不止芯片 國產工業軟件也需要突圍

來源：財經雜志

“有這個功能”和“這個功能能用”是完全不同的兩回事，工業軟件要想實現國產替代，就得在充分競爭的環境下，做到產品能用，這是硬道理
不止芯片 國產工業軟件也需要突圍
文 | 易賦 陳琛
隨著美國政府對華為的圍堵步步升級，芯片的重要性已經家喻戶曉，但中國企業被“卡脖子”的不止是芯片。
今年6月以來，由于被美國商務部列入實體清單，哈工大、哈工程等老牌工科院校無法繼續使用正版的計算仿真軟件MATLAB，一度引起熱議，這一軟件由美國公司Mathworks開發，是應用廣泛的基礎仿真軟件。而在此前，被列入實體清單的華為，已經無法繼續與美國三大電子設計自動化公司（Synopsy、Cadence、Mentor）合作。
中國工業軟件的短板再次被暴露出來。
工業軟件本身是基于多種基礎科學的產業，同時又離不開長期應用的迭代，這一差距難以短時間內彌補。政策也開始關注這一短板，工信部今年3月發布《關于推動工業互聯網加快發展的通知》，提出增強關鍵技術產品供給能力，打造工業軟件等關鍵軟硬件產品，加快部署應用。
工業軟件中，CAX（計算機輔助軟件）是廣泛應用的一類基礎軟件，它包括三類典型的工業軟件：CAD（計算機輔助設計）軟件是創造模型的軟件，CAE（計算機輔助工程）軟件是優化模型與工藝的軟件，CAM（計算機輔助制造）軟件是讓模型變為實物的軟件。在CAX軟件領域，國內企業與外資公司有著明顯的差距。分析國外CAX軟件的發展歷史和規律，有助于我們為國產工業軟件突圍找到路徑。
工業軟件三波浪潮背后的規律
不同的產業有不同的產業特點和發展規律，工業軟件產業是基于科學的產業，尤其是數學、物理等基礎科學，基礎研究一直都在給產業提供源源不斷的動力，從建立曲線曲面的數學模型開始到實際應用于造物的不同環節。
整個工業軟件的創新是持續的，但是這種創新更像是一種脈沖式的過程，伴隨著工業工程技術的進步，計算機水平的提高，河水滾滾向前，但在某個特定的時期會加速、聚合，走向新的方向，孕育新的分支。縱觀工業軟件的發展史，大約有三波浪潮。
二十世紀70年代到80年代產生了第一波浪潮，一些公司開發了相關的CAD產品，主要用于解決航空航天、大型裝備、汽車等復雜產品的數字化設計，這些軟件主要基于UNIX平臺。
世界上第一款CAM軟件NX(UG)開始于1972年，起初叫UNIAPT，1978年發布UG R1版本，這一軟件最終被西門子收購。達索系統的Catia開始于1977年，起初叫CATI，1981年改名叫CATIA，發布V1版本，1984發布V2。PTC公司成立于1985年，1988年發布Pro/Engineer第一版，基于UNIX系統。
第二波浪潮在Window時代，又有三家公司異軍突起。SolidWorks公司成立于1993年，在1995年發布了SolidWorks，基于Parasolid與DCM等組件開發。Solid Edge由Intergraph 1995年發布，起初基于ACIS開發，后被UGS收購后切換到Parasolid與DCM等組件開發。Autodesk Inventor，1999年發布，基于Autodesk Shape Manager (ASM)開發。至此，CAD產業已經基本成型，河水緩緩向前，偶有浪花涌現。
2000年以后，隨著數字技術使用的廣度和深度擴大，數字革命方興未艾，我們似乎又看到一波新的浪潮正在來臨，一批新的面孔又出現在市場中，比如Spaceclaim，其創始人之一Mike Payne也是PTC、SolidWorks早期創始人之一。Autodesk Fusion 360，2013年3月發布第一個版本，基于Autodesk Shape Manager (ASM)開發。Onshape公司2012年成立，2015年發布第一個版本，基于Parasolid與DCM開發，其創始人Jon Hirschtick和John McEleney分別是SolidWorks創始人及第二任CEO。
工業軟件的這三股浪潮下的發展史，可以總結出一些規律：
工業軟件的發展是計算機科學走向成熟，然后結合具體的工程技術學科，進而演化成的一個跨學科產品。三股浪潮的背后，是計算機軟硬件平臺跨越式的升級。
產品的出發點很重要，找到準確的細分市場，在細分市場中的行業找到差異化定位，然后有著系統的市場營銷策路。比如: SolidWorks, Oshape, Orchard, RoboDK, Sharp3D, Vention就是基于CAD的技術，成立之初都是從不同的細分市場與差異化定位開辟市場。
商業化CAX產品從成立之初到產品發布通常需要2-3年的時間，比如: SolidWorks, Solid Edge, Onshape等軟件基于商業化組件開發，開發周期2-3年時間，其后分別被達索，UGS，PTC收購。
1993年至今，資本的作用越來越大，工業軟件巨頭不斷通過投資、收購來擴充版圖。西門子收購了MultiMechanics（高級材料建模）、Atlas 3D（增材制造優化）、Process Systems Enterprise（高級過程建模）；達索系統收購了Medidata Solutions（58億美元，醫療數據）、Argosim（系統需求驗證）、Trace Software（電氣設計）；Altair收購了DEM Solutions（離散元建模）、Polliwog（PCB設計與分析）；ANSYS收夠了LSTC（7.75億美元，動力學分析）PTC收購了Onshape（4.7億美元，云CAD）；Hexagon收購了Amendate（創成式設計與增材制造）；Autodesk與NEWSPRING投資aPriori 2680萬美元；cannaan投資nTopology 2000萬美元；Intel與Gradient Ventures投資onscale 1000萬美元。
這些軟件公司里通常都有行業老手，這些老手既懂戰略、又懂技術，還熟悉市場，他們了解產業規律，善于在復雜的供需環節對接整合資源，他們在這個行業內有過成功的創業經驗， Bernard Charlès（CEO, 在達索工作37年），Jon Hirschtick（SolidWorks與Onshape創始人），Jim Heppelmann（從Windchill的CTO、創始人到PTC CEO在PTC工作24年）, Jon Stevenson（從1983年工作至今以不同高層身份參與了19家公司，以技術與顧問為主）等等是這個行業的典型代表，對產品的實現之路胸有成竹，對市場戰略與市場營銷策略有遠見，對公司的發展與部署具有洞察力。
產品主要基于全球化產業鏈進行開發，開發投入主要集中在基于細分市場及其場景的應用層開發，不涉及產業鏈的零部件開發。行業內最知名的CAX公司，幾乎都是基于工業軟件產業鏈的資源開發，有些產品公司也是產業鏈的組件提供商。比如Parasolid、D-Cubed、Kineo屬于西門子，ACIS, CGM, Interop屬于達索系統等等。
產品的發展，不求大、求全，市場定位非常明確，避免在成熟行業紅海競爭。在細分市場，應用場景非常豐富，遍地是機會。通用CAX的市場已經被一些大型工業軟件公司部署到一定階段，并且這些公司有雄厚的資金，豐富的成功用戶，老練龐大的技術研發團隊，全球化的銷售團隊與渠道，按道理新的CAX公司很難有機會切入這個領域。
但事實是，從1960年代到今天，還是不斷有新的公司進入，他們使用不同的方法，比如通過不同的細分市場（大企業、中小型企業、初創企業、大中小學、個人用戶等等）、通過不同的部署方式（UNIX, WINDOWS,云, IPAD）、通過不同的行業應用場景（配置化產品設計，機器人應用生態，逆向工程，創成式設計，增材制造等等）方式切入細分市場。有需求就有不同的細分市場，難點是對此細分市場容量的預測與演化。
通用CAX軟件創立之初，人數差不多在150-300人之間，后續隨著模塊不斷的增加，目前國際上流行的主流軟件公司人數差不多在600-1300人之間。非通用CAX領域，人數在30-300人之間。
詳解工業軟件產業鏈
和汽車、航空航天、高鐵、機床等高端制造產業類似，如今的工業軟件產業也有復雜的產業鏈，很多巨頭盤踞其中，它越來越像一個模塊化的裝備產品，擁有復雜且相互關聯的組成單元。
常見的工業軟件產品中，沒有一家公司的所有代碼都是自己撰寫。就像汽車一樣，這個產業也有完整的供應鏈，是需要一群聰明的公司通力合作才能實現，很多產品都是基于全球供應鏈開發，企業主要聚焦自己的優勢領域。
CAD（計算機輔助設計）軟件方面，如SolidWorks、Solid Edge、Inventor等主流市場（為小型企業到中小型企業）MCAD軟件，至少要用到70個組件（Components），最核心的組件有幾何內核（主要有西門子Parasolid，達索ACIS/CGM），2D/3D約束器（主要有西門子D-Cubed），圖形組件（主要有TECH SOFT 3D）,數據轉換器（主要有達索與Tech Soft 3D），大部分CAD公司基于這幾款基礎組件就可以把基礎框架搭起來。
CAE（計算機輔助工程）軟件需要網格剖分器的組件（主要有Distene的MeshGems）。CAM（計算機輔助制造）軟件需要涉及到加工路徑的組件（主要有德國的ModuleWorks與英國的MachineWorks）。CATIA、NX、Creo這些高端多學科MCAD會涉及更多的組件，其中有不少核心組件也是來自于第三方，甚至有些組件會來自競爭對手。
CAX軟件的主要架構可以參考下圖， 最底層青色部分是操作系統與計算機圖形程序接口，這兩者都與硬件有著密切的關系，橙色部分就是CAX軟件產品的主要組件的類型。
具體來說，其中核心的組件和主要產品如下：
幾何引擎：幾何引擎是最基礎的核心組件，也是我們國家目前最關注的領域，主要分為三類建模器，實體建模、曲面建模以及小面片建模，這幾年這三者的融合在增材制造與創成式設計領域發揮這巨大的作用。目前主要的幾何引擎有Parasolid（全球200多家客戶），ACIS（全球100多家客戶），CGM（全球幾十家客戶），開源的OCC等。全球絕大部分大型商業化CAX軟件，基本都是使用商業化幾何引擎，尤其是美國的Parasolid和ACIS。幾何引擎大部分的技術實現都是公開的，但是一款優秀的幾何引擎經過眾多商業化軟件以及優質客戶的反復淬煉，在性能，穩定性，可靠性上可以說經過幾十年的發展。這個領域沒有捷徑，國產幾何引擎的發展也需經過千錘百煉的才能真正傲視群雄。
2D/3D約束管理器：幾何約束求解引擎，廣泛應用在草圖輪廓表達、零件建模參數表達、裝配約束以及碰撞檢查等場景中，為快速確定設計意圖表達、檢查干涉、模擬運動提供了強有力的支持，可幫助最終用戶提高生產效率。約束求解引擎也是最基礎的核心組件，目前最主要的產品是D-Cubed DCM。大部分知名的商業CAD軟件都在使用DCM。
CAE網格剖分組件：主要用于仿真分析軟件的網格劃分。在CAE行業內，這是一個讓人有些糾結的組件。通常做CAE求解器的公司，擅長的是求解器的開發，但是網格劃分從開發實現上屬于另外一個領域，而且開發工作量或許并不亞于求解器的開發，甚至還超過求解器開發的工作量。很多CAE公司發展最后短板都卡在前處理上。在網格剖分器上主要的組件是法國的MeshGems。
CAM組件：CAM軟件中缺少不了刀具的路徑規劃，而CAM組件主要就是實現此功能。目前全球最主要的CAM組件有德國的ModuleWorks和英國的MachineWorks，差不多全球90%的CAM軟件都在使用這兩家公司的組件。
數據轉換器：CAX軟件離不開數據轉換器。數據轉換器的主要作用就是讓你的軟件不僅僅可以打開其他軟件的3D數據格式，而且也能夠輸出到其他軟件的3D數據格式，現在甚至鏈工程圖也可以。3D數據轉換器主要有法國的InterOp（全球200家商業客戶）,美國HOOPS Exchange（全球200家商業客戶）,法國的Datakit等。
除了建模引擎，約束求解最基礎的組件外，還有其他重要的組件，比如做其機器人仿真與離線編程中所涉及到的路徑規劃，主要有法國Kineo和芬蘭的Visual Components；渲染的組件IRAY+，有印度GSSL的特征識別的組件以及Nestlib組件，隱藏線消除，模型修復，模型簡化等等。一款主流MCAD產品，至少需要70幾個組件。
通過深入觀察CAX軟件的復雜產業鏈，可以看出工業軟件產業的一些基本特點。首先，國際化通用CAX軟件，基本通過產業全球供應鏈（組件）的方式來開發軟件。商業化CAX軟件公司主要開發量在應用層與GUI（圖形用戶界面），尤其是應用層，大型工業軟件家公司已經經歷了幾十年的迭代，有著豐富的模塊。比如：CATIA, NX差不多有150幾個模塊，SolidWorks, Solid Edge, Inventor差不多有40幾個模塊。
工業軟件是一款具有“網絡經濟”特征的工業產品，一家企業使用了某款工業軟件，和其具有技術關聯或者供應鏈關系的企業可能會更傾向選擇同一款軟件，而且隨著用戶的增多，用戶所提供的反饋又成為產品功能完善和性能提升重要的動力。在這種情況下，先行者會具有很大的先發優勢，他們通過網絡效應，一方面可以在行業內快速獲取用戶，另一方面可以通過用戶網絡持續開展創新，從而獲得“先行者的復利”。

在這些復雜的組件、軟件產品的基礎上，CAX衍生出了豐富的生態，尤其是CAD軟件生態最為活躍。生態不僅僅是模塊的擴展，還包括專家團隊，服務商，以及供應鏈。在工業設計軟件的巨頭絕大部分都是產業鏈玩家，他們的產品也是平臺型產品，已經形成非常穩健的生態。Siemens PLM全球有150家技術合作伙伴，Solid Edge有289家第三方合作伙伴， Dassault System全球有934家技術合作伙伴，SolidWorks為例，SolidWorks全球有520個第三方模塊，相信PTC與Autodesk也同樣有數百家的技術合作伙伴或者生態合作伙伴。這些模塊的供應商不僅僅是這些公司的合作伙伴，同時也是其他CAX軟件的供應商，有些也是組件的供應商。

國產工業軟件的位置和目標

要討論突圍，首先要明確國產工業軟件的位置和突圍目標。

根據工業軟件的產品性質，從產品主要模塊上來看，工業軟件在可控性上可以分為三種類型，自主工業軟件（以汽車舉例：汽車+零部件都是自己造），合資工業軟件（比如：汽車行業的中外合資公司），國產工業軟件（應用層模塊自主開發+組件全球化）。
目前國內的工業軟件提供商主要是前兩種、尤其是第一類居多。第三類公司中“零部件”用開源的居多。國內的企業在嚴格意義上屬于第一類和第三類之間，第三類中核心組件來自于國外開源組件，而第三類國外工業軟件公司更加偏向于商業化的組件。目前國外公司大部分偏向應用層的模塊是自己開發，而且也是開發工作量最大的部分，與用戶需求息息相關的。
國產自主可控的CAX軟件從政策的最終目標來看，我們希望不僅產品（公司+品牌+技術+團隊）是自主的，同時希望打造自主產業鏈（組件供應商也是自主的），這不是不可以實現。產學研三大件上，中國的學和研并不差，但是學和研卻很容易錯過產的窗口期。國產自主CAX軟件是需要有一個長期投入的準備，而不是做3-5年草草了事。國外的公司也不是上來就有今天這么大的規模，是長期發展與迭代的結果，產品與研究以雙螺旋式相輔相成地發展。
因此，國內軟件自主的實現步驟也必須循序漸進。國外在此產業有近60多年的產學研的積累，即使我們今天可以借鑒，可以幫助我們節約大量的重復性的工作，但還是無法做到一蹴而就，這需要規劃與部署，
即使我們基于現有成熟商業組件開發，并且有行業產品作為參考，但軟件架構、大量應用功能的開發、保證性能和穩定性等方面還是需要資深軟件開發人員的大量投入比如：零件與裝配體模塊，通常需要150人開發2年的時間，工程圖至少需要開發1.5年時間。這是3個最基礎的模塊。
如果需要開發一款對標SolidWorks, Solid Edge, Inventor這種主流的CAD軟件(Design Focused)，代碼量差不多在3000萬行到4500萬行代碼。差不多需要3000-4500人一年以上的開發工作量。像CATIA，NX，Creo等高端軟件（多學科）是主流軟件開發工作量的至少4倍以上，這些高端軟件的開發已經持續了數十年，專業功能模塊也達到數十個，甚至數以百計，這些功能模塊都是在數十萬、百萬級最終客戶的需求上不斷改進和實現的。
從表1可以看到，國際主流CAD公司不管是在營收還是人數規模上都是非常龐大的（Siemens PLM, Dassualt System, Autodesk, PTC），雖然營收上還包括非CAD產品，但是即使減去這些非CAD產品，這些公司的營收也在10億到20億美金之間，而且有著幾千人到上萬人的研發團隊。如果我們直接以同樣的產品、同樣的細分市場與他們正面競爭，這個需要大智慧以及對整個行業與市場有足夠的遠見與洞察力。
其次，從這些公司營收和規模上還能看到從CAD到CAE到CAM是逐步降低的，這個軟件的覆蓋面有關，CAD，覆蓋面最廣，在企業研發設計團隊中幾乎人手一套。CAE，產品現在設計人員與仿真分析人員使用，CAM，主要是做加工編程與工藝的人員使用。不管是CAD還是CAE,發展還沒有到達上限，還有很多細分的領域值得發展，比如面向六西格瑪設計（DFSS），面向質量的設計(DFQ)、面向裝配設計(DFA)、面向制造的設計（DFM）、面向成本設計（DFC）、面向綠色設計(DFS)等等,還需要不斷的融合與完善，大廠因為地緣不同市場的關系無法兼顧所有，國內企業要懂得借“力”借“勢”，對市場要做系統全面的分析。
上述數據估量更多是靜態評估，這些工業軟件巨頭仍然在快速的奔跑，不會坐以待斃。如圖2，描述了工業軟件成長路線圖。這幅圖只是大概匯總了目前工業軟件成長可以看到的區間，而且我們也絕不懷疑其他領域對此行業的跨界顛覆，或者顛覆性設計到制造思想的出現。
突圍要以用戶為中心
需要強調的是，在每個步驟上我們都要與最終使用者一起來磨練自主可控的工業軟件。如今的形式似乎有些矯枉過正，我們的重心放在核心自主與國產自主可控，而忽略了最終使用者。即便國外最大的幾家工業軟件公司，也是通過走進客戶，給客戶創造價值為宗旨，最基礎、核心的部分實現路線還是通過與優質用戶長期反復的溝通迭代完成的，而不是解決從0-1（從無到有）。即便有些點是從0-1，那也是在一定基礎上，而這部分基礎目前不僅學術上是公開的，甚至一些代碼都是公開的。
我們需要做的，是把這些部分基礎通過用戶需求長期反復迭代出來。通過與用戶的溝通長期反復迭代核心組件是組件這個產業的規律，目前全世界沒有任何一款商業軟件核心組件是基于免費開源代碼實現的。某知名工業軟件公司明確在研發部門告知不允許使用免費、開源代碼。
無論國產化還是市場化，產品都需要立足為客戶創造價值的過程。國外有不少優秀的產品已經迭代了很多年，但因為其市場戰略以及市場營銷策略的不足，并沒能得到很好的發展。換個角度思考，如果我們能夠獲得一些頂級公司的源代碼，我們在技術上完全補平，我們就能和目前主流的高端和中端的CAX產品公司競爭嗎？答案并不肯定。
國產工業軟件不僅僅需要考慮怎樣通過一定的策略與規劃發展工業軟件產業鏈中所涉及的關鍵零部件（組件）；也需要考慮在市場化環境中，怎樣制定合適的市場營銷戰略，市場營銷策略，創造對客戶有價值的產品或者解決方案。
我們要盡快的從點走向線再走向面，即把單點技術優勢轉化為產業鏈優勢，再轉化為平臺優勢。
如有只有單點方面核心技術的公司，不管是國家層面還是行業資本層面，可以積極的把這些點方面的技術按照類型發展成組件。如果是擁有組件的公司，要積極開放與共享，只有通過行業公司不斷的使用，組件才能穩定、可靠、完善、性價比更高；如果對工業軟件市場熟悉并且有整合創造能力的公司，結合當前的國際環境、市場環境、行業環境，開發出與時俱進的產品，為客戶創造價值的產品，而不是刻舟求劍，簡單的去模仿跟隨國外領先企業。
在當前中國的形勢下，脫離用戶搞產品開發與只依賴國外的組件發展國產CAX軟件，都是不適合的。前者期待用愛國情懷讓市場買單，顯然是掩耳盜鈴；后者如果也和國外的路線一樣，借助全球化產業鏈，效果雖然明顯，但是在國力沒有強大到一定的程度下，也會一不小心被釜底抽薪，進而后悔莫及。
對于國產工業軟件的發展，我們提出以下七條參考意見：
第一條
國外大型工業軟件公司的收購可能會碰到不小的阻礙，但是一些產業鏈中的組件廠家，我們還是有機會收購的。這些大型軟件公司的收購通常也是圍繞組件生態以及應用模塊合作伙伴（Apps）。
第二條
國外軟件公司的收購的本質是產品、技術團隊、客戶，即使可以購買源代碼，但沒有技術團隊，短期內消化也有非常大的挑戰，但可以像汽車產業一樣，通過合資公司的方式，學習和培養本地化人才。軟件行業可以比汽車行業接觸的更底層。
第三條
國際形勢的復雜加大了國外工業軟件公司全球化部署的運營風險，也給國內的大型企業是否可以繼續使用國外軟件增加了不確定性。這種大環境的改變作為企業必須得重新制定對應的計劃。那么可能存在兩種情況，一，國外工業軟件公司與國內軟件公司或者大型企業合資的方式重構軟件的性質。二，國內大型企業直接參與對國產軟件公司的投入或者收購國內外軟件公司。
第四條
與CAD、CAE、CAM、或者工藝相關的國內工業軟件公司，選擇不同的細分市場切入市場，太過正面切入只會讓自己遍體鱗傷，過去的歷史就是實證。在2DCAD市場，浩辰與中望因在2D市場因市場戰略與策略的優化，取得了不小的成功。
第五條
對于3DCAD與CAE市場，通用CAD，通用前后處理非常重要，這兩個核心切入點，通用CAD的實現：可以讓國內大量的制造業相關的公司更容易基于其上開發出不同的應用模塊，真正滿足客戶需求，提升市場覆蓋率。通用前后處理解決了國內CAE公司瘸腿的問題，國內專項CAE求解器并不差。
第六條
通用3DCAD通過“硬投入”的方式，很容易矯枉過正，不能一蹴而就的事情，我們可以分步迂回的實現，畢竟通用CAD已經發展了近60年，這么大的差距，尤其是在應用層的模塊上的積累，這個需要巨大的開發量。但目前貌似我們目前的重心是在核心組件上，核心組件的成熟需要至少8年時間的科學地淬煉，即使國外現有的Parasolid、ACIS的成功也是有西門子與達索龐大的用戶群體淬煉出來，不是想當然的熱情就能做出來的。在此期間我們使用國外的核心組件就是一種迂回策略，過渡性策略，像Andriod與鴻蒙。
第七條
CAE軟件，現在我們的核心短板是前處理，一旦我們有個頂級的前處理并且共享出來，將會徹底釋放我們國家CAE產業的現狀。基于云計算、數字化仿真樣機、數字化合規驗證，這種新的環境與細分方向，同樣可以給我們迂回的機會。和國外路線一樣，有些國外此方面的核心組件，我們先用起來，這個是正常的路線。而且組件的合作協議都是長期的，成本也非常低，并沒有License層面的技術控制，除非操作系統變化，在合約期內法律上合法使用的，這可以給我們足夠的過渡期。在過渡期，我們的目標是市場。
國產工業軟件技術路線可以齊頭并進，CAX軟件開發和底層引擎開發同步進行。就像C919在做，航發、航電也在做一樣，到成熟的時候可以實現替換，軟件主要還是看用戶的接受程度。首先要軟件可用，真正是能用來設計產品的軟件。
軟件“有這個功能”和“這個功能能用”是完全不同的兩回事，千萬不能用前者代替后者。前者作為驗證性產品是可以的，但是真正面向用戶的時候就需要有巨大的經濟與時間投入，不然用戶花錢買個不能用的東西，這怎么可能？要想實現國產替代，就得在充分競爭的環境下，做到產品能用，這是硬道理。
易賦為機械工業信息研究院“機工智庫”顧問，陳琛為機械工業信息研究院“機工智庫”研究員。感謝達索系統吳敏博士，杭州新迪陳志楊博士，華中科技大學章志兵博士對本文的指導意見.