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機床網
哪四大領域至今還被美日德壟斷?
2021-05-24 13:47:28

1

工業軟件領域

中國目前最大的工業軟件企業屬于華為技術。但即使華為十分強大,但在設計產品時,仍然需要用到美國的三家軟件公司Synopsys、Cadence、Mentor提供的EDA(電子設計自動化)軟件工具。值得一提的是,美國軟件企業的芯片設計極為復雜,芯片里面擁有幾十億個晶體管,因此,他們的EDA工具的極限設計精度是很難替代的。


國內市場在核心工業軟件領域:CAD研發設計類軟件市場,被法國達索、德國西門子、美國PTC以及美國Autodesk公司占據達90%以上,國內數碼大方、中望軟件等只占不到10%的市場。CAE仿真軟件市場領域,被美國ANSYS、美國ALTAIR、美國MSC等公司占據了幾乎全部市場份額。即使技術含量較低的生產管理類工業軟件領域,高端市場被德國SAP與美國ORACEL公司壟斷90%以上。


工業軟件絕不是簡單的IT軟件,更不是普通的互聯網公司能夠涉足其中的。比如其中的代碼行數,全球最大的軟件公司不是微軟,也不是SAP(德國的全球領先軟件公司), 而是世界最大的軍火商美國的洛克希德·馬丁公司。


再來看下三大行業,比如制造業:AutoCAD、proIE、ug、SolidWorks、建筑業:AutoCAD、Revit、3dsMax、娛樂媒體:3dsMax、Maya、Autodesk Smoke,以上發現里面經常使用的軟件,沒有一個軟件是我們研發的,它們全部來自國外的軟件企業。


再比如國內各行各業幾乎都在使用的軟件AutoCAD,這是美國Autodesk(世界領先的設計軟件和數字內容創建公司)的產品,它幾乎壟斷了中國所有的CAD工具,值得一提的是,在俄羅斯根本沒有人使用AutoCAD,因為俄羅斯人使用的是nanoCAD, 是俄羅斯自己研發的CAD工具。


在工業軟件領域如果缺乏核心,不亞于缺乏芯片技術一樣。不過,中國管理軟件和嵌入式開發做得還不錯。事實上,如果要掌握工業軟件核心技術,就要實現建模技術,虛擬仿真,數學運算,而這些完全依賴于數學算法,這些算法需要長時間的潛心研究及高端的人才。


德國最大的工業軟件公司仍然不是西門子,也不是大眾,更不是蒂森克虜伯,而是SAP SE(思愛普)。盡管只是一家軟件公司,但它是一家引領著德國工業4.0國家戰略的公司,雖然它在2019年世界500強中只排名427位,德國人厲害的是,世界500強中80%的公司卻都是它的客戶。


著名的SAP(System Applications and Products)軟件就屬于這家公司的產品,它是ERP(Enterprise-wide Resource Planning,芯片設計生產必備神器)解決方案的先驅,也是全球排名第一的ERP軟件??梢哉f,幾乎每分每秒,SAP軟件都運行在全世界120多個國家、超過172,000家企業的機房里。有人說,一旦SAP斷供,三分之一的芯片企業會死得很難看。


日本的工業軟件發展相對差一些。全球第三大經濟體的日本,在軟件銷售方面僅次于美國,因為日本本土的工業軟件卻沒有拿得出手的品牌。日本企業更愿意在制造業的硬件方面下功夫,不愿意花太多精力去研發軟件。日本人他們更青睞于軟件的外包開發。全球軟件外包市場規模達到1000億美元,而日本一家就占了十分之一。


比如經常幫日本寫代碼國家就是印度、中國和愛爾蘭的碼農。雖然日本沒有十分全面的工業軟件產業,但日本在某些方面仍然頗有建樹,這主要源于日本企業及其喜愛嵌入式軟件的開發。比如日本的精密機床、機器人和汽車,成為日本世界級品質的嵌入式軟件的三大載體。


日本所有帶有數字接口的設備,比如手表、微波爐、手機、數字電視、汽車等都使用嵌入式系統,并且這種嵌入式軟件涉及的領域十分廣泛。日本的這種方式,讓日本小精尖的電子產品稱霸全球幾十年時間。


可以說,制造業的最核心技術其實就是工業軟件,其中包括:邏輯編程、數據建立分析、設備驅動、程序更改、傳感器應用等,這些全部都需依賴軟件技術。


德國西門子、美國GE、法國施耐德之前為了維持他們傳統的壟斷地位,瘋狂并購世界上的工業軟件公司。比如2016年11月,德國西門子以45億美元收購了全球三大電子設計自動化軟件EDA之一的Mentor。


當前,進入中國工業領域的重要工業軟件,包括研發類的CAD、CAE、CAM、CAPP,信息管理類的ERP、CRM、HRM,及生產控制類的MES、PCS、PLC,總共占比接近40%。此外,還有60%的嵌入式軟件(嵌入特定設備的專用軟件),原因是工業企業對工業智能終端、工業傳感器、工業自動化裝備需求巨大。時至今日,可以說幾乎每一件工業品的生產、每一臺工業設備的上線運行,都是最先來自于工業軟件中,然后才有最終實體的產品及運行實體。


中國工業發展的最大瓶頸就是工業軟件,并且工業軟件企業的發展水平及瓶頸將會成為下游企業掣肘因素。比如中國核電技術已達到世界一流實力,尤其是國產的華龍核電系統已走向了世界。但據業內人士透露,核電系統的軟件采用的是德國西門子的NX軟件(西門子公司提供的產品工程解決方案,NX軟件設計的模型、生產制造過程的管理等起到很大的作用。


再比如在航天工業方面曾長期使用美國Analytical Graphics公司開發的STK分析軟件,STK可以支持航天任務的全部過程,包括設計、測試、發射、運行和任務應用,目前STK最高版本是11.0。因此,工業軟件往往被稱為中國工業企業“短板中的短板”,在此領域需要發力追趕。


在CAD研發設計領域,法國達索、德國西門子、美國PTC以及美國Autodesk公司在中國市場的份額超過90%,國內數碼大方、中望軟件、山大華天等只不到10%的市場份額,神舟航天、金航數碼也僅僅在航天領域擁有一定市場份額。


在CAE仿真軟件領域,美國公司ANSYS、ALTAIR、NASTRAN占據的市場份額超過95%。但是目前國內的軟件企業開始在汽車研發、建筑CAD等領域正發起奮力沖擊。

在生產管理領域,德國SAP與美國ORACEL公司占有高端市場的90%以上,國內的用友、金蝶大約只占據中低端市場的80%左右。


值得一提的是,德國SAP公司的營收水平高達250億歐元上下,曾經超過國內同行用友網絡15倍以上。在生產控制領域,西門子、施耐德、GE、羅克韋爾也具有優勢明顯。而國內的南瑞、寶信、石化盈科因為在電力、鋼鐵冶金和石化行業積累多年,具有一定的競爭力。


EDA被認為是工業軟件的尖端領域,我們的集成電路芯片技術的更新換代,主要一個制約因素就是EDA。值得一提的是,三家美國軟件公司Cadence、Synopsys和Mentor占據了全球EDA行業營收的70%以上。


EDA主要用于芯片設計,設計費用也不斷持續增加,而且每一次技術精度的迭代,軟件都會有30%-50%的代碼需要重新編寫,軟件所形成的瓶頸是其關鍵限制因素。

國內軟件企業比較擅長管理軟件(比如辦公軟件、財稅軟件),而工程軟件弱勢明顯,目前,國內80%的規劃軟件、50%的制作軟件、95%的效勞軟件依然無法做到自主可控。





2

重型燃氣輪機領域


重型燃氣輪機被稱為制造業的"王冠"!原因是,它在技術復雜度上是最困難的少數幾種工業產品之一,也是我國發展制造業強國的道路上的攻克方向。


燃氣輪機輪機分為:重型燃機、中小型燃機和微型燃機。重型燃機通常專為工業發電設計、中小型燃機往往用于調峰、壓氣機和航空或艦船用動力系統。陸用中小型燃機又可分為工業燃機及航改燃。


歐美國家的船用燃機一般都是航改燃產品,而前蘇聯的產品大多為艦船專門研制,因此,前蘇聯的船用燃氣輪機大小往往介于歐美船用燃機和工業燃機之間。因此,重型燃氣輪機技術同航空用燃氣輪機技術上差別很大,二者不能簡單轉換。


2019年上半年,全球前四大燃氣輪機生產廠家在發電用燃氣輪機市場的份額為:GE 占比49.66%,西門子占比26.13%,三菱日立占比12.36%,安薩爾多占比6.41%,目前,全球也僅有這四家可以生產最高水平的H/J級燃氣輪機。


重型燃氣輪機的級別越高代表著熱效率也越高,E級燃氣輪機的單循環熱效率為34%左右,聯合循環為53%左右。F級的單循環在38%左右,聯合循環在57%左右。而效率越高,意味著同樣的能源,將能夠獲得更多的電力,這個對于艦船、電廠等是十分關鍵的一個指標。


國內的東方電氣生產過70多臺300萬MW的燃氣輪機,雖然國產率達到了80%,但其核心的20%是無法買的,同時這些技術也沒有人轉讓,無疑這些核心技術制約著我國向更高水平邁進。此后,東方電氣完全自主研發出來50MW重型燃氣輪機,為將來研制出來更大型的燃氣輪機奠定了重要的基礎。


之前世界上能獨立研制重型燃氣輪機的國家卻只有美國、德國和日本。而重型燃機的研發制造水平往往很大程度上代表了一個國家的重工業水平。因為重型燃氣輪機在研發上,不僅看重性能,還要強調性價比,必須能夠為電廠等使用單位帶來好的的效益。


好在中國已經成功研制出了50兆瓦級重型燃氣輪機,實現了F級50兆瓦重型燃氣輪機從無到有的突破。中國在重型燃氣輪機三大體系的構建上日趨完善,實現了原型設計、設備制造和試驗交付的三位一體。中國也成為了全球第五個完整掌握重型燃氣輪機設計制造技術的國家。



3

高端電容電阻領域


中國是最大的基礎電子元件市場,一年消耗的電阻和電容,數以萬億計。而最好的消費級電容和電阻,來自日本。


電容和電阻,是電子工業的黃金配角。電容市場一年200多億美元,電阻也有百億美元量級。此領域市場頭號“玩家”是日本,占據一半以上份額,尤其是以村田、TDK等企業為代表,中國臺灣地區位居次席,而中國大陸的產品則多屬于中低端。


電子工程師、瑞迪航科(北京)技術有限公司總經理曾經說,“在軍用級別,國產電阻電容是能滿足需求的,但一些特殊的定制電阻,國內公司也能生產。我們比起日本有差距的,是在消費級的、大批量生產的元件上。國內企業相當于“什么菜都會炒,但不保證每次炒出來是一個味兒”。


電容電阻的最大用戶來自手機、電腦、家用電器、汽車等消費類電子行業這一領域。在高端的電容電阻方面,最重要的是同一個批次應該盡量一致,日本這方面做得最好,國內企業差距較大。


基礎電子元件一批次可生產百萬件,對質量控制極端重要。比如某個電容不達標,可能會讓手機充電更慢,因此國際上手機各大品牌往往只采購大廠商的電容電阻。


日本的MLCC產品可以做到1000層,中國產品在300層左右。所謂MLCC(多層片式陶瓷電容器),是消費電子行業用量最大的基礎元件,也是日本企業的強項,因為日本的MLCC產品可以做到1000層。


國內業內資深的電子工程師曾經說:“MLCC就像千層酥,只不過小得多?!盡LCC只有米粒大小,是一個內有電極的陶瓷塊兒,是幾百層陶瓷和幾百層金屬疊壓起來的。電容的原理是兩電極夾一層絕緣介質,用來儲存電荷。并且介質層越薄,電容數值越大。


制作MLCC有點像攤煎餅:陶瓷粉末漿,被刮刀攤平成厚度約1微米的涂層,再敷上去一層金屬粉末漿,陶瓷介質貼上了電極。之后,一大張薄膜被疊壓、烘干、燒成瓷。


陶瓷漿和電極漿如果不配套,干燥時就會“起皮”;烘干太快會出裂紋,烘干不徹底也會導致瑕疵;燒瓷要暴露于特殊氣體;冷卻不會開裂。哪一環節不到位,產品就可能大比例不達標??蛻粢笫且话偃f個MLCC只允許一個不合格。重要的是,MLCC十分脆弱,相同一種規格的產品,大品牌可能細節更優秀,而且不易機械損壞。



值得一提的是,始終堅持基礎研發的日本巨頭企業,始終關注高端,集中精力做利潤更大的高端市場。


據業界估計,隨著手機更輕薄和頻段更多,體積小性能好的元件用量會大大上升,iPhone使用的MLCC是手機中最多的,最新的iPhone要用上千顆。


汽車(尤其是電動汽車)行業使用的電容和電阻更多,并且元件質量要求十分苛刻,由于沖擊、溫度、粉塵和腐蝕等條件更惡劣,而且不能有安全上的隱患。汽車用元件市場大,技術門檻非常高,未來市場或繼續被日本巨頭公司控制。


據日經亞洲評論之前報道,世界上電子器件廠商在5G智能手機的供貨方面競爭激烈。其中,尤其在4G產品上擁有穩固市場份額的日本制造商希望通過MLCC的微型化技術,保持其對于中韓競爭對手的領先優勢。


日本村田制作所董事長村田恒男曾經表示:“考慮到目前的芯片安裝技術,它的尺寸要盡可能小?!痹摴镜男滦投鄬犹沾呻娙萜?,已經開始大量生產,而且成為智能手機的關鍵部件。


在智能手機中,MLCC的重要作用是,被用于存儲和放電以維持電路中的穩定電流。村田制作所的新設備尺寸僅為0.25毫米x 0.125毫米,是全球最小的MLCC!但它的體積僅為同類產品的五分之一,但蓄電能力卻達到驚人的十倍!


MLCC放置在智能手機的整個電路板上。根據統計,在高檔電話中使用了大約800個MLCC,而在5G手機中,這個數字要高出20%。


英國技術研究專家,Omdia的日本電子研究負責人南川明(Akira Minamikawa)曾經表示,由于其先進的微型化技術,日本MLCC制造商在競爭中具有超越外國競爭對手的堅實優勢。他說:“中國和韓國的競爭對手仍然不能”復制”日本的MLCC”。


事實上,5G智能手機比4G型號需要更多的具備更嚴格規格的零件,以使得更高的速度處理更大的吞吐量。由于空間十分寶貴,因此,5G設備在很大程度上依賴于可以縮小零件并增強其功能的技術。


手機占用最多空間的組件是電池。5G手機消耗會更多的功耗,而且可以更快地處理更多數據。由于受到設計體積限制,5G手機需要更大容量、且體積較小的電池。


日本TDK在中國香港的子公司Amperex Technology曾經占據了全球智能手機鋰離子電池市場30%的份額,TDK一直在通過開發層壓鋰離子電池來提升其小型化技術。


日本東京的Techno Systems Research的研究人員藤田滿?。∕itsutaka Fujita)曾經表示,除蘋果(Apple)和三星電子(Samsung Electronics)等傳統客戶外,ATL還為中國和其他地區的中型制造商提供了越來越多的服務。他預測,今年ATL的市場份額將繼續增長。


日本的NEC子公司Japan Aviation Electronics Industry正在研究制造無噪聲連接器的新技術,并利用其為航空航天應用開發的技術來在5G智能手機組件市場中占據優勢。事實上,很多日本電子元件制造商能夠自行開發材料和制造先進設備,并且擁有無法效仿的核心技術,讓世界上的競爭對手無法復制他們的產品。



南川明曾經說:“中國和韓國的競爭者將在未來十年縮小與日本競爭者的差距,但由于日本制造商還將發展其技術,它們將無法輕易追趕?!?


除日本制造商在智能手機關鍵零部件上占據一定的地位外,韓國的三星和其他韓國公司控制著全球90%的有機發光二極管顯示器市場,這些顯示器由于比LCD更輕薄,因此,在越來越多的5G手機中使用。目前國內的京東方科技集團也曾經努力從韓國競爭對手中獲得份額。


值得一提的,許多美國公司是智能手機芯片技術的領導者。高通公司計劃在2021年推出兼容5G的處理器,其專家表示,這將為低價手機帶來更快的網絡標準。這將是高通公司的最新芯片組產品,高通公司正在穩步擴展其5G兼容產品組合。


日本的Kioxia是世界上唯一一家至今仍站立不倒的日本存儲芯片制造商。同時該公司正為大規模生產下一代存儲器做準備,并利用對大容量產品需求的預期增長獲利。


綜上所述,高端MLCC被海外市場把控。從全球市場份額來看,日本廠商占據十分明顯的領先優勢。特別是在全球前十大MLCC廠商中,日系廠商全球市場銷量占有率為五成左右,且日系各大廠商在高端產品及核心原材料陶瓷粉末技術上領先世界其他廠商,產能規模上也大于其他地區,在行業內有較大話語權,技術優勢非常明顯。


日本村田制作所是這個行業的絕對龍頭,其市場占有率多年保持行業第一,重要的是它的產品規格、電容量范圍十分齊全,而且技術領先。早在2017 年,其全球市場占有率就達到 25.8%。


韓國的MLCC廠商三星電機位居行業第二位,其2017 年市場占有率達到 21%。中國臺灣地區的國巨和華新科也占有重要的市場地位,國巨市場份額位居全球第三。大陸廠商風華高科2017 年的市場占有率僅為 2.7%。

4

數控機床領域

中國自2003年起至今都是世界數控機床最大的消費國及進口國,但國產的數控機床大多為中低端產品,高端數控機床90%依賴進口,其中,日本是主要的進口來源國,大約占三分之一。


所謂數控機床,是指裝有程序控制系統的自動化機床,能夠在編程好的系統控制下讓機床加工零件,與傳統機床比,具有加工精度高、對加工對象適應性強、生產效率高等優點,尤其在航空航天、船舶、汽車、鐵路建設、國防軍工等行業都有著十分廣泛應用。


數控機床產業屬于資金密集型、勞動力密集型、知識密集型等三位一體的產業。中國曾經是全球機床產量最大的、采購額最高的國家,但機床的銷售額并不高,特別是在高檔機床領域,中國主要還是從美日德等國家進口機床。


據新思界產業研究中心公布的《中國高端數控機床行業市場深度評估及2020-2024年投資可行性咨詢報告》顯示,2018年我國高檔數控機床的國產化率大約在7%左右,依然處于偏小狀態。從需求方面看,2013年,我國高端數控機床的需求占比已經達到了10%左右,2018年大約在20%左右,與7%的國產化率相比差距非常大,2018年中國高端數控機床市場規模為617.4億元。


由于中低端數控機床產品市場是國內企業集中競爭的區域,因此,產品同質化程度非常高,已進入了完全競爭的態勢。我們的數控產業,不管是技術水平還是成熟度,與發達資本主義國家相比差距明顯。從產業成熟度來看,我國高端數控機床與國外的差距大約在40-60年左右,相當于發達國家二十世紀五六十年代的水平,而且我國一直處于制造業的底端,數控機床工業化水平極需提高。


國家發布的《中國制造2025》也重點提出到2025年中國的關鍵工序數控化率要從當前的33%提升到64%。我國數控機床市場需求十分廣闊、政策支持力度非常大,重要的是具有非常好的發展潛力,進口替代空間也較大,但是需要時間。


日本在數控機床方面,其出口量一直位居世界首位。自1958年研制出第一臺數控機床以來,日本政府長期通過規劃和法規鼓勵科研機構和企業大力發展數控機床,并且提供十分充足的研究經費。值得一提的是,日本不斷通過在機床部件配套方面向德國學習,在數控技術和數控系統的開發研究方面不斷向美國學習,最終日本獲得巨大的成效。1978年至今,日本數控機床的產量、出口量始終位居全球首位。


美國是數控機床發明國,美國在數控機床的主機設計、制造和數控系統方面具有很強的市場競爭力。美國的機床技術盡管依然屬世界一流水平,但其產量上卻居世界第三,同時也是全球數控機床主要進口國。


原因是美國對數控機床的進口需求仍然很大,早在2012年,數控機床進口需求一直超過金屬加工機床。2013年,由制造業回流拉動的設備投資開始放緩,機床缺口尤其是數控機床缺口開始縮小。


德國自1956年研制出第一臺數控機床,從此以后,德國的數控機床開始穩健發展,并且在傳統設計制造技術和先進工藝基礎上,德國數控機床不斷采用先進電子信息技術,疊加科研的基礎上自行創新開發。


德國十分重視各種配套元部件、數控系統的研發,自60年代開始,德國的西門子公司就開始涉足數控系統,目前,德國公司與日本法那科共同占據高端數控系統市場80%的份額。值得一提的是,德國數控機床的主機配套件,機、電、液、氣、光、刀具、測量、數控系統等各種功能部件無論在質量上、還是性能上都位居世界先進水平。自2013年,德國機床行業產值實現4%的增幅,總產值一度達到111.5億歐元的最高紀錄,尤其在全球的占比達到18.9%。


中國近些年無論經濟發展還是科技水平都取得了令人驚嘆的成就,中國是最大的發展中國家,我們在看到巨大的成績面前也要看到不足之處,不妄自菲薄,同時也要奮發圖強,努力去追趕,最終實現中華民族的偉大復興。

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