǎng)質(zhì)量，還能進一步增強市場競爭力與創(chuàng)新活力。

最后，國產(chǎn)科學計算軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開生態(tài)建設?！斑@里的生態(tài)包含科學計算軟件的底層函數(shù)、數(shù)學庫、運行環(huán)境、行業(yè)應用等。”李若建議，高校、企業(yè)、軟件開發(fā)者等各方要通力合作，打造具有競爭力的軟件生態(tài)環(huán)境，更好地發(fā)展創(chuàng)新技術，推動我國科學計算軟件走得更遠。

工業(yè)軟件市場發(fā)展動能強勁

工業(yè)軟件被譽為工業(yè)制造的大腦和神經(jīng)。近年來，隨著使用需求的提升，國產(chǎn)科學計算軟件的進步，相關政策支持力度的加強，我國工業(yè)軟件市場前景廣闊，相關產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

工業(yè)和信息化部數(shù)據(jù)顯示，2023年，我國工業(yè)軟件產(chǎn)品實現(xiàn)收入同比增長12.3%。中商產(chǎn)業(yè)研究院分析師預測，2024年全年中國工業(yè)軟件市場規(guī)模將達3073億元。國際數(shù)據(jù)公司預測，中國核心工業(yè)軟件市場規(guī)模將從2023年的273.6億元增長到2027年的579.6億元，年復合增長率將達20%。

得益于技術、行業(yè)、政策等因素多輪驅(qū)動，眾多國產(chǎn)工業(yè)軟件企業(yè)涌現(xiàn)。國電南瑞科技股份有限公司、上海寶信軟件股份有限公司、中控技術股份有限公司等企業(yè)紛紛入局并研發(fā)出相關產(chǎn)品，為國產(chǎn)工業(yè)軟件市場增添發(fā)展動能。

北京數(shù)碼大方科技股份公司董事長兼總裁雷毅在接受媒體采訪時表示，未來十年是國產(chǎn)工業(yè)軟件的“黃金十年”，更是工業(yè)軟件發(fā)展的重要“窗口期”。未來十年，中國一定會出現(xiàn)能與國際一流工業(yè)軟件企業(yè)同臺競技的國產(chǎn)工業(yè)軟件企業(yè)，也一定會形成共同服務制造業(yè)的工業(yè)軟件生態(tài)。