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隨著新基礎設施建設和工業4.0政策的出臺,作為工業制造業基礎的工業軟件在這一波產業升級浪潮中獲得了高速發展的市場空間。據統計,2019年國內工業軟件市場規模將達到2000億元左右,未來幾年市場增速將保持在16%左右,是全球工業軟件市場增速的3倍以上。
隨著近年來航空航天、生物醫學、汽車交通、集成電路等高端制造業的興起,作為工業軟件細分領域中難度最大的一個領域,研發與設計受到了高度重視。然而,與歐美幾百年的產業經驗相比,國內廠商正面臨著被海外巨頭壟斷的市場競爭,突破現有的技術瓶頸,尋找新的增長引擎。
工業互聯網的興起為工業軟件提供了新的平臺,這是工業軟件的第二次歷史機遇。我國工業軟件的第一個“春天”出現在20世紀80年代,經過短暫的發展,進入了十幾年的休眠期。
在“863”計劃中,國家政策明確提出了對工業軟件的扶持,國內企業、高效能和科研院所一度掀起了工業軟件研發的熱潮。沿著“引進-吸收-模仿”的道路,上世紀90年代出現了凱姆CAD開云電競官方、浙大大田CAD、高華CAD、盛大華天等優秀產品。在高技術難度的三維CAD領域,北航熊貓CAD系統等優秀產品應運而生。
進入21世紀后,隨著我國對外開放力度的加大,大量外資企業進入中國市場,對尚未站穩腳跟的本土企業產生了沖擊。國內制造業進入了前所未有的鼎盛時期,使得行業內大量的資源和人才轉向制造業。工業軟件發展進入停滯狀態,相關投資停滯。調查統計顯示,2001年至2015年,我國3D CAD/CAE等核心產業軟件研發投入強度不足2億元。與全球最大的軟件公司ANSYS相比,2016年研發投入強度為3.5億美元,20億元人民幣。
為什么工業互聯網是工業軟件的第二次機會?這個機會能給工業軟件帶來持續的利益嗎?從產業基礎、產業內外部環境等方面進行綜合分析。
從本質上講,工業軟件的功能是制作工業知識軟件,參與產品的整個生命周期。在工業互聯網的大趨勢下,工業軟件已成為保證信息數據、設備和生產過程互聯互通的基本前提之一,促使企業更加重視以MES、SCADA、PDM為代表的工業軟件,提高生產率,優化資源管理和配置,減少生產浪費。根據工業和信息化部公布的數據,2018年中國工業互聯網市場規模將超過5000億元。據預測行業研究院預測,2019年中國工業互聯網市場規模將達到6110億元,未來五年(2020-2025)中國工業互聯網市場的年復合增長率將達到13%。在新基建政策的推動下,市場空間有望加速。預計2025年中國工業互聯網市場規模將超過1.2萬億元,為工業軟件提供了廣闊的應用空間。
歸根結底,工業軟件的開發應該立足于產業。讓我們來觀察一下近年來國內制造業的發展趨勢。改革開放后,中國僅用40年時間就在世界上建立起完整的現代工業體系。2010年以后,我國工業總量長期位居世界第一。到2019年,我國工業增加值將占全球GDP的24.06%,占國內生產總值的38.97%。與20世紀80年代到21世紀初的國內工業環境相比,發生了巨大的變化。過去,制造業與工業軟件資源配置的不平衡取代了制造業,形成了制造業帶動工業軟件需求增長的格局。據工業和信息化部調查,2016年至2019年,我國工業軟件產業增速將保持在15%——20%,遠高于全球市場5%左右的增速;2019年,工業軟件產品收入將達到1720億元,預計將達到1720億元2020年突破2000億元。
盡管中國工業體量已經占據全球最高比重,但我國工業大而不強的情況依舊存在——在關鍵器件與核心技術上處于絕對劣勢,高附加值產品設計生產能力不足,工業企業利潤率低。例如2019 年工業富聯凈利率僅 4.55%(對比蘋果凈利率 21.25%);浪潮信息凈利率僅 1.85%(對比 intel 凈利率 29.72%); 2019 年我國工業企業整體凈利率僅 5.86%。高產值低利潤、高端制造匱乏是目前我國制造業急需解決的問題。
隨著供給側結構性改革的推進,以航空航天、汽車、高端裝備、生物醫藥為代表的高技術制造業近年來增長強勁,從2015年的11.8%增長到2019年的14.4%(見下圖)。工業增加值增速高于規模以上工業平均增速。工業4.0是智能制造和本地化的高峰。軟件作為智能的載體,得到了前所未有的支持。2020年8月,國務院發布了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政 策》,也被稱為8號文件。自2000年以來,工業軟件與高端芯片、集成電路和基礎軟件一起首次成為重點發展對象。
上述現象意味著我國工業軟件擁有廣闊的市場土壤,而高端制造業的發展正推動著工業軟件進入研發設計難度較大的范疇。下圖顯示,2018年,研發設計軟件占細分領域的比重為9%,在所有類別中均處于較低水平;同時,研發設計軟件是國產化率較低的軟件(5-10%),管理運營軟件較高(中低端50%,高端30%),其次是生產控制軟件(中低端50%,高端30%)。研發設計軟件有著巨大的滲透和推廣空間。
隨著航空航天、船舶、汽車、軌道交通等高端制造業的發展,研發設計工業軟件經歷了從繪圖→二維工程圖→基于CAD/CAE/CAM的三維設計建模軟件系統協同→基于產品數據的多專業協同設計→產品集成生命周期(PLM)協同平臺的過程。我們使用下圖來顯示不同類型工業軟件的責任劃分。
具體到設計軟件的研發,除了上圖所示類別的復雜性外,在行業應用上還有很大的專業跨度。這里我們解釋一下:
CAD(Computer Aided Design)注重前端設計,通過利用計算機快速的數值計算和強大的圖形處理功能,輔助工程技術人員進行工程制圖、產品設計、分析和數據管理。CAD包括二維和三維兩大類,在細分領域有自己的專業產品。例如,SolidWorks主要用于機械設備的三維設計,AutoCAD主要用于建筑行業的二維設計。
CAE(Computer Aided Engineering)正處于設計和開發的中間階段,它提供了數字化的驗證功能。分析方向包括結構強度分析、流體分析、電磁分析等;分析管理方面還包括分析過程規范化和拓撲優化。
CAPP作為計算機輔助工藝設計的工具,有別于三種CAX產品。CAPP主要用于輔助開發人員進行信息管理和執行層。通過將被加工零件的幾何信息(形狀、尺寸等)和工藝信息(材料、熱處理、批量等)輸入計算機,計算機自動輸出零件的工藝路線、工藝內容等工藝文件。
可以看出,即使是在CAx的小集合中,不同類型的工業軟件之間存在功能及定位上明顯的差異,并且在不同場景下還存在較高的技術壁壘,行業專用屬性較強。此外,由于國內CAx行業規模較小且產品研發周期長,并且CAD屬于CAx系列中通用性相對較強的產品,因此,國內大部分廠商選擇從CAD入手,再逐漸橫向擴展其他CAx產品。目前已具備行業影響力的公司有中望軟件(2D、3D)、浩辰軟件(2D)、數碼大方(2D)、華天軟件(3D)。其中,中望軟件已經擴展出完備的 CAx 產品線,公司通過收購 VX 公司擁有了自主可控的三維幾何建模內核 Overdrive,成為國內極少數擁有自主可控內核的 CAD 軟件廠商,已經可以與海外 Autodesk、達索、西門子直接競爭。
PLM((Product Lifecycle Management)的出現最早是由于產品復雜度提升,需要支持各設計制造部門之間的協作開云電競官方網站,雛形是PDM(Product Data Managemen)用來管理產品信息,之后演化為PLM進行產品全生命周期管理。在PLM領域中,項目制的盈利模式是限制產品擴展速度的主要原因,一個項目通常需要配備實施顧問、項目經理、系統架構師、開發顧問、執行人員等,屬于人員密集型工作。加上國內市場已經被ANSYS、西門子、達索、PTC高度壟斷,國內PLM廠商的生存空間狹小且發展緩慢,絕大部分采用代理海外產品的方式起家,同時通過增加其他產品線,加強本土化服務及高性價比的方式營利,國內代表廠商有鼎捷軟件、神州軟件、湃??萍?、華天海峰等。
目前,我國已在世界上形成了完整的工業體系,包括41個工業大類、207個中等大類和666個小類。機械、電子、電磁、流體、光學、聲學、熱處理等諸多專業知識和經驗匯集其中。從大類的角度看,過程制造和離散制造中的工業軟件研發設計運作邏輯并不清晰。
我們用輸入、算法模型處理和輸出來說明:三者之間的關系是計算機需要足夠的輸入信息,可以建立一個完善的算法模型來處理數據,并根據輸出的計算結果來驅動機器和管理生產過程。
對于離散型制造業來說,我國絕大多數企業都是中小企業,產業基礎設施差、操作流程不規范、數據采集困難是普遍存在的問題。在這種背景下,為了實現高效的研發與設計,就需要解決投入問題。近年來,計算機存儲容量的提高和傳感器的普及可以極大地改善離散制造軟件的現狀,提高軟件的效率。
過程制造業的重點是算法建模。鋼鐵、石化、水泥等行業大都處于少數龍頭企業占領市場的局面。信息來源、行業流程統一規范,基礎設施良好,數據獲取難度較小。在此基礎上,實現完整、準確、及時的建模是解決問題的關鍵。
由于各行業之間對于研發設計類軟件的訴求不一,國內廠商基本都選擇了從垂直領域切入,目前已經出現了一些細分龍頭,例如神州的AVIDM在航天領域,金航數碼在航空領域,廣聯達在國內建筑行業BIM領域。
從全球市場結構來看,中國工業軟件與國外廠商存在巨大差距。在研發設計軟件方面,差距主要體現在技術能力、人才儲備、產業基礎設施、品牌影響力等方面。
中泰證券調查顯示目前國內工業軟件普及率較低,cam、MES、CRM的普及率在20%左右,PLM產品的普及率不足20%。賽迪智庫數據顯示,2018年中國CAD、cam、CAE市場規模分別為19.4億元、15.1億元和13.7億元,三類產品的市場總規模為48.1億元。海外總公司在華市場份額已達90%以上。
以PLM為例,世界上三大制造商分別是達索系統(航空領域)、西門子(汽車、通用機械領域)和PTC(航運和電子)。其中,達索是一家飛機制造商。在對自己使用的工業軟件有需求之后,達索開始開發商用工業系統。西門子PLM由工業企業開發并被西門子收購。由此可見,泉州三大巨頭根據其雄厚的產業基礎,開發了軟件系統。
回顧西方工業軟件的發展歷史,從上世紀60年始,波音、洛克希德、美國航天局等高端產業巨頭開始培育和發展,并擴展到一批商和汽車經銷商。半個世紀后,他們形成了今天的工業軟件市場格局,顯示出西門子的特點、PTC、施耐德電氣等工業軟件巨頭。
例如,作為集成電路行業的核心研發設計軟件EDA,國內EDA研發人員不足2000人,其中半數以上在國際EDA公司中國研發中心工作;國內EDA研發人員約數百人,分散在各公司,大學和研究機構。
形成鮮明對比的是,全球 EDA 巨頭 Synopsys 和 Cadence 分別擁有萬名員工,對比我國國產 EDA 廠商華大九天僅有約 400 名員工,其余廠商員工數均徘徊在一百人左右,可以看出我國 EDA 軟件人才十分匱乏。2018年,全球三大EDA軟件廠商(Synopsys、Cadence、Mentor Graphics)全球市場份額超過 64%,在中國的市場份額超過95%。中國EDA公司2018 年合計銷售額不過 3.5 億元,占全球市場份額僅為0.8%。
下圖顯示了國內外工業軟件制造商在收入和市場價值方面的差距??梢园l現,國內研發設計軟件數量少,收入規模和市場影響力與國外廠商不同。
面對完全壟斷的市場格局,國內廠商如何打破海外廠商的限制,擴大自己的市場份額?除了第一節提到的,中國制造業升級改造、走本土化道路等一系列政策帶來了產業效益,而新技術引發的新一輪產業升級——“工業云”推動了工業云軟件由單一工具向客戶提供“軟件+服務”的整體解決方案的轉變。
從技術發展的角度看,工業互聯網帶動的萬物互聯的趨勢得到加強,產業鏈上下游之間的數據流要求更高。隨著5g、云計算和計算機存儲容量的提高,基于“云”架構實現跨部門協作是必然趨勢。工業互聯網作為工業互聯網的基礎,正處于向“云”過渡的狀態。在這個節點上,國內外基本同時啟動。
以國外一些研發設計工業軟件巨頭為例。PTC于2019年開始探索云轉型。同年1月1日,該公司宣布將通過訂閱在全球范圍內提供核心解決方案和thingworx工業創新平臺的新軟件許可證,許可證將永久取消。2010年,Autodesk開始投入大量資金研發云計算服務。2016年1月31日后,其大部分非套件軟件產品不銷售新的永久許可證,可以通過維護子離子維護合同獲得后續的永久許可證。同樣,西門子也在2016年推出了基于云工廠的開放式物聯網操作系統,幫助企業在現實世界中實現產品、工廠、機器和系統的互聯。
對比國內市場,云化的趨勢在運營管理類工業軟件中已經有了明顯進展,以用友、金蝶為代表的的老牌廠商均推出了SaaS服務。而國內研發設計類廠商雖然也在投入云計算相關研發,但目前鮮少有標準化產品。
與此同時,一些國內新興公司也在嘗試將云的基因融入到產品設計理念中。例如2016年成立的CAE開發商數巧科技致力于搭建基于網絡化的CAE系統、改進云端架構、數據壓縮、三維渲染等方面的系統性能,通過網絡化的在線仿真,工具軟件與數據管理的功能被打通,一方面省掉了數據由線下轉到線上的時間與人力,另一方面也實現了協同研發過程中數據的實時同步。另一家于2020年剛剛成立的EDA研發上芯華章也主張啟用全新的路徑對EDA進行創新在當前軟件工程方的高性能硬件架構的基礎上,融合人工智能、機器學習、云計算等前沿技術開云電競官方網站,設計新的軟件系統架構和算法,有效避免了傳統架構下各種新功能的迭加造成的系統冗余。
然而,向云端轉型并不容易,這需要長期龐大的研發投入和人才支持。多年來,海外巨頭的利潤大幅下滑。例如,2013年,Autodesk的凈利潤開始出現負增長。2013年至2015年,其凈利潤從2.5億美元降至8000萬美元。2017年跌破5.8億美元,直到2020年才實現凈利潤回報。2012年,PTC的凈利潤大幅波動,2013年至2016年有所下降(1.4億美元到-0.5億美元)。為了突破收入瓶頸,PTC于2019年宣布向云轉型,凈利潤跌破3000萬美元。國內云產品大多處于打磨階段,無法成為拉動公司營收增長的主力軍;新興企業任重道遠,少數企業年營收達到1000萬元,因此盈利仍任重道遠。
行業迎來了新一輪的技術迭代周期,國內外廠商的起步時間相仿。從國內市場來看,2018年,國內工業軟件市場仍占中小企業客戶的47.9%,金額804億元,意味著國內市場空間廣闊,云技術刺激市場向中小企業滲透。然而,國內廠商能否打破這一輪技術的市場瓶頸,需要資金、人才、政策、產業基礎支撐、品牌建設等方面。
CATIA成立于1977年,1982年推出旗艦產品。憑借其領先的混合幾何建模內核(CGM),CATIA的產品廣泛應用于汽車、航空航天、造船、工廠設計(主要是鋼構廠房)、建筑、電力電子、消費品和通用機械制造等領域,在全球高端3D CAD市場占據領先地位。1997年,SolidWorks被收購以改進其產品線多次并購,達索已經開發出一個全生命周期數字化、網絡化的CAD/CAE/CAM/CAPP/PLM協同開發管理平臺,覆蓋140多個國家和120萬客戶。
ANSYS成立于1970年,總部位于賓西阿尼亞州匹茲堡。有限元分析軟件ANSYS是迄今為止用大型通用有限元分析軟件開發的通用產品。它可以與大多數CAD軟件接口,實現數據交換和共享。ANSYS在CAE領域排名第一,廣泛應用于核工業、鐵路、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車運輸等領域,銷售覆蓋全球40多個國家。
西門子成立于1847年,隸屬于工業軟件部(Siemens PLM,2019年改名為“西門子數字工業軟件DISW”)PLM,2019年更名為“Siemens PLM,2019年改名為“西門子數字工業軟件DISW””,專注于機械、電子、軟件、制造、分析、自動化、執行和協作等九個領域,其相應產品涵蓋CAD、CAE、EDA、ALM、cam、mom、IOT、HMI、PLM等九個維度。在同一領域的三維CAD和達索。
歐特克(:這是一家專注于二維和三維設計和工程軟件的美國公司。它為制造業、工程建設、基礎設施、媒體和娛樂業提供數字設計和工程軟件服務和解決方案。其主要產品是AutoCAD。Autodesk在2D——CAD領域主要占有第一市場份額。
Cadence Design Systems, Inc.健鏗騰電子于1988年由SDA systems和ECAD合并,總部位于加州圣何塞。該公司是世界領先的EDA和IP提供商。其智能化設計解決方案涵蓋了集成電路設計的全過程,包括系統級設計、功能驗證、集成電路集成布線、模擬/混合信號射頻集成電路設計、全定制集成電路設計、集成電路物理驗證、PCB設計和硬件建模。
Synopsys, Inc.(新思科技)公司成立于1986年12月,總部位于美國加州,是全球領先的EDA解決方案提供商、芯片接口IP提供商、信息安全和軟件質量的領先企業。它為全球電子市場提供先進的集成電路設計和驗證平臺,致力于復雜片上系統(SOC)的開發。信思科技提供IP和設計服務,幫助客戶簡化設計流程,提高產品發布速度。
Mentor Graphics Corporation(明導國際)公司成立于1981年4月,總部位于俄羅斯威爾森維爾。公司是全球領先的EDA制造商之一,主要為客戶提供包括SOC、IC、FPGA、PCB、Si設計工具和服務在內的完整的軟硬件設計解決方案,幫助客戶在短時間內以低成本開發電子產品。
PTC于1985年成立,致力于為產品創新提供解決方案。1986年,PTC創新了數字3D設計,1998年推出了基于Internet的PLM。目前,CAD、SLM、物聯網平臺和增強現實平臺相繼問世。公司10%的業務來自中國市場。
中望軟件公司成立于1998年,擁有完整的CAX產品線,包括二維CAD、三維CAD和CAE。在客戶和技術方面,中旺具有競爭優勢:在客戶方面,產品覆蓋90多個國家,擁有90多萬合法用戶,通過CAD和青年創客群體的教育,培養早期用戶習慣;在技術方面,收購了VX公司,具有獨立性和可控性三維幾何造型核心overdrive,成為國內為數不多的自主可控核心CAD軟件制造商之一,是一家商業公司。中旺可直接與歐特克、達索、西門子等國外CAD產品競爭,在國內CAD領域處于領先地位。
蘇州浩晨軟件有限公司成立于2001年,主要從事計算機輔助設計(CAD)軟件的研發、銷售和服務。主要產品有CAD平臺軟件和基于平臺的CAD專業軟件(主要包括建筑、結構、給排水、暖通、電氣、機械等)。產品覆蓋100多個國家和地區,全球擁有40多萬合法用戶。
北京數字大方科技有限公司成立于2003年,是一家工業軟件及服務公司,主要從事數字化設計(CAD)、數字化制造(MES)、產品生命周期管理(PLM)和工業云服務平臺的產品及服務。公司開發的CAD電子圖板軟件界面設計簡單,操作方便,支持多端口輸出,可理解性強。PDM、MES等基于PLM的PLM協同管理系統集成在統一的協同管理平臺上,實現從概念設計、詳細設計、工藝流程到生產制造各個環節的信息化,有助于提高產品質量,完成統一的數據管理,跨部門數據處理和業務合作;客戶覆蓋范圍包括設備、汽車、電子和航空航天、教育等領域。
北京華大久天軟件有限公司成立于2009年6月,致力于為泛半導體行業提供“一站式”EDA相關服務。是國內領先的EDA企業。在EDA方面,華大九天可提供數?;旌?全定制IC設計、FPD全流程設計、高端SOC數字后端優化等EDA解決方案,擁有多項全球領先的EDA軟件技術。同時,公司能夠提供全過程的平板電腦設計解決方案,在平板電腦領域占據較大優勢。
Core vision成立于2002年,為各種半導體器件提供工藝技術分析服務、知識產權分析和認證服務,并為各種EDA軟件提供授權服務??蛻糁饕獮镮C設計企業,在工業、消費電子、計算機通信等領域。核心視覺EDA源代碼總量超過300萬行,涵蓋了IC工藝分析、電路分析和知識產權分析鑒定的全過程,累計頒發授權證書3萬多份。是國內EDA的一顆新星。