有哪些科技业内人士才知道的「卡脖子」难题？

空白派

在实现科技自立的路上，我们还有哪些问题需要解决？未来又离我们有多远？
品玩联合知乎「吾辈问答」，邀请大家来聊一聊：
有哪些科技业内人士才知道的「卡脖子」难题？
让我们一起，向科学要答案。



原文地址：https://www.zhihu.com/question/459892523

感恩由您

工业软件就很卡脖子啊，比如说工业软件中的仿真方向，基本上欧美产品在国内的市场占有率超过99%，比如：结构和固体力学分析软件
<hr/>主流求解器：
Abaqus 通用有限元分析软件，【法国达索】
Ansys 通用有限元分析软件，以隐式方法为主，【美国Ansys】
LS-Dyna 通用有限元分析软件，以显式方法为主，【美国Ansys】
MSC.Nastran 通用有限元分析软件，以线性方法为主，【美国MSC】
MSC.Marc 通用有限元分析软件，以隐式方法为主，【美国MSC】
MSC.Dytran 通用有限元分析软件，以显式方法为主，【美国MSC】
<hr/>稍微小众一点的：
Adina 通用有限元分析软件，【美国】
Algor 通用有限元分析软件，【美国】
Code Aster 开源结构有限元分析软件，【法国】
Calculix，开源结构有限元分析软件，【美国】
Sap2000 土木结构有限元软件，【美国】
Comsol 多物理场有限元软件，【瑞典】
Deform 工艺仿真软件，以显式方法为主，【美国】
Fe-safe 疲劳分析软件，【美国Ansys】
Ncode 疲劳分析软件，【英国】
Tosca 优化分析软件，【德国】
Optistruct 优化分析软件，【美国Altair】
Flac3D 有限差分法岩土工程软件，【美国】
Simsolid 无网格法，【美国Altair】
Adams 多体动力学分析软件，【美国】
<hr/>前后处理：
Ansa 有限元前处理软件，【希腊】
Hypermesh/Hyperview 有限元前后处理软件，【美国Altair】
Tecplot 后处理软件，【美国】
<hr/>几何建模：
Catia 三维建模软件，【法国达索】
UG 三维建模软件，【德国西门子】
SolidWorks 三维建模软件，【法国达索】
Pro/E 三维建模软件，【美国】
AutoCAD 以二维建模为主，【美国Autodesk】
Inventor 三维建模软件，【美国Autodesk】
<hr/>这里只是列举了一小部分主要的结构和固体力学软件，其实经常用的还有流体力学，低频/高频电磁场，声学，热力学等等等学科涉及到的分析软件，这些学科都可以列举出一大堆软件。例如Fluent【美国】，HFSS【美国】，Ansoft【美国】，CFX【美国】，Flotherm【德国】，Openfoam【美国等等等，以及数学类的软件Matlab【美国】，Mathematica【美国】，Maple【加拿大】，Intel mkl【美国】，PetsC【美国】，MOOSE【美国】等等等。
以上这些软件都可以算是卡脖子。
<hr/>好消息是，国产自主研发也慢慢开始发展，虽然落后的还有点大，大概20到30年左右的差距，并且似乎差距还在不断方大，但开始发展了总比过去基本没有强。
这里就贴一些国产非线性有限元软件Simdroid的结果动画：





Simdroid软件界面：


操作视频：
Simdroid 由北京云道智造科技有限公司研发，即将推出3.5版本，软件包含固体力学，低频电磁场，流体力学，和固体传热四个主要的求解器，包含完整的建模，前处理，网格，后处理模块，均为自主研发。
同时正在研发的包括：显式动力学，多体动力学，高频电磁场求解器。
Simdroid的定位是一款通用仿真软件，云道智造还推出专用的电子散热仿真软件Simetherm，即将发布1.0版本，Simetherm视频：

此外，还有一款基于浏览器的线上云仿真产品SimCapsule，在线体验网址：
http://www.simcapsule.cn

卡卡

还有很多问题，任重道远……
说个比较小众的，“人造”日全食。
大家都知道，日食是一种比较稀有的天文现象，日全食就更为罕见。每一次日全食都是一场“天文盛宴”，被世界各地的天文工作者视为解开太阳物理领域诸多谜题的良好时机，可以做很多很多研究。
比如：测算太阳辐射对地球电离层的影响；研究日冕复杂的形态学和活动现象；开展日冕区域的电子密度和温度研究；寻求太阳耀斑和日冕物质抛射触发机制的观测证据；寻找太阳黑子变化的成因；查证太阳磁场与日冕结构和活动的相互作用；深入探索影响近地空间环境和驱动日地空间灾害性天气的源动力，为灾害性空间天气预报提供基础数据。



图1. 日全食时观测的日冕绿线和日冕红线结构（图片来源：Hubbal et al.2011）

可惜的是，这种“良机”不是天天有。而且，真正全食的持续时间其实很短，对于天文研究人员来讲，能获取的数据量远远不够。
怎么办呢？
机会少，那就创造机会！因此，一种“人造日全食”的方案，被提了出来。
数量不够，人造来“凑”

天文学家通过“人造月亮”，研制了一种特殊的天文望远镜——日冕仪，开启了非日全食时的日冕观测时代。
对于解决日冕物质抛射的产生问题，以及为日冕加热等科学问题寻找答案来说，日冕仪的出现都意义非凡。
简单说，可以把它理解成一种安装了遮挡盘的望远镜，功能就是在没有日全食时，通过仪器的特殊结构模拟太阳在日全食时的影像，进行日冕观测。
传统的日冕仪按组成结构可分为：内掩式、外掩式。
内掩式日冕仪是将物镜放置在望远镜前端，在物镜成像的一次像面处设置一遮挡板（内掩体），该遮挡板就相当于日全食时的月亮。壮观绚丽的日冕光通过二次成像系统，就能进入我们的视线。
它长下面这样：



传统内掩式日冕仪成像原理示意图（袁鸿昌等，2019）

外掩式日冕仪是在物镜前端安置遮挡板（外掩体），遮挡太阳直射光，日冕光经物镜一次成像后，进入准直系统，并经二次成像系统，尽收眼底。
用日冕仪观测到的日冕是这样的：



数据由丽江日冕仪观测站提供

早在1930年，世界上第一台日冕仪就诞生了。
法国人B. Lyot发明了内掩式日冕仪，在海拔2870米大雪之后的比利牛斯山上，成功观测到日冕，这是人类向“人造日全食”迈出的“里程碑”式一步。



法国人B.Lyot在开展日冕观测（图源：Wikipedia）

自此之后，随着观测目标和加工工艺的不断改进，瑞士、德国、美国、俄罗斯等国家先后将日冕仪作为地面常规设备，开展了日冕连续观测。日冕仪的探测视场、时间/空间分辨率、杂散光抑制水平不断提高，并由地面观测步入了自主空间探测。
目前，日冕仪已经成为太阳物理和空间天气科学研究和监测的必不可少仪器。
但是，直到2018年10月22日，我国自主研制的日冕仪样机才在丽江日冕仪高海拔试验基地成功获得绿线日冕图像。
“不就是造个特殊望远镜吗？有这么难吗？”

读到这儿，你的心中是不是出现了这个疑问？
“人造日全食”之所以不容易，主要是有两项关键技术需要攻克：一是日冕仪杂散光的抑制能力，二是为日冕仪的地面观测选择台址。
在观测中，除了我们想要观测的日冕的光，其他光都是杂散光，包括太阳直射光，玻璃材料不够纯净、有杂质引起的散射光，甚至光学组件边缘的衍射光，等等。在设计日冕仪的时候，需要进行建模分析，通过设置掩体、运用高精尖抛光技术、选用优质玻璃等种种操作，把杂散光尽量消除。
但是，因为日冕的亮度比太阳光球层要暗很多（我们一般用 表示日面中心亮度，日冕能暗到 ），所以难度非常大。
日冕仪组装完成后，要想成功获得“人造日全食”，还有关键一步，就是需要优良的日冕仪观测台站。
看太阳，还需要挑选地方？
当然！
日冕光从太阳传输至地面日冕仪的入射窗口，其实可以分为两个过程：第一阶段是日冕光经行星际空间传输至地球大气上界；第二阶段是经地球大气，从地球大气上界传输至地面日冕仪窗口。



日冕可见光辐射中K、F、E冕分量随高度的变化（图片来源：涂传诒等.2020）

在第一阶段，日冕光不受地球大气扰动影响，可以认为很稳定。在第二阶段，日冕光经大气上界传输至地面日冕仪窗口，主要受到大气散射和气溶胶吸收的影响。即使在一些空气非常稀薄的高山上，大气散射的量级也能达到 。
所以，在地面上开展日冕仪观测，必须进行日冕仪台站选址工作。
我国的日冕仪研究正在追赶中

与发达国家相比，我国日冕仪研制起步较晚，最早的日冕仪研制始于南京。1959年6月由南京大学组织在甘肃祁连山朱龙关地区开展日冕仪测试，但受到了当时仪器简陋和观测环境的限制，未能成功拍摄到日冕图像。
几十年后，我们中国西部太阳选址队伍携带科学设备先后考察了新疆、西藏、宁夏、青海、四川和云南等省市的60多处址点。通过科学分析，结合交通、气象气候要素、地理地质条件、社会和人口发展等方面的统计数据，获得了数个较理想的日冕仪台站候选点。
如今，在国际合作的基础上，我们于2013年在海拔3200米的云南天文台丽江天文观测站完成了日冕仪的建设。这不仅开启了我国非日全食时的日冕观测，而且证明了我国西部高海拔地区的确存在符合地基日冕仪观测的优良址点，为我国日冕仪的研制，夯实了基础。
经过对日冕仪不断升级改造，并与国内重点大学、研究所开展交流合作，2017年，团队又完成了丽江日冕仪高海拔实验基地的建设。同时，团队还集中了优势力量开展与山东大学（威海）、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科技大学、国家天文台、紫金山天文台等单位的合作。
正是在这些努力下，2018年10月22日，我国自主研制的日冕仪样机才在丽江日冕仪高海拔试验基地成功获得了绿线日冕图像。
这次试验的成功是我国在日冕仪关键技术上的历史性突破，标志着我国已经步入国际日冕仪研制梯队。
虽然取得了这样的突破，但科学家们心里都非常清楚，我们和国际第一梯队还有不小的距离。因此，在成功获得日冕图像后，科学家们马上投入了新的研究。
这一次，他们将目光投向了太阳K冕亮度的研究。
K冕由日冕中自由电子散射太阳光球层的直射光而形成，K冕的亮度能够反映日冕中自由电子和离子密度的分布。太阳爆发活动中的日冕物质抛射，是日冕物质在较短时间内被大规模抛出太阳表面的现象，是太阳大气中最剧烈的爆发活动，也是来自太阳最大规模和最具破坏性的爆炸。日冕物质抛射携带了大量日冕等离子体，其密度的动态变化与K冕形成机制极为相关，K冕的观测具有重要科学研究价值。
K冕观测对日冕仪杂散光抑制水平和日冕仪台站的观测条件要求非常高，两者缺一不可。因此，能够观测到K冕，是日冕仪研究达到高水准的一种标志。
为探究太阳K冕亮度，就需要研制白光日冕仪。依托云南天文台承担的中科院先导A“鸿鹄专项”子课题“日冕仪临近空间搭载实验”实验任务，研究人员在海拔近4800米的四川甘孜州稻城县不断进行着试验与改进。



四川省甘孜州稻城县无名山日冕仪试验

终于，2021年，由我国自主研发的白光日冕仪在稻城县的无名山成功获得日冕白光像。



我国科学家在四川省稻城无名山首次获得日冕白光像

白光日冕仪的成功试验，为K冕研究提供了观测数据，在我国尚属首次，标志着我国的日冕仪研制技术又迈上了新的台阶。
可能也有人会问，日冕仪有研究的必要吗？
首先，基础科学研究的重要性是很多回答里都反复提到的。其次，仅针对日冕仪来说的话，在太阳物理领域，有一个经典问题，是“为什么日冕那么热”。这是《科学》评选出的当代天文学的八大未解之谜之一。但有关“日冕加热”的理论解释存在诸多争议，关键是没有强有力的观测证据。如果开展日冕磁场直接测量，或者发射足够接近太阳的探测器，在关键技术和观测发方法上获得突破，将有望获取“日冕加热”问题的直接观测证据。而日冕仪在这些关键问题研究中都起着重要作用。
令人欣喜的是，我国的日冕仪研制队伍正在逐渐壮大，脚踏实地、行稳致远。在日冕仪研究领域，先后开展了地基日冕仪研制计划、SST空间太阳望远镜计划、“夸父”探测计划和太阳极轨射电望远镜计划、“子午工程二期”地基光谱成像日冕仪、先进太阳天文台ASO-S搭载的日冕仪等等。这些未来的“人造日全食”，或许会让日全食变得不再“稀有”。
无名山的故事还将继续

“操千曲而后晓声，观千剑而后识器”，科技创新没有捷径，求真务实才是进步的阶梯。
日冕仪的研制和日冕研究，只是太阳物理研究中的一个方向，在整个科学与技术领域中占据的分量就更小了。
不过，从它的身上，我们能看到很多科研难题的影子。我们的很多研究起步都很晚，还处于追赶状态，甚至有的领域可能刚刚起步。
但是，我们相信，像无名山的故事一样，有科研人员的付出和创造，我们与那些炽热的答案之间的距离将越来越近，期待着一次次的靠近！
参考文献：
[1]  Xia,L.D.,Marsch, E. and Curdt, W., On the outflow in an equatorial coronal hole,Astron. & Astrophys.,399,L5-L9,2003.
[2]. Tian, H., Marsch, E., Tu, C.-Y.,Xia, L.-D., He, J.-S., Sizes of transition region structures in coronal holes and in the quiet Sun,Astron.Astrophys.,482(1),267-272,2008.
[3]. Evans,J.W., The Sun Edited by Gerard P. Kuiper, The University of Chicago Press.,Chicago (1953).
[4]. Tian H , Tomczyk S , Mcintosh S W , et al. Observations of Coronal Mass Ejections with the Coronal Multichannel Polarimeter.2013.
[5]. 苏定强,日冕仪的設計、制造和試驗[J].南京大学学报（自然科学版）,1959（01）：9-24.
[6]. Wang,Yuming；Ji,Haisheng;Wang,Yamin;Xia,Lidong et al.Concept of the Solar Ring Mission:Overview[J].Science China Technological Sciences,2020.
[7]. M. N. Gnevyshew, G. M. Nikolsky, A. A. Sazanov. The Lyot-coronagraph with 53cm objective[J]. Solar Physics, 1967,2(2):232-226.
[8]. 涂传诒，宗秋刚等. 日地空间物理学(上册)[M]. 科学出版社, 2020.
[9]. 袁鸿昌，张红鑫，孙明哲. 内掩式日冕仪衍射杂散光抑制方法[J].中国科学，2019（11）：1343-1349
作者：张雪飞，刘煜，赵明宇（中国科学院云南天文台）
出品：科普中国
监制：中科院计算机网络信息中心
（内容编辑有改动）

感恩由您

就软件来说，“把开源的东西包装成自研”卡了真正自研的脖子，因为“反正包装一下就有自研了你还真自研干嘛”。

长长的路

基础科研仪器和科学软件支撑严重不足。
基本上所有的基础科研仪器，都是被国外技术垄断的。我用过的包括超高速离心机，培养箱，超纯水机，色谱柱，核磁共振，质谱仪，荧光显微镜（物镜，CCD，滤色片，激光器等等，整个就只有光学平台国产质量比较好），SPR，色谱仪。。。
科学软件包括仪器操作软件，包括数据处理软件，包括画图软件，包括写论文管理参考文献软件，很多都是国外的付费软件。
难以想象如没有这些仪器和软件我们如何进行基础科研。更关键的是，即便我们满足于现有仪器和软件功能，但是人家迭代更新之后，迅速就把我们远远地甩在了后面。这实际上掌握了基础科研的命脉。
技术迭代的速度也让人惊讶，很多文章里面刚刚发现的技术或者方法，两年不到相关的单一功能仪器就已经开始上市了。反观我们，没资金没场地没人才没对应技术支持，想要做一个科研仪器基本就是从零开始。
最近国家也在开始重视仪器设备的开发。但是关注点往往是在高精尖仪器上面，对更基本的仪器配件和软件乃至算法什么的不太重视。也没有企业愿意在这些领域投资，毕竟各种专利和技术壁垒下入行利润太低了。高精尖仪器确实比较容易出成果，很夺人眼球，但是更基础的配件软件才是高精尖仪器的基础。
我个人觉得科研是一个生态圈，从基础到应用到商业是一个闭环。同时也少不了各种支撑和相关从业领域。如果基础科研是根，那么这些仪器和软件就是土壤。
目前我们国家的科研之根其实是长在别国的土壤之上的。结出来的果子也更容易被别国摘下来落地。

同花顺

土木行业，计算软件，管理系统等等。
我们号称基建狂魔，也一直在以向土木强国的目标奋进。在我读大学的时候，我一直好奇，我们建了这么多项目，世界上数一数二难度的项目都有中国队的身影，可为啥还是不敢说自己是土木强国。
土木建筑设计院，在国外很多叫咨询公司。很大一部分工作就是结构的力学计算，包括各种极端条件下的模拟。但是从专业领域到一般领域的各种软件，国产的几乎没有成气候的。有限元在这些领域是绝对绕不开的工具，包括很出名的abacus，ansys一众。除了这些还有很多针对各个细分领域，比如迈达斯在桥梁建筑领域在国内设计院用的最多，还有sap etabs 等等。迈达斯并是韩国的软件，其实它并没有最顶尖的算法和精度，而是他的简单易用性让他在行业里如此流行。其实各大设计院比如上海市政，中交公规院，铁道很多设计院都在开发自己的设计软件，可惜，形式大于实际，基本很少真的用在实际项目中。
除了计算，设计院还有一个职责就是出图。 在制图的领域，我们国产的软件可以说基本为0。现在绝大部分土木的设计图纸还是处于2d图纸，autocad应该是可以说百分之百统治的软件了。还有各种建模画图软件比如rhinos，solid3d，甚至草图大师等等。bim已经喊了十多年了，到现在为止都没有一个很统一的主流的方向，但是比如桥梁行业，很多公司已经在用bim的理念用到实际项目了，虽说依旧形式大于实际，但也算有了希望。bim软件，包括熟悉的revit，法国达索公司旗下的一些。如果说力学计算软件还有一些自主研发的，画图软件是真的没有，都是在autocad的内核上修修补补写写插件。
还有就是管理系统。在一个项目的最终出图前，设计方甲方施工单位要你死我活的修改无数版图纸，如何提高这个效率，在设计过程中保密，审核，追责，是个极大的问题。国外有很多管理系统，我对这个不太熟，但是我们甚至到现在还是用qq完成这些。。。这些系统在国外有很多成熟的系统，费用或者是不重视的原因，我们还很少用，也没有很成熟的产品。
综上所述，这些软件是核心中的核心，如果没有他们，土木行业要回到手算桥梁，手工出图的年代，那每一座桥都可以是新的golden gate bridge，因为那就一座“纯手工”设计的现在建筑。bim的概念里，未来设计一座桥，从力学计算到出图完成，是可以一键完成的，因为这个过程本来就是基于规范条框里的固定流程。我们从手算手画的年代到现在工程师借助于软件完成，效率提升了无数倍，可这个过程还是一个labour work。其实这个过程理论上可以完全被更先进的工具替代，完全可以做到几分钟完成几个月几十人完成的项目。
回到卡脖子的问题上，土木行业虽然意识到了这些软件的重要性，也在做一些努力，其实还没有过到那种落后就要挨打的醒悟。行业里盗版猖獗，甚至明目张胆，很多工程师还以用十几年前的版本为荣。如果真的制裁到了土木的行业，不许用autocad 迈达斯等等，我们的行业可能真的会在一段时间里重新回到只能卖苦力当工人的角色。再放眼未来，别人一个小时做完了你一个团队几个月的事情，到时候我们还能谈基建狂魔吗。