研发设计类工业软件年增速超16%,云化可助国产厂商突围 | 年度行业研究

李念真2020-12-23
解析国产研发设计类工业软件新增长极。

随着新基建、工业4.0政策的推进,工业软件作为工业制造的基础,在这次产业升级的浪潮中获得了高速发展的市场空间。据统计,2019年国内工业软件市场规模达到了2000亿元左右规模,未来几年市场增速将维持在16%左右,超越全球工业软件市场增速3倍以上。

研发设计类作为难度最高的工业软件细分领域,随着我国近几年航空航天、生物医药、汽车交通、集成电路等高端制造的兴起受到了高度重视。然而,与欧美长达数百年的工业经验相比,国产厂商不仅面临着海外巨头近乎垄断的市场竞争,还要奋力突破现有的技术瓶颈,寻找新的增长引擎。

工业互联网提供新机遇,高端制造成为最强推力

工业互联网的兴起为工业软件提供了新的平台,这是工业软件遇到的第二次历史机遇。

实际上,我国工业软件的首次“春天”出现在上世纪八十年代,却在短暂的发展后进入了十多年的蛰伏期。

在“863”计划中,国家政策曾明确表示对工业软件的扶持,此后国内企业、高效、科研院所一度掀起工业软件研发热潮。沿着“引进-吸收-模仿”的路线,上世纪90年代便出现了像开目CAD、浙大大天CAD、高华CAD、山大华天等,并且在技术难度较高的三维CAD领域也诞生过北航熊猫CAD系统这样的优秀产品。

进入二十一世纪后,随着中国加大对外开放的力度,大量外资企业进入中国市场,对本土这些尚未站稳脚跟的公司形成冲击,与此同时,国内制造业进入前所未有的鼎盛时期,这使得行业内大量资源及人才转向了制造业,工业软件的发展进入停滞状态,相关投资也几乎断档。调查统计显示,2001-2015年,我国对三维CAD/CAE等核心工业软件研发的投入强度不足2亿元,对比全球最大的仿真软件公司Ansys,2016年在研发的投入强度为3.5亿美元,大约为20亿人民币。

为什么说工业互联网是工业软件的第二次机遇,这次机遇能否对工业软件产生持续的利好?我们要从产业基础、行业内外部环境来综合分析。

工业软件成为工业互联的基本前提

首先从产品本质上看,工业软件的作用是将工业知识软件化,并且参与到产品的全生命周期当中。在工业互联网的大趋势下,工业软件成为保证信息数据互联、设备互联、生产流程互联的基本前提之一,促使企业加强对于MES、SCADA、PDM 等为代表的工业软件的重视,用以提高生产力、优化资源管理配置、减少生产浪费。根据工信部发布的数据显示,2018年中国工业互联网市场规模突破5000亿元。前瞻产业研究院测算2019年中国工业互联网市场规模已达到6110亿元,未来五年(2020-2025)年均复合增长率约为13%。在新基建政策的推动下,市场空间有望加速,预计在2025年中国工业互联网市场规模有望突破1.2万亿元,这为工业软件提供了广阔的应用空间。

中国占全球工业体量第一,孵化千亿元工业软件市场

工业软件的发展说到底要建立在工业基础之上。那么我们来观察一下国内制造业近几年的发展趋势。在改革开放后,中国仅用了40年时间就建立起世界上门类最为齐全的现代工业体系,并且2010年后中国的工业体量长期稳居全球第一。到2019 年,我国工业增加值占全球比例达到 24.06%, 占国内 GDP 比例达到 38.97%。这与上世纪八十年代到二十一世纪初期的国内工业环境相比,已经发生了巨大变化。过去制造业与工业软件之间资源配置失衡的情况不复存在,而是形成了制造业拉动工业软件需求增加的格局。工业和信息化部调查显示,2016年-2019年我国工业软件产业发展增速保持在15%-20%,远高于全球市场5%左右的增速;2019年,工业软件产品实现收入1720亿元,2020年预计将突破2000亿元。

制造业转型升级,研发设计类工业软件成亟需

尽管中国工业体量已经占据全球最高比重,但我国工业大而不强的情况依旧存在——在关键器件与核心技术上处于绝对劣势,高附加值产品设计生产能力不足,工业企业利润率低。例如2019 年工业富联净利率仅 4.55%(对比苹果净利率 21.25%);浪潮信息净利率仅 1.85%(对比 intel 净利率 29.72%); 2019 年我国工业企业整体净利率仅 5.86%。高产值低利润、高端制造匮乏是目前我国制造业急需解决的问题。

因此,伴随供给侧结构性改革的推进,以航空航天、汽车、高端装备、生物医药为代表的高技术制造业在近几年出现强势增长,从2015年的11.8%增加至2019年的14.4%(见下图),其产业增加值增速始终高于规模以上工业平均增速。而工业4.0则是将智能制造与国产化推向了顶峰,软件作为智能的载体,也获得了前所未有的扶持力度。2020年8 月,国务院发布 10 年一期的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政 策》,亦称为 8 号文,工业软件实现了自 2000 年以来首次单独与高端芯片、集成电路、基础软件并列,成为重点发展对象。

高技术制造业增加值增速及占比:2015—2019(单位:%;来源:各年统计公报)

以上现象意味着,我国工业软件不仅具备了广阔的市场土壤,高端制造业的发展也在促使工业软件向难度更高的研发设计门类进军。下图显示,2018年研发设计类软件在细分领域中占比仅9%,为各门类最低;同时,研发设计类也是当前国产化率最低的软件(5-10%),管理运营类软件最高(中低端70%,高端40%),生产管控类次之(中低端50%,高端30%)。研发设计类软件的渗透提升空间巨大。

我国工业软件细分领域市场规模(数据来源:赛迪顾问、中泰证券研究所 单位:亿元)

拆解研发设计类软件复杂性,国内在细分领域已有建树

研发设计类工业软件伴随着航空航天、船舶、汽车、轨道客车等高端制造业兴起,目前已经经历了图纸制图→二维工程制图→三维设计建模-基于CAD/CAE/CAM的软件系统协同→基于产品数据的多专业协同设计→基于产品全生命周期(PLM)的协同平台这样的发展历程。

我们用下图来表示各类工业软件之间的职责分工。

来源:中泰证券

具体到研发设计类软件,其复杂性除了上图体现的门类众多之外,在行业应用上也存在较大的专业跨度。下面我们逐一解释:

研发设计类软件功能细分程度高、专用性强

CAD(Computer Aided Design)侧重于前端设计环节,通过利用计算机快速的数值计算和强大的图文处理功能,辅助工程技术人员进行工程绘图、产品设计、仿真分析、数据管理。CAD包含2D与3D两大门类,且在细分领域均拥有各自的专业产品,比如机械设备3D设计主要使用SolidWorks,建筑行业2D设计主要使用AutoCAD。

CAE(Computer Aided Engineering)处于设计研发的中端环节,提供数字化仿真验证功能。分析方向包括结构强度分析、流体分析、电磁分析等;在分析管理方面,还包括分析流程标准化和拓扑优化。

CAM(Computer Aided Manufacturing)起到的作用是缩小产品研发与生产车间之间的工艺信息化落后的鸿沟。由于在项目的实施周期中,约有40%-60%的时间都消耗到生产准备阶段,其中主要的工作是生产工艺过程的设计规划。因此,CAM承担的任务主要包括3D作业指令、3D维护/培训技术方案、3D产品质量控制、3D工厂布局/生产线设计、3D生产计划( 产品/进度/资源)、3D工艺资源(设备/工装/刀量具)等。

CAPP(computer aided process planning)作为计算机辅助工艺过程设计工具,与以上三个CAx产品所处的环节不同。CAPP主要是在信息管理与执行层辅助开发者通过向计算机输入被加工零件的几何信息(形状、尺寸等)和工艺信息(材料、热处理、批量等),由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。

可以看出,即使是在CAx的小集合中,不同类型的工业软件之间存在功能及定位上明显的差异,并且在不同场景下还存在较高的技术壁垒,行业专用属性较强。此外,由于国内CAx行业规模较小且产品研发周期长,并且CAD属于CAx系列中通用性相对较强的产品,因此,国内大部分厂商选择从CAD入手,再逐渐横向扩展其他CAx产品。目前已具备行业影响力的公司有中望软件(2D、3D)、浩辰软件(2D)、数码大方(2D)、华天软件(3D)。其中,中望软件已经扩展出完备的 CAx 产品线,公司通过收购 VX 公司拥有了自主可控的三维几何建模内核 Overdrive,成为国内极少数拥有自主可控内核的 CAD 软件厂商,已经可以与海外 Autodesk、达索、西门子直接竞争。

PLM((Product Lifecycle Management)的出现最早是由于产品复杂度提升,需要支持各设计制造部门之间的协作,雏形是PDM(Product Data Managemen)用来管理产品信息,之后演化为PLM进行产品全生命周期管理。在PLM领域中,项目制的盈利模式是限制产品扩展速度的主要原因,一个项目通常需要配备实施顾问、项目经理、系统架构师、开发顾问、执行人员等,属于人员密集型工作。加上国内市场已经被ANSYS、西门子、达索、PTC高度垄断,国内PLM厂商的生存空间狭小且发展缓慢,绝大部分采用代理海外产品的方式起家,同时通过增加其他产品线,加强本土化服务及高性价比的方式营利,国内代表厂商有鼎捷软件、神州软件、湃睿科技华天海峰等。

流程制造VS离散制造,工业软件发展逻辑大不相同

除了软件本身在功能上具备较高的差异性之外,行业之间难以复用也成为了一大门槛。

当前我国拥有世界上门类最齐全的工业体系,包含41个工业大类、207个中类、666个小类。机械、电子、电磁学、流体、光学、声学、热处理等众多专业的知识和经验汇聚其中。即使从大的门类上看,研发设计类工业软件在流程制造、离散制造业上的运行逻辑也不相同。

我们用输入、算法及模型处理、输出这三个软件构成要素来解释:首先这三者之间的关系在于——计算机需要充足的输入信息,才能建立完善的算法及模型来处理数据,进而根据输出的计算结果驱动机器、管理生产进程。

  • 对于离散制造业来说,我国绝大部分企业属于中小型,工业基础设施较差、操作流程不规范、数据采集困难是普遍问题。在这样的背景下,要实现高效的研发设计,首先需要解决输入的问题,而近几年计算机存储能力提高以及传感器的普及能够大大改善现状,从而提高了离散制造业软件运行效率。

  • 流程制造业的侧重点则是在算法及建模方面。由于钢铁、石化、水泥等行业大都已经处于少数头部玩家占据市场的局面,信息来源、工业流程相对统一、规范,且基础设施较好,因此,获取数据的难度较小,而在此基础上实现完整、准确、及时建模是要解决的重点。

由于各行业之间对于研发设计类软件的诉求不一,国内厂商基本都选择了从垂直领域切入,目前已经出现了一些细分龙头,例如神州的AVIDM在航天领域,金航数码在航空领域,广联达在国内建筑行业BIM领域。

中外实力差距悬殊,云化或成破局点

从全球市场格局来看,中国工业软件与海外厂商之间还存在悬殊的差距,尤其对于研发设计类软件来说,差距体现在技术能力、人才储备、工业基础条件、品牌影响力等各方面。

中泰证券调查显示,当前国内工业软件渗透率较低,CAM、MES、CRM等仅为20%左右,PLM产品渗透率不足20%。根据赛迪智库数据,2018 年中国 CAD、CAM、 CAE 市场规模分别为 19.4 亿元、15.1 亿元、13.7 亿元,三类产品合计市场规模约48.1 亿元。但海外头部公司在国内的市场份额已经达到90%以上。

国内工业软件细分领域渗透率(来源:数据化企业研习社、中泰证券研究所)

以PLM领域为例,全球三大主流厂商为法国达索系统(航空领域)、 德国西门子(汽车、通用机械领域)和美国 PTC(船舶、电子领域)。其中,达索本是飞机制造商,在产生自用工业软件需求后开始研发工业系统并推向商用, 西门子 PLM 也是由工业企业研发并被西门子收购。可以看出,全求三大巨头均是基于自身雄厚的工业基础开发出了软件系统。

实际上,回顾西方工业软件发展史,上世纪60年代开始,波音、洛克希德、NASA等高端产业巨头就已经着手培育和研发;随后扩展至一批军火商、汽车商,半个世纪后逐渐形成今天工业软件市场的格局,并显现出西门子、PTC、施耐德电气等工业软件巨头。

再举一个例子,作为面向集成电路行业的核心研发设计软件EDA,当前国内只有不足2000 名 EDA 研发人员,其中约半数以上在国际 EDA 公司的中国研发中心工作;从事国产 EDA 研发人员只有几百人左右,且分散在各个公司、高校和研究所。

形成鲜明对比的是,全球 EDA 巨头 Synopsys 和 Cadence 分别拥有万名员工,对比我国国产 EDA 厂商华大九天仅有约 400 名员工,其余厂商员工数均徘徊在一百人左右,可以看出我国 EDA 软件人才十分匮乏。2018年,全球三大EDA软件厂商(Synopsys、Cadence、Mentor Graphics)全球市场份额超过 64%,在中国的市场份额超过95%。中国EDA公司2018 年合计销售额不过 3.5 亿元,占全球市场份额仅为0.8%。

下图具体展示了国内外工业软件代表厂商在营收、市值方面的差距。可以发现,国内研发设计类软件不仅数量少,营收规模及市场影响力都与海外厂商相差甚远。

国内外工业软件厂商市值/营利对比

面对近乎全面垄断的市场格局,国内厂商如何打破海外厂商的限制,扩大自身的市场份额?

除了第一节中我们提到的,中国制造业升级转型、走国产化道路等一系列政策带来的行业利好,还有新科技诱发的新一轮行业升级——“工业云”促使工业软件由向客户提供单一工具向为客户提供“软件+服务”的整体解决方案转型。

从技术开发角度上看,由于工业互联网带动的万物互联互通趋势进一步加强,产业链上下游之间对数据流通的要求变高。随着5G、云计算、计算机存储能力提升,在“云”架构基础之上实现跨部门协同成为必然趋势。工业软件作为工业互联网的基础,也处于向“云”转型的状态。而在这一节点上,国内外基本在同一时期起步。

以部分海外研发设计类工业软件巨头为例。PTC在2019年开始探索云转型,当年1月1日即宣布核心解决方案和ThingWorx工业创新平台的新软件许可证在全球范围内仅通过订阅方式提供,永久取消License授权。Autodesk也在2010年开始投资大量经费研发云计算服务,2016年1月31日后,Autodesk多数非套件软件产品不再出售新的永久许可,只能通过Maintenance Subion维护合约获取后续的永久许可更新。同样的,西门子也在2016年推出了基于云Cloud Factory构建的开放式物联网操作系统,帮助企业实现真实世界中产品、工厂、机器和系统的互联。

对比国内市场,云化的趋势在运营管理类工业软件中已经有了明显进展,以用友金蝶为代表的的老牌厂商均推出了SaaS服务。而国内研发设计类厂商虽然也在投入云计算相关研发,但目前鲜少有标准化产品。

与此同时,一些国内新兴公司也在尝试将云的基因融入到产品设计理念中。例如2016年成立的CAE开发商数巧科技致力于搭建基于网络化的CAE系统、改进云端架构、数据压缩、三维渲染等方面的系统性能,通过网络化的在线仿真,工具软件与数据管理的功能被打通,一方面省掉了数据由线下转到线上的时间与人力,另一方面也实现了协同研发过程中数据的实时同步。另一家于2020年刚刚成立的EDA研发上芯华章也主张启用全新的路径对EDA进行创新,在当前最先进的软件工程方法学及高性能硬件架构的基础上,融入人工智能、机器学习和云计算等前沿技术,设计全新的软件系统架构和算法,有效避免传统架构下各种新功能叠加造成的系统冗余。

不过,向云转型并非易事,这需要长期巨额的研发投入以及人才的支撑,海外巨头几乎都因此遭受过多年的营利大幅下降。例如,Autodesk从2013年开始就出现净利润负增长,2013-2015年净利润由2.5亿美元下降到0.8亿美元,到2017年更是跌破-5.8亿美元,直到2020年才实现净利润回正。PTC从2012年就开始出现净利润大幅波动,2013-2016年连年下跌(由1.4亿美元到-0.5亿美元),为了打破营收瓶颈,PTC在2019年宣布向云转型后净利润再次跌破-0.3亿美元。而国内大部分云化产品还在打磨阶段,暂时不能成为拉动公司营收增长的主力;新兴公司更是任重道远,少数尽管已做到年营收千万元,但要实现盈利尚有距离。

由此可见,行业已经迎来新一波技术迭代周期,并且国内外厂商起步时间相差不大。仅就国内市场来看,2018年国内工业软件市场中小型企业客户仍贡献47.9%,金额达到804亿元,这意味着国内市场空间广阔,并且云技术将进一步刺激市场向中小企业渗透。不过,国内厂商能否凭借这轮技术革命打破市场瓶颈,还需要资金、人才、政策、产业基础支撑、品牌塑造等多方面互相配合。

参与者概览

国外代表厂商

达索(Dassault Systemes):公司于1977年在法国成立,1982年便推出旗舰产品CATIA,凭借领先的混合几何建模内核(CGM),产品广泛应用于汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计(主要是钢构厂房)、建筑、电力与电子、消费品和通用机械制造,在高端3D CAD市场占据全球领先的地位。1997年为完善其产品线,收购中端产品Solidworks。经过50多次并购,达索已经发展出CAD/CAE/CAM/CAPP/PLM的全生命周期数字化、网络化协同开发与管理平台,覆盖140多个国家、120万个客户。

ANSYS于1970年成立,总部位于宾西阿尼亚州的匹斯堡,该公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件,是目前为止全球增长速度最快的CAE产品,能够与多数CAD软件接口,实现数据交换、共享。ANSYS在CAE领域处于行业第一,在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通等领域有广泛应用,销售覆盖全球40多个国家。

西门子(Siemens)是一家于1847年成立的德国大型工业集团,其下属的工业软件部门(Siemens PLM,2019年改名为“西门子数字工业软件DISW”)聚焦于机械、电子、软件、制造、分析、仿真、自动化、执行、协同九大领域,与之对应的产品覆盖CAD、CAE、EDA、ALM、CAM、MOM、IoT、HMI、PLM九个维度。在3D CAD领域与达索处于同一梯队。

欧特克(Autodesk):这是一家专注于2D、3D设计和工程软件的美国公司,为制造业、工程建设行业、基础设施业以及传媒娱乐业提供卓数字化设计和工程软件服务和解决方案,主要产品为AutoCAD。欧特克主要在2D CAD领域占据市场第一份额。

Cadence Design Systems, Inc. (铿腾电子)由SDA Systems 和ECAD 两家公司于1988 年兼并而成,总部位于美国加州圣何塞。该公司是世界领先的EDA 与IP 供应商,其智能设计解决方案覆盖IC设计全流程,包括系统级设计、功能验证、IC 综合及布局布线、模拟/混合信号及射频IC 设计、全定制IC 设计、IC 物理验证、PCB 设计和硬件仿真建模等。

Synopsys, Inc.(新思科技)成立于1986年12 月,总部位于美国加州。该公司是全球领先的EDA 解决方案提供商及芯片接口IP 供应商,同时也是信息安全和软件质量的领导企业,为全球电子市场提供技术先进的IC 设计与验证平台,致力于复杂的片上系统(SoC)的开发。新思科技还提供IP 和设计服务,帮助客户简化设计过程,提高产品上市速度。

Mentor Graphics Corporation(明导国际)成立于1981 年4 月,总部位于美国俄州威尔森维尔。该公司是全球EDA 领导厂商之一,主要为客户提供完整的软件/硬件设计解决方案,具体包括SoC、IC、FPGA、PCB、SI 设计工具和服务,帮助客户以短时间和低成本开发电子产品。

PTC于1985年成立,致力于为产品创新提供解决方案。1986年PTC革新数字化三维设计,1998年率先推出基于互联网的PLM,目前衍生出了CAD、SLM、IoT平台、增强现实平台,公司10%的业务来自中国市场。

国内代表厂商

中望软件成立于1998年,拥有包括 2D CAD、3D CAD 和 CAE 的完备 CAx 产品线。中望在客户和技术两方面拥有竞争优势:——客户方面,产品覆盖 90 多个国家,正版用户超过 90 万,通过教育版 CAD 和青少年创客社区培养早期用户习惯;技术方面, 公司收购 VX 公司拥有了自主可控的三维几何建模内核 Overdrive,成为国内少有的拥有自主可控内核的 CAD 软件厂商。中望可以与海外 Autodesk、达索、西门子 CAD 产品直接竞争,处于国产CAD 领导地位。

苏州浩辰软件股份有限公司成立于2001年,主要从事计算机辅助设计(CAD)软件的研发、销售和服务,主营产品包括CAD平台软件和基于平台的CAD专业软件(主要包括建筑、结构、给排水、暖通、电气、机械等)。其产品覆盖100多个国家和地区,全球正版用户超过40万家。

北京数码大方科技股份有限公司成立于2003年,是一家工业软件和服务公司,主营业务是数字化设计(CAD)、数字化制造(MES)、产品全生命周期管理(PLM)和工业云服务平台的产品和服务。公司开发的 CAD 电子图板软件具有界面设计较为简洁、易于操作、支持多端口输出、可理解性 高等优点;以 PLM 为基础开发的 PLM 协同管理系统将 PDM、MES 等技术整合在统一的 协同管理平台上,实现了从概念设计、详细设计、工艺流程到生产制造各环节的信息化,帮 助完成了数据的统一管理以及跨部门数据处理和业务协作;客户覆盖包括装备、汽车、电子电器、航空航 天、教育等领域。

北京华大九天软件有限公司成立于2009 年6月,公司致力于面向泛半导体行业提供“一站式”EDA 及相关服务,是国内EDA 龙头企业。在EDA 方面,华大九天能够提供数模混合/全定制IC 设计、平板(FPD)全流程设计及高端SoC 数字后端优化方向的EDA 解决方案,拥有多项全球领先的EDA 软件技术。同时,该公司能够在全球范围内提供全流程FPD 设计解决方案,在FPD 面板领域占据较大优势。

芯愿景成立于2002年,针对各类半导体器件提供工艺及技术分析服务、知识产权分析鉴定服务以及多种EDA软件的授权服务。客户主要面向IC设计企业、在工业、消费电子、计算机及通信等领域。芯愿景EDA源代码总量已超过三百万行,覆盖了集成电路工艺分析、电路分析和知识产权分析鉴定的全流程,累计发放授权认认证超3万个,是国产EDA新星。

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