日本工业软件行不行
本文來自微信公眾號(hào)：知識(shí)自動(dòng)化 （ID：zhishipai），作者：林雪萍
工業(yè)軟件是工業(yè)品，自然源于工業(yè)。那么，為什么德國和日本作為制造強(qiáng)國，在工業(yè)軟件卻好像沒有發(fā)展壯大？其實(shí)，德國也開發(fā)出了多種 CAE 軟件，例如專業(yè)的流固耦合軟件等，卻都沒有發(fā)展出類似美國 Ansys 公司這樣的大型通用 CAE 軟件商。在 CAD 軟件方面，如果拋開西門子公司收購美國軟件公司 UGS 這個(gè)事件，那么德國的軟件名錄看起來也是相當(dāng)不起眼的。日本的工業(yè)軟件與德國的狀況類似，在當(dāng)前工業(yè)軟件領(lǐng)域中，主要還是以使用美國、法國的軟件為主導(dǎo)，輔以很多二次開發(fā)的專用工具。
日本和德國在工業(yè)嵌入式軟件機(jī)器人、汽車控制模塊、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域都稱霸市場，這跟它們的機(jī)械工程強(qiáng)勢有直接關(guān)系。日本在 20 世紀(jì) 80 年代提出的“機(jī)電一體化”，對(duì)其嵌入式軟件發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。但為什么美國通用汽車可以造就 CAD 軟件的興起，日本豐田卻沒有催化出一個(gè)國際通用的 CAD 工具軟件呢？實(shí)際上，無論是在鋼鐵、造船，還是在汽車、家電等行業(yè)，日本都成功地塑造了一些國際化的品牌。日本工業(yè)軟件，是少數(shù)幾個(gè)沒能沖向國際化的行業(yè)之一，這應(yīng)該與日本的“硬件優(yōu)先”傳統(tǒng)有著直接關(guān)系。
1985 年前的光景
在 1980 年前后，統(tǒng)領(lǐng)日本計(jì)算機(jī)硬件市場的五大廠商是 IBM、富士通、日立、NEC 和 Univac，合計(jì)占據(jù)了 90% 左右的市場份額。從富士通公司和日立公司在 1974 年引入 IBM 兼容機(jī)開始，到 1980 年前后，IBM 兼容機(jī)已經(jīng)占據(jù)了日本計(jì)算機(jī)市場 59% 的銷售份額。IBM 系列產(chǎn)品支配了硬件市場，這吸引了很多由 IBM 操作系統(tǒng)支持的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)入日本市場。
在日本公司的 IT 開支中，只有 7% 的費(fèi)用用于外包定制軟件開發(fā)，不到 1% 的費(fèi)用用于購置商用貨架軟件，日本公司絕大部分都是用自研軟件。外部的軟件商，則嚴(yán)重依賴計(jì)算機(jī)主機(jī)廠。在這段時(shí)期，大多數(shù)軟件公司的主要業(yè)務(wù)是為計(jì)算機(jī)主機(jī)廠提供服務(wù)，來自計(jì)算機(jī)主機(jī)廠的收入占據(jù)此類公司收入的 60% 左右。
1980 年前后，日本軟件的價(jià)格幾乎全部是根據(jù)開發(fā)成本或者是工作量來決定的。這意味著大多數(shù)軟件公司不出售技術(shù)，僅依靠人力資源提供技術(shù)服務(wù)。
在日本軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，這是一種作坊式的開端。軟件工業(yè)很大程度上依賴于個(gè)人，程序人員水平的提高優(yōu)先于軟件產(chǎn)品的改善。日本軟件業(yè)的從業(yè)者僅僅被看作是程序設(shè)計(jì)勞動(dòng)力的來源，而不是熟練的專業(yè)設(shè)計(jì)師或系統(tǒng)工程師。
一次失敗的國家嘗試
隨著日本機(jī)械化、工業(yè)化生產(chǎn)的大幅提升，日本計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)業(yè)如日中天，產(chǎn)量迅速增加。軟件則仍停留在手工作業(yè)上，二者之間的供需矛盾日趨明顯。
日本通商產(chǎn)業(yè)省（MITI）及下屬的情報(bào)處理振興事業(yè)協(xié)會(huì)，經(jīng)過近十年的醞釀，打算一舉解決這個(gè)問題。根據(jù)該協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，軟件工程師的供求到 1990 年會(huì)有 60 萬的缺口，到 2000 年缺口將高達(dá) 100 萬。因此，日本通商產(chǎn)業(yè)省（現(xiàn)在的日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省）設(shè)立了一個(gè)國家軟件發(fā)展項(xiàng)目，試圖建立一套全新的操作系統(tǒng)平臺(tái)，方便軟件開發(fā)者使用。當(dāng)時(shí)的日本通商產(chǎn)業(yè)省，由于 20 世紀(jì) 80 年代初期的超大規(guī)模集成電路（VLSI）項(xiàng)目大獲成功，不免有些頭腦發(fā)熱，躊躇滿志，準(zhǔn)備一鼓作氣建立軟件開發(fā)平臺(tái)，以提高軟件開發(fā)效率。
日本政府于 1985 年開始的國家項(xiàng)目 SIGMA，是一項(xiàng)“軟件生產(chǎn)工業(yè)化”行動(dòng)，以消除“軟件危機(jī)”為愿景，推行軟件生產(chǎn)工業(yè)化。它期望建立一個(gè)能為日本軟件開發(fā)者提供生產(chǎn)軟件所需情報(bào)工具軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所設(shè)想的商業(yè)模式是，當(dāng) SIGMA 系統(tǒng)開始經(jīng)營后，運(yùn)營費(fèi)用可以用用戶交的租金來支付。
1986 年 7 月，在日本第 15 屆技術(shù)預(yù)測研討會(huì)上，日本情報(bào)處理振興事業(yè)協(xié)會(huì)系統(tǒng)開發(fā)部部長做了題為“日本軟件開發(fā)與 SIGMA 項(xiàng)目”的報(bào)告，當(dāng)時(shí)已經(jīng)有 60 多家公司參加了該項(xiàng)目。
然而，這個(gè)軟件生產(chǎn)工業(yè)化的目標(biāo)，卻仍然指向?yàn)橛布?wù)。而且這些日本公司誤判了形勢，仍然在進(jìn)行大型機(jī)方面的攻關(guān)，并沒有注意到當(dāng)時(shí)的一種大趨勢，那就是軟件業(yè)正在獨(dú)立地蓬勃發(fā)展。根據(jù)一位日本人士的看法，這個(gè)項(xiàng)目注定會(huì)失敗，因?yàn)樗窃谟?jì)算機(jī)尚不發(fā)達(dá)的前提下開發(fā)的。很多人在項(xiàng)目進(jìn)行中注意到了這個(gè)前提的荒謬，卻無法停下來。因?yàn)橐坏┕谝浴皣翼?xiàng)目”的稱謂，就不能輕易中斷。
五年后，這個(gè)國家項(xiàng)目到了難以維持的地步，因此由 50 家計(jì)算機(jī)制造商和軟件公司出資成立了一家與項(xiàng)目同名的商業(yè)公司，算是為這個(gè)項(xiàng)目站好最后一班崗。1991 年，日本與 UNIX 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織達(dá)成了通用規(guī)范，這標(biāo)志著日本放棄了抵抗軟件標(biāo)準(zhǔn)化的路線。SIGMA 公司無疾而終。
這次失敗，是日本試圖尋求軟件自主化遭遇的一個(gè)重大挫折。SIGMA 項(xiàng)目意圖對(duì)抗的是一個(gè)全球軟件標(biāo)準(zhǔn)化程序的潮流，這個(gè)逆潮流的急先鋒項(xiàng)目很快就變成了一堆廢棄的石頭。日本為此損失了 230 億日元投資，以至于之后再也無法組織像樣的振興軟件國家行動(dòng)。
缺乏強(qiáng)勢的通用軟件，但企業(yè)自研能力很強(qiáng)
日本的鑄造工業(yè)強(qiáng)大，但鑄造仿真軟件并不強(qiáng)勢。日本鑄造仿真軟件 JSCAST 是由大阪大學(xué)的大中逸雄課題組與日本小松機(jī)械聯(lián)合開發(fā)的，至今還是日本銷量第一的鑄造仿真模擬軟件。鑄造仿真軟件的內(nèi)核是流體力學(xué)、傳熱學(xué)求解器。與德國邁格碼（MAGMA）鑄造仿真軟件、美國 FLOW-3D 軟件以及韓國 AnyCasting 軟件相比，日本鑄造仿真軟件有一定差距，其主要的弱勢就在于求解器不穩(wěn)定、計(jì)算速度慢、處理復(fù)雜鑄件的能力較低等。中國國內(nèi)使用日本 JSCAST 鑄造仿真軟件的公司非常少。在世界上，除日本企業(yè)之外，其他國家的企業(yè)也很少會(huì)使用這款日本工業(yè)軟件。
鑄造仿真軟件不強(qiáng)是日本通用工業(yè)軟件實(shí)力偏弱的一個(gè)縮影。相反，日本企業(yè)的自主研發(fā)軟件卻往往很發(fā)達(dá)。
日本電產(chǎn)株式會(huì)社（NIDEC）主要生產(chǎn)中小型馬達(dá)、軸承等零部件。自 1994 年起，日本電產(chǎn)開始量產(chǎn)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的液態(tài)軸承 (Fluid Dynamic Bearing，簡稱 FDB)。隨著硬盤驅(qū)動(dòng)器在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度方面的驚人進(jìn)步，傳統(tǒng)的滾珠式軸承制造在原理上已經(jīng)無法做到讓每一顆滾珠的大小都完全一致。因滾珠間的尺寸差異產(chǎn)生的非周期性振動(dòng)，將導(dǎo)致磁頭無法精準(zhǔn)地在高精細(xì)、高密度的磁道上刻錄 / 讀取數(shù)據(jù)。為了探索液態(tài)動(dòng)壓軸承的最佳結(jié)構(gòu)，日本電產(chǎn)逐漸走上了內(nèi)部開發(fā)、自主研發(fā)建模技術(shù)和仿真軟件之路。
率先量產(chǎn)的日本電產(chǎn)液壓動(dòng)態(tài)軸承發(fā)展速度驚人，月產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了跨越性的突破，2000 年前后曾經(jīng)大幅擴(kuò)充產(chǎn)品種類。到 2002 年，液態(tài)動(dòng)壓軸承已成為主軸馬達(dá)用軸承的主流產(chǎn)品。隨著產(chǎn)量從幾萬臺(tái)、幾十萬臺(tái)上升至幾百萬臺(tái)，采用檢查少量試制品生產(chǎn)中的品質(zhì)管理方法，顯然已經(jīng)不合時(shí)宜。因?yàn)橐獧z查到異常現(xiàn)象，往往需要制作 1000 個(gè)以上的試制件來代表不同的模式，耗時(shí)耗力，成本也相當(dāng)高。
為了讓這項(xiàng)工作從車間轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)室，日本電產(chǎn)決定采用 CAE 軟件進(jìn)行仿真，從而改變對(duì)所有驗(yàn)證案例采用“創(chuàng)意、修改和再設(shè)計(jì)”的試錯(cuò)式檢測流程。然而，市場上通用的仿真軟件，應(yīng)對(duì)這種特殊產(chǎn)品乏力，于是日本電產(chǎn)決定在公司內(nèi)部開發(fā)獨(dú)有的解析軟件。這樣做的最大好處是，可以將范圍鎖定為液體動(dòng)壓軸承的特有機(jī)能，用二維模型定義三維模型，降低振動(dòng)模型的自由度，僅以設(shè)計(jì)上特別需要的現(xiàn)象作為對(duì)象，進(jìn)行建模并實(shí)施計(jì)算。由此，可以在有限的計(jì)算能力內(nèi)，進(jìn)行必要的剛性和衰減性的仿真計(jì)算。
利用仿真計(jì)算，可以隨時(shí)將軸和軸承之間的間隙參數(shù)變更為 1000～2000 種不同的模式，也能在幾十分鐘內(nèi)迅速得出計(jì)算結(jié)果。這種技術(shù)現(xiàn)在也被用于風(fēng)扇馬達(dá)的液態(tài)動(dòng)壓軸承。隨著社會(huì)在電氣化的發(fā)展，汽車、家電等產(chǎn)品對(duì)高效率、靜音、低振動(dòng)等的要求也愈來愈高，這種針對(duì)性極強(qiáng)的 CAE 技術(shù)正在發(fā)揮更大的作用。
日本電產(chǎn)的 CAE 軟件部門，本身也是設(shè)計(jì)、工藝和制造體系的一個(gè)融合環(huán)節(jié)。它與設(shè)計(jì)部門同屬于一個(gè)組織，一起進(jìn)行軟件的開發(fā)和升級(jí)；當(dāng)碰到高難度的項(xiàng)目時(shí)，CAE 軟件部門也會(huì)跟日本電產(chǎn)的中央馬達(dá)基礎(chǔ)技術(shù)研究所合作，進(jìn)行共同開發(fā)。
從零件設(shè)計(jì)到模塊和單元設(shè)計(jì)，一直到安裝有模塊或單元的殼體側(cè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，日本電產(chǎn)都可以通過自主 CAE 技術(shù)完成。日本電產(chǎn)從一家馬達(dá)、軸承供應(yīng)商逐步進(jìn)化成一個(gè) OEM 廠商所依賴的關(guān)鍵戰(zhàn)略伙伴，其中自主研發(fā)的 CAE 軟件起到了重大作用。
共生式發(fā)展與高度嵌入的策略
日本是全球第三大經(jīng)濟(jì)體，擁有世界一流的制造業(yè)。日本軟件在銷售方面僅次于美國軟件，機(jī)床、機(jī)器人和汽車行業(yè)的嵌入式軟件獨(dú)步全球，日本軟件質(zhì)量與生產(chǎn)率也不在美國軟件之下。然而，日本的軟件產(chǎn)品與服務(wù)卻越來越缺乏全球競爭力，丟失全球存在感。日本軟件業(yè)在強(qiáng)大的軟件開發(fā)能力與虛弱的軟件能力之間橫亙著巨大的鴻溝，這是日本軟件業(yè)留給人們的巨大迷思。
不少學(xué)者也注意到了這一現(xiàn)象。美國伯克利大學(xué)的 Cole 和 Nakata 教授在 2014 年對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的分析。其中有兩點(diǎn)結(jié)論令人印象深刻：一個(gè)原因是日本軟件業(yè)中有大量 IT 軟件外包公司，為具有適度軟件技能的員工創(chuàng)造了“藍(lán)領(lǐng)”職位，而對(duì)優(yōu)秀軟件架構(gòu)師／設(shè)計(jì)師的需求不足，進(jìn)而導(dǎo)致軟件創(chuàng)新度不夠。另外一個(gè)原因則是日本對(duì)“造物”的崇拜。
硬件工程師無論是收入，還是社會(huì)地位，都要比軟件從業(yè)人員要高。日本卓越的硬件制造形成的“路徑依賴”，使得軟件行業(yè)無法成為一個(gè)吸引優(yōu)秀人才的行業(yè)。美國五分之一的軟件開發(fā)者接受過研究生教育，而在日本這個(gè)比例僅為十分之一。在博士學(xué)位方面，兩國軟件開發(fā)者之間的差距更大。
20 世紀(jì) 90 年代初，日本大型制造和服務(wù)公司的信息技術(shù)能力有所減弱。大公司將其 IT 部門剝離為子公司，開始更多地依賴這些子公司和其他系統(tǒng)集成商及其分包商。在隨后的三十年，盡管電子公司已進(jìn)化成 IT 公司，但傳統(tǒng)電子工程師思維依然統(tǒng)領(lǐng)企業(yè)高級(jí)職位。日本公司重硬輕軟，其組織結(jié)構(gòu)往往是機(jī)械工程師、化學(xué)工程師在頂層決策位置，而電子工程師、軟件工程師位于底層。以硬件為中心的路線長期延續(xù)，而軟件的角色仍然被視作功能的輔助和控制器。
Nakata 教授在報(bào)告中提到，二十年以前曾有學(xué)者警告美國，星羅棋布的美國硅谷小公司在財(cái)務(wù)資源方面難以跟日本大型高技術(shù)綜合制造商相匹敵。日本大公司青睞的“工廠生產(chǎn)”（factory approach）軟件開發(fā)方法優(yōu)于美國占主導(dǎo)的“工匠主導(dǎo)”（craft approach）軟件開發(fā)方法。換言之，繼制造業(yè)取得成功之后，日本正在成為世界軟件工業(yè)的重要一極。
現(xiàn)在看來，這個(gè)預(yù)測并沒有發(fā)生。事實(shí)上，大型企業(yè)和小型軟件的嵌套關(guān)系，構(gòu)成了日本工業(yè)軟件的一個(gè)突出特點(diǎn)。為了理解日本工業(yè)軟件與終端用戶行業(yè)的密切關(guān)系，脫胎于日產(chǎn)汽車的一家工業(yè)軟件公司是一個(gè)上佳的案例。
日產(chǎn)汽車公司早在 1987 年就開始自行開發(fā)的 CAD 軟件和 CAE 軟件，十年后他們成立一家獨(dú)立的日產(chǎn)軟件公司，將產(chǎn)品應(yīng)用于日產(chǎn)和雷諾車型的研制。在世紀(jì)之交，富士通取得了這家軟件公司的全部股份。隨后，作為大型計(jì)算機(jī)和軟件系統(tǒng)的代表，富士通將各種機(jī)械和汽車的 CAD 軟件，以及其他與制造業(yè)相關(guān)的軟件技術(shù)，如輕量化三維設(shè)計(jì)、工藝表管理、預(yù)覽工具等，都放到旗下的這家公司，而產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理則使用開源軟件。在這家公司最關(guān)注的汽車行業(yè)（銷售額占比超過 70%），其旗下的品牌產(chǎn)品，加上所代理的西門子軟件，都緊密地嵌入汽車設(shè)計(jì)行業(yè)的流程，完整地體現(xiàn)了“機(jī)械、電氣、操作的融合設(shè)計(jì)”。全面了解該企業(yè)的所有軟件之后，可以發(fā)現(xiàn)，它們完全是伴隨著一個(gè)工廠的研制全套業(yè)務(wù)流程展開。這給人留下極深刻的印象。
另外一家日本 CAE 軟件公司，則是日本富士軟件（Fujisoft）旗下的 Cybernet 公司。富士軟件全球有 2 萬多員工，這家 CAE 軟件公司則專注于仿真領(lǐng)域。美國科學(xué)計(jì)算軟件 MATLAB 被 Cybernet 公司引入日本豐田，并迅速成為主流軟件。后來 MATLAB 軟件所屬的美國 MathWorks 公司在日本建立了辦事處，Cybernet 公司就收購了其競爭對(duì)手加拿大的 MapleSoft 軟件公司，以豐富自己的產(chǎn)品線。Cybernet 公司就像一座日本少有的喜歡吞噬新鮮空氣的活火山，一直在采用收購的方式，獲取全球軟件的資源。實(shí)際上，作為美國仿真軟件 ANSYS 的代理商，Cybernet 公司圍繞著企業(yè)用戶的需求，將代理產(chǎn)品、自研產(chǎn)品和并購產(chǎn)品嵌套在一起，形成一套完整的解決方案。
日本還有一家叫做 JMAG 的電氣設(shè)計(jì)軟件公司，但這家公司很難講是完全獨(dú)立的。日本的獨(dú)立公司背后總能看到財(cái)團(tuán)的影子，JMAG 公司就有住友銀行的背景。
大多數(shù)日本人喜歡進(jìn)入大公司工作，因?yàn)楸容^體面，進(jìn)入小公司的人則比較少。這也導(dǎo)致日本創(chuàng)業(yè)公司比較少，限制了軟件業(yè)所需要的蓬勃活力。
日本的工業(yè)軟件，在國家行動(dòng)失敗后，選擇了高度嵌入全球化的策略。以通用軟件為基礎(chǔ)，將自己的行業(yè)制造專業(yè)知識(shí)加載其中，然后與用戶緊密綁定，這種策略成就了強(qiáng)大的日本制造業(yè)。但是，對(duì)于國產(chǎn)化 CAD 軟件、CAE 軟件以及 EDA 軟件，日本恐怕已經(jīng)早已失去了目標(biāo)和動(dòng)力。
總結(jié)
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