华泰 | 计算机:GPT&工业设计软件产业分析

（以下内容从华泰证券《华泰 | 计算机:GPT&工业设计软件产业分析》研报附件原文摘录）
　　目前ChatGPT在工业软件中的应用，主要聚焦于辅助代码生成。就AI技术而言，已经开始赋能Autodesk、Dassault、Siemens、PTC、Ansys等全球CAD/CAE龙头公司的相关产品，主要形式包括建筑等专业领域的设计规划、嵌入软件中的助手工具或插件、草图绘制、创成式设计等。 核心观点 人工智能是工业软件的重要赋能器 从工业软件角度看，ChatGPT尚未像微软365 Copilot那样与工业软件深度融合。目前ChatGPT在工业软件中的应用，主要聚焦于辅助代码生成。就AI技术而言，已经开始赋能Autodesk、Dassault、Siemens、PTC、Ansys等全球CAD/CAE龙头公司的相关产品，主要形式包括建筑等专业领域的设计规划、嵌入软件中的助手工具或插件、草图绘制、创成式设计等。工业软件作为GPT和AI技术在应用端落地的产品载体，相关标的包括中望软件（CAD）、盈建科（结构设计仿真）、霍莱沃（CAE），以及华大九天（EDA）、概伦电子（EDA）和广立微（EDA）等。 ChatGPT用于生成工业研发设计软件代码 GPT系列模型先后经过GPT-2/3/3.5/4等多个大版本，模型参数量、性能不断优化。2021年8月，在数十亿行代码的训练下，基于GPT-3的Codex具备了代码生成能力，并不断进行优化，最终由ChatGPT继承。2022年3月，ChatGPT开始基于GPT-4对外提供服务，代码生成能力进一步提升。在CAD领域，ChatGPT能够支持Autodesk公司开发的LISP、MEL、MAXScript等语言，根据用户自然语言描述生成相关代码，并给出解释。但是，生成结果中出现编造“函数名和语法”、语法错误等情况，未达到实用水平。 人工智能已广泛应用于CAD和CAE软件 CAD和CAE软件中已集成了人工智能相关功能。我们研究了全球CAD和CAE龙头公司，包括Autodesk、Dassault、Siemens、PTC、Ansys等，发现人工智能技术已在各公司旗下的产品中得到了实际应用。例如，Autodesk将AI应用到施工与建筑设计中，Dassault在云解决方案3DEXPERIENCE推出基于AI的设计助手，Siemens推出业界首个AI驱动的CAD草图绘制技术，PTC引入AI驱动的创成式设计，Ansys提出基于AI的流体求解器和数字孪生技术等。 创成式设计是基于AI的重要工业设计应用方向 在AI和云计算能力的支持下，创成式设计技术能够根据现实世界的制造约束和产品性能要求，快速循环、测试和生成多个CAD就绪解决方案，产生设计师和工程师难以有效发现和建模的选项，并筛选出最优结果。与传统设计方法相比，优点在于：1）能够提供大量设计方案，简化设计流程，缩小设计师选择范围；2）可以模仿自然的进化设计方法，从参数设置出发，开发出独特的解决方案和零件几何形状；3）设计师可以在更短的时间内探索更多的选择，选择更优的解决方案。 ChatGPT对工业软件的影响探讨 除了使用ChatGPT生成代码来辅助开发者开发外，ChatGPT还可能在其他方面对工业软件产生影响。1）信息搜索与归纳。内嵌或集成在工业软件中，实现网络信息的搜索、归纳、整理。2）软件需求分析和设计。用户输入需求信息，即可生成UML组件图，或帮助开发人员完成文档工作。3）优化工业软件设计和研发参数。利用ChatGPT的大模型技术，迁移训练出优化设计和研发参数的小模型。4）更智能的“Copilot”助手。借鉴微软Office 365和Copilot经验，在工业软件中集成更智能的软件助手。 风险提示：宏观经济波动，技术进步不及预期。本报告内容均基于客观信息整理，不构成投资建议。 正文 ChatGPT用于生成工业研发设计软件代码 CAD & CAE：工业研发设计软件重要组成 CAD和CAE是工业研发设计软件的重要组成部分。CAD（Computer-aided design，计算机辅助设计）侧重设计，利用计算机及图形设备辅助设计人员进行设计工作，用自动化的流程替代手动制图。CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）侧重于分析，基于有限元分析理论，产品对现实世界中的力、振动、热、流体流动和其他物理效果做出的反应，判断产品是否会断裂、磨损或者是否在按照设计的方式工作。 ChatGPT：能够生成代码的大语言模型 ChatGPT是OpenAI开发的生成式人工智能大语言模型。GPT系列模型诞生于2018年的GPT-1，先后经过GPT-2/3/3.5/4等多个大版本，模型参数量、性能不断优化。2021年8月，在数十亿行代码的训练下，基于GPT-3的Codex具备了代码生成能力，并不断进行优化，最终由ChatGPT继承。2022年3月，最新版GPT-4发布，ChatGPT开始基于GPT-4对外提供服务，代码生成能力进一步提升。 ChatGPT在CAD中的应用：生成代码 ChatGPT能够按照开发者的自然语言指示生成CAD代码，并给出相应的解释。目前在CAD领域，ChatGPT能够支持Autodesk公司开发的Visual LISP/AutoLISP语言、Maya核心脚本语言MEL、3ds Max相关产品的通用脚本语言MAXScript，以及用于AutoCAD平台二次开发软件包ObjectARX的VisualC++语言等。例如，询问ChatGPT“编写ObjectARX以实现AutoCAD选择矩形的中心”，ChatGPT将返回相应代码，并给出相应解释，辅助开发人员进行开发。 ChatGPT生成的代码未能达到直接使用的水平，仅能做辅助参考。虽然ChatGPT能够按照开发人员要求生成代码，但是从实际效果来看，并未达到直接使用的水平。例如，在Autodesk 3ds Max社区，有开发者利用ChatGPT生成了一段MAXscript代码，但是未能成功运行。其它开发者则指出生成的代码“与正确的MAXscript语法相去甚远”，甚至存在编造“函数名和语法”情况。这一现象或是大语言模型常出现的“幻觉”现象，即生成一些看似有道理但实际并不正确的内容。ChatGPT生成的代码或只能作为辅助参考使用。 人工智能已广泛应用于CAD和CAE软件 CAD和CAE软件中已集成了人工智能相关功能，创成式设计是重要方向。创成式设计（Generative Design）是人工智能在CAD和CAE等研发设计软件中重要的应用方向，创成式设计可以让设计师和工程师专注于“设计”本身，而将具体的实现交给人工智能、云计算和机器学习，大大提高产出效率。此外，我们还研究了全球CAD和CAE龙头公司，包括Autodesk（欧特克）、Dassault（达索）、Siemens（西门子）、PTC、Ansys等，发现人工智能技术已在各公司旗下的产品中得到了实际应用，主要形式包括建筑等专业领域的设计规划、嵌入软件中的助手工具或插件、草图绘制、创成式设计等。 创成式设计：基于AI的大规模生成式设计方法 创成式设计基于AI、云计算和机器学习技术，提供更多更有效的工业设计方案。在AI和云计算能力的支持下，创成式设计技术能够根据现实世界的制造约束和产品性能要求，快速循环、测试和生成多个CAD就绪解决方案，产生设计师和工程师难以有效发现和建模的选项，并筛选出最优结果。制造约束和产品性能要求包括尺寸、重量、强度、风格、材料、成本、进度、可制造性等。创成式设计的优点在于： 1）生成更多可替换方案。创成式设计能够提供大量的设计方案，简化了设计流程，使设计师能够快速缩小选择范围，并专注于发现符合可用材料或制造能力的可行替代品。 2）生成更具特点的方案。在人工智能和机器学习的支持下，创成式设计平台可以模仿自然的进化设计方法，从参数设置出发，开发出独特的解决方案和零件几何形状，超越人类想象。 3）消耗更少的时间。设计师可以在更短的时间内探索更多的选择，选择更优的解决方案，并在没有常规验证的情况下进行方案完善。 Autodesk：将AI应用到施工与建筑设计中 Autodesk与DAISY合作提高施工设计流程的效率。DaisyAI是第一款由人工智能（AI）提供支持的木材设计CAD软件，可在10分钟内生成符合规范的最佳设计，每天为工程师节省2-3小时，减少80%木材浪费。Autodesk的Kratos研究项目则使用AI方法快速评估包括混凝土在内的多种材料的结构设计。2022年，Kratos与DAISY合作，使用Kratos计算木结构中的承重墙，并将结果输出给Daisy来生成详细的平面图，减少了地基中使用的混凝土，并用来设计房子的地板部分。 Autodesk与Obayashi合作将人工智能用于建筑中的体积设计和规划。Obayashi是日本建筑、工程和房地产开发公司。2021年，Obayashi与Autodesk Research合作开发了人工智能解决方案，让建筑师输入建筑的基本参数，并在最少的人类指导下，获得体积估计和室内布局。该应用程序的人工智能主要用于办公空间，使用Obayashi的2800多个Autodesk Revit文件组合中的子集进行训练。人工智能工具可以理解程序之间的抽象关系以及建筑体积中所需的连接、大小和比例，人类只需要用简单的语言指定建筑元素及其位置关系等。 Dassault：推出基于AI的设计助手 Dassault在云解决方案3DEXPERIENCE中推出设计助手Design Assistant。Design Assistant包括四个工具，使用内置的机器学习算法，根据设计人员的工作流程提供设计帮助，帮助完成耗时和重复的任务，让设计人员更加关注创造力工作。 Selection Helper：根据当前的工作状况，识别相似、对称、长度相当或位于附近的其他边等元素，并预测设计人员可能选择的其他边、圆角或倒角。若设计人员手动添加某些选项后，Selection Helper将进一步细化结果。最后，当设计人员同意结果，Selection Helper将自动执行相应操作。 Mate Helper：能够识别重复零部件的位置并提出建议，自动将多个零部件实例插入到部件中，提高效率并减少安装重复组件（如紧固件）所花费的时间。 Sketch Helper：下一步要绘制的草图，并将选定的草图对象和实体快速复制到具有相似周围特征的多个位置。 Smart Mate：当设计人员拖动某个零部件到能够与周围其他部件结合的地方时，Smart Mate能够自动识别结合处，并动态生成相应的零件与结合处完美结合。 SOLIDWORKS Visualize 2018 SP3引入了AI Denoiser（降噪器）。AI Denoiser由NVIDIA和Dassault合作提出，基于机器学习和人工智能，经过数千张图像和示例项目文件的训练，能够可视化并消除场景中的噪点，并将渲染完成速度提高10倍，能够用于静止图像、动画、360-VR等场景。 Siemens：业界首个AI驱动的CAD草图绘制技术 Siemens推出业界首个人工智能驱动的CAD草图绘制技术。在当前的设计环境中，大多数概念草图是在CAD软件之外进行的，因为用户必须预先决定并构建到草图中的规则和关系级别。2020年6月，Siemens推出的NX Sketch软件基于人工智能即时的进行关系推断，用户将要拖动或修改的内容，并根据周围的几何图形识别几何关系，支持用户在没有预定义参数、设计意图和关系的情况下进行草图绘制，摆脱纸质手绘草图。该技术在概念设计草图绘制方面提供了极大的灵活性，能够处理导入的数据，并对旧数据进行快速迭代，实现单个草图中处理数万条曲线。 Siemens在新版NX软件中利用了人工智能和高级仿真功能等先进技术。NX是Siemens的高端CAD软件，也是Xcelerator软件和服务产品组合的一部分。2022年10月，Siemens在发布的NX中引入人工智能和高级仿真功能等先进技术，基于人工智能和机器学习，在选择相似命令中，利用形状识别来快速识别几何相似的组件。此外，NX语音命令辅助允许用户调用命令、导航多级菜单和操作，甚至通过教给系统单词或短语来让系统执行常见任务。例如，询问NX“Have we done something like this before?”，NX将使用Siemens的Geolus技术实现形状搜索。 PTC：引入AI驱动的创成式设计 PTC通过AI驱动的创成式设计提高工程生产力。PTC借助AI驱动的创成式设计软件，使得工程师可以交互式地指定要求和目标，包括首选材料、制造工艺等，创成式引擎将自主创建最佳设计。创成式设计的优点在于：1）允许用户在短时间内探索许多设计备选方案；2）通过考虑材料、制造工艺和性能要求等多种因素，创成式设计可以帮助用户创建针对特定目标进行优化的设计；3）可以通过自动化设计过程和快速探索许多设计备选方案来大大减少设计产品或组件所需的时间。 PTC的Creo集成了创成式拓扑优化扩展和基于云的创成式设计扩展。创成式拓扑优化扩展（Generative Topology Optimization，GTO）能够快速探索创新设计选项，从而减少开发时间和费用；基于云的创成式设计扩展（Generative Design Extension，GDX）能够使用不同的材料和制造方案同时创建多个设计，并突出显示更好的选项供用户查看。比较GTO和GDX，前者更适合针对特定材料和制造设计流程优化模型，后者更适合快速开发和并行比较多个方案。 Ansys：基于AI的流体求解器和数字孪生 ActivationNet或将被整合到结构和流体求解器中，以提高接触的3D表面质量。2022年5月，Ansys团队提出了基于3D卷积神经网络（CNN）的新架构—ActivationNet。ActivationNet算法为产品模型中的每对3D表面接触（surface contact）计算1到100之间的分数。得分90及以上的表面相互作用模型为可信任结果，可以用来进行准确的仿真；得分20以下的相互作用模型可以直接删除；得分20-90的相互作用模型应进行复查或重塑。在通过Ansys软件开发团队的测试后，据Ansys信息，ActivationNet算法或将被整合到结构和流体求解器中，以提高接触3D表面的质量。 Ansys的Twin Builder软件帮助创建设备或流程的数字孪生，以使用AI实现自动化。Microsoft Project Bonsai通过图形连接已经编程并用于执行某些AI功能的软件模块，帮助工程师在不使用数据科学的情况下创建人工智能自动化。但是，仅在物理世界进行训练成本过高。因此，Microsoft Project Bonsai与Ansys Twin Builder合作，通过同时运行机器或应用程序的数百个虚拟模型，并将数字孪生生成的数据直接进行优化，大大降低了训练时间和成本。此外，虚拟模型还支持工程师引入极端情况，提高训练性能。 ChatGPT对工业软件的影响探讨 除了使用ChatGPT生成代码来辅助开发者开发外，ChatGPT还可能在其他方面对工业软件产生影响。 1）信息搜索与归纳。类似于微软新Bing，内嵌或集成在工业软件中，实现快速在海量的网上数据中搜索到用户感兴趣的信息，并进行归纳整理，而不需要依赖用户的搜索技巧、知识储备、文档整理、外语等其他方面。 2）软件需求分析和设计。用户输入需求信息，ChatGPT能够生成UML组件图（构件图），用来描述在软件系统中遵从并实现一组接口的物理的、可替换的软件模块。此外，在规范软件分析和流程中，能够帮助开发人员完成文档工作。在软件设计阶段，利用ChatGPT获得接口定义，模块划分，技术选型等知识和帮助。 3）优化工业软件设计和研发参数。利用ChatGPT的大模型技术，添加少量的工业软件设计和研发参数信息作为训练数据，迁移训练出针对性的小模型，节约算力资源、实现参数优化、提高优化效率。 4）更智能的“Copilot”助手。借鉴微软Office 365和Copilot经验，工业软件也可以训练出更智能的软件助手，让用户通过自然语言的形式，指导软件进行相关操作和设计，并能够针对当前的设计情况进行提炼和分析，并预测用户的下一步指令等。 风险提示 1、宏观经济波动。若宏观经济波动，产业变革及新技术的落地节奏或将受到影响，宏观经济波动还可能对AI投入产生负面影响，从而导致整体行业增长不及预期。 2、技术进步不及预期。若AI技术和大模型技术进步不及预期，或将对相关的行业落地情况产生不利影响。 本报告内容均基于客观信息整理，不构成投资建议。 相关研报 研报：《GPT&工业设计软件：产业分析》2023年3月30日 谢春生 S0570519080006 | BQZ938 关注我们 华泰证券研究所国内站（研究Portal） https://inst.htsc.com/research 访问权限：国内机构客户 华泰证券研究所海外站 https://intl.inst.htsc.com/mainland 访问权限：美国及香港金控机构客户 添加权限请联系您的华泰对口客户经理 免责声明 ▲向上滑动阅览 本公众号不是华泰证券股份有限公司（以下简称“华泰证券”）研究报告的发布平台，本公众号仅供华泰证券中国内地研究服务客户参考使用。其他任何读者在订阅本公众号前，请自行评估接收相关推送内容的适当性，且若使用本公众号所载内容，务必寻求专业投资顾问的指导及解读。华泰证券不因任何订阅本公众号的行为而将订阅者视为华泰证券的客户。 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