CAD软件的“星球大战前传”

百家 作者:智能制造IM 2021-03-18 22:45:27 阅读:346

( 文/ Chris Bowd,本文由e-works王阳 吴昳凡 编译 )

导读

本文撰写于2004年,回顾了截至2004年的CAD软件产业发展历程。通过梳理每一个时期CAD技术与市场发展概况,展现了一幕幕CAD软件产业新旧交替、波澜壮阔的历史。


随着CAD软件的诞生与发展,领导者几度更迭,挑战者你方唱罢我登场;巨头们站在高处也曾骄傲自满,但颠覆者从未停下追赶的脚步;一串串历时久远、熟悉而陌生的姓名,一个个似曾相识而历久弥新的公司。


图源:Autodesk


本文浓缩了CAD软件发展的过去,但历史总能像镜子一样折射出CAD软件可能的未来。本文距离今天已有17年时间,而CAD软件的格局似乎定格在17年前。这期间虽不断有创新涌现,却不足以改变游戏规则和竞争格局。谁会是下一个挑战者?我们拭目以待。


希望本文对中国自主工业软件产业发展有一定的参考和借鉴意义!

(原文:http://cadazz.com/cad-software-history.htm


01

CAD软件史

20世纪60年代

 从欧几里得到 SDRC...


CAD软件,即计算机辅助设计软件,过去也称为计算机辅助绘图软件,是指帮助工程师设计和制造实体产品的软件程序,应用于建筑、桥梁、道路、飞机、船舶、汽车,以及数码相机,手机,电视,衣服,电脑等行业。现在的CAD软件通常指的是CAD/CAM软件(“CAM”是计算机辅助加工的缩写)。


CAD软件的历史最早可以追溯到古希腊数学家欧几里得,尽管他并没有预见到今天的CAD产业的发展。欧几里得在其公元前350年的数学专著《几何原本》(The Elements)中提出了许多假设和公理,而这些假设和公理构成了欧几里得几何学的基础,今天的CAD软件系统就是建立在这些基础上的。


Euclid (欧几里得) 图源:pinterest


在欧几里德之后2300多年,Ivan Sutherland于20世纪60年代初,在麻省理工学院(MIT)的博士论文中开发了第一个真正的CAD软件,名为“Sketchpad”。这是一个革命性的系统(当然,它与今天的CAD软件相比十分原始),设计人员可以使用光笔在电脑屏幕上绘图,以图形方式与计算机进行交互。Ivan Sutherland这一发明着实具有独创性,尽管2004年的计算机能在不到一微秒时间内完成60年代需要耗费数小时的操作,并且TFT触摸显示器/输入设备也轻易可得的情况下,仍没有哪个领先的CAD软件将这种直接的操作纳入其用户界面。


Ivan Sutherland和他的Sketchpad

图源:slideshare


Sketchpad是世界上第一款CAD软件,但在1957年,第一个商用CAM软件系统,名为PRONTO的数控编程工具由Patrick J. Hanratty博士开发出来。因此,Hanratty博士常被称为“CAD/CAM之父”。


Patrick J. Hanratty博士


由于早期计算机的高成本以及飞机和汽车独特的机械工程要求,大型航空航天和汽车企业成为CAD软件最早的商业用户。第一代CAD软件系统是由制造企业内部IT团队(通常与大学研究人员合作)开发的2D绘图应用程序,主要用于实现重复性绘图工作的自动操作。Hanratty博士于20世纪60年代中期与通用汽车研究实验室共同开发了一个名为DAC(计算机自动设计)的CAD系统。此外,还有许多公司开发了专用的 CAD 软件,包括麦道航空(1966 年发布 CADD)、福特(1967 年发布 PDGS)和洛克希德(1967 年发布 CADAM)等。


20世纪60年代中期,Control Data Corporation发布了第一个商用CAD软件Digigraphics。该软件是在ITEK早期CAD软件研究系统(名为“电子绘图机”,运行在Digital Equipment Corp.的PDP-1主机上)的基础上开发的。与Sketchpad 一样,输入是用光笔完成的。Digigraphics的售价为每台50万美元,当时只售出了极少数几套。


关于2D CAD软件的许多早期开创性研究都是在当时麻省理工学院数学实验室(现为计算机科学系)进行的。同时,欧洲研究人员也变得活跃起来,1965年,Charles Lang的团队,包括剑桥大学计算机实验室的 Donald Welbourn和A.R.Forrest,开始认真研究3D建模CAD软件。剑桥大学3D CAD软件研究的商业效益直到1970年才开始显现。


20世纪60年代中期,法国研究人员也开始在复杂3D曲线和曲面几何计算领域展开创性的研究。雪铁龙公司的de Casteljau在复杂3D曲线几何算法上取得了重大进步。20世纪60年代末,Bezier (雷诺)在de Casteljau的一些算法的基础上发表了其突破性的研究成果。de Casteljau和Bezier的研究至今仍然是3D CAD软件的基础。麻省理工学院(S.A.Coons,1967年)和剑桥大学(A.R.Forrest,Charles Lang的团队成员之一,1968年)也都积极地进一步研究了复杂3D曲线和曲面建模在CAD软件中的实现。


到20世纪60年代末,人们对CAD软件的商业应用的兴趣渐增,许多CAD软件公司应运而生,包括Applicon、Auto-trol、Computervision(1969年将其第一个商业CAD软件许可证出售给Xerox)、Evans&Sutherland,麦道的McAuto部门(实际成立于1960年)、SDRC(Structural Dynamics Research Corp.)和United Computing。


工程师操作Applicon 图源:cadhistory


尽管后来出现了一波技术变革、快速增长和不可避免的并购,许多早期的CAD软件公司还是取得了成功;一些公司还使用原名(例如Auto-trol),有些则改了名(例如United Computing,即UGS)。早期的研究先驱,如Hanratty博士,仍然是MCS(Manufacturing and Consulting Services)的现任总裁,Sutherland博士,Charles Lang等人仍然具有很大的影响力。


02

CAD软件史

20世纪70年代

 从内部开发到国际通用标准...


20世纪70年代,CAD软件开始从研究转向商业用途。与20世纪60年代末一样,大多数CAD软件还是由大型汽车和航空航天制造企业的内部团队开发,并且通常与大学研究团队合作。


在这十年中,汽车制造商如福特(PDGS)、通用汽车(CADANCE)、梅赛德斯-奔驰(SYRCO)、日产(1977年发布的CAD-I)和丰田(1973年由Hiromi Araki博士的团队发布的TINCA,1979年由Hiromi Araki博士发布的CADETT)和航空航天制造商如洛克希德(CADAM),麦道(CADD)和诺斯罗普(NCAD,目前仍部分使用)都有大型的内部CAD软件开发团队,致力于开发专用CAD程序。


福特(PDGS) 图源:John C Stoskopf


大多数CAD软件是手工绘图的替代品,可以给制造商带来的好处包括:1)减少绘图错误,2)提高绘图的可重用性。其中,由洛克希德飞机公司开发的CADAM(Computer Augmented Drafting and Manufacturing)系统是最著名的2D CAD软件程序之一,发展30多年仍然存在。1975年,法国航空航天公司Dassault Systemes从洛克希德公司购买了CADAM的源代码许可证,并于1977年开始开发名为CATIA(Computer Aided Three Dimensional Interactive Application)的3D CAD软件程序,该软件一直发展至今,是目前最成功的商业CAD。


CATIA运行在IBM电脑上 图源:medium.com


20世纪70年代,人们开始使用简单的2D CAD软件程序,如CADAM,同时,对3D CAD软件的研究和商业兴趣迅速增长。这十年间,最有影响力的研究之一是CAD软件的复杂3D曲面建模。1975年,K. Vesprille(雪城大学)发表了博士论文“B样条近似形式的CAD应用”。此论文建立在60 年代 Bezier、Coons 、Forrest的研究以及R.F.Risenfeld(也在雪城大学)的早期(1973)研究成果的基础上,至今仍然是3D CAD软件中复杂3D曲线和曲面建模的基础之一。


1972年,第一个3D实体建模程序,来自MAGI(Mathematics Application Group,Inc.)的SynthaVision发布。SynthaVision不是CAD软件,而是一个对核辐射进行3D分析的程序。SynthaVision的3D模型是实体模型,类似于后来3D CAD软件使用的CSG(constructive solid geometry)模型。总的来说,尽管计算机性能稳步提高,计算密集型的实体建模还是没有办法投入实际应用。Charles Lang的团队(剑桥大学)和Herb Voelcker的团队(罗切斯特大学的生产自动化项目)在70年代中进行了广泛的实体建模研究,而这两个团队所采取的方法大相径庭。直至今日,他们的研究成果成了CAD软件产品的基础。


Herb Voelcker致力于研究CSG实体建模,并于1978年发布了PADL(Part and Assembly Description Language)实体建模器,后来应用于20世纪80年代早期的几个商业3D实体建模CAD软件程序中。在20世纪70年代早期,B. Baumgart(斯坦福大学)利用他在有限元网格应用方面的优势提出了B-rep(边界表示)数据结构。而剑桥大学Charles Lang团队的Ian Braid在70年代中期发布了大量关于B-rep在实体建模中应用的研究,最终在1978年发布了第一个实现了B-rep的实体建模系统。发布后不久,Ian Braid进入Charles Lang、Ian Braid 等人于1974 年在剑桥成立的 CAD 软件咨询公司Shape Data Ltd.。


计算机功能日益强大,特别是采用了具有优化Fortran编译器和图形终端的低成本小型计算机,让更多的工程师可以使用CAD软件。商业CAD软件市场逐渐兴起,在70年代末变得非常强大且收益颇丰。随着CAD软件日益广泛的开发和使用,市场开始需要某种形式的标准化。1979年末,波音、通用电气和NBS(美国国家标准局,现改为NIST,美国国家标准与技术研究院)达成共识,着手开发一种通用的转换格式——IGES(Initial Graphic Exchange Standard),并于次年发布。IGES实现了复杂的3D曲线和曲面在不同的3D CAD软件程序之间的转换。尽管有其他格式出现,IGES至今仍然是CAD软件中使用最广泛的数据转换格式。


IGES格式,图源:wikipedia

上世纪70年代,许多CAD软件供应商纷纷成立,涌现了许多新兴商用CAD软件。1970年,M&S Computing(Intergraph的前身)成立。次年,Hanratty博士创立了MCS。1972年,MCS发布了ADAM CAD软件,该软件被其他CAD软件公司(包括Computervision、Gerber Scientific和United Computing)迅速授权为OEM产品,并被用作其商业CAD软件系统的内核。


到70年代末,第一批真正的商用CAD软件供应商已成形,许多汽车、航空航天和消费电子公司开始使用一些商用CAD软件,与其内部开发的专有CAD软件程序相结合。这一时期的商业CAD软件包括:Auto-trol的Auto Draft、Calma、Computervision的CADDS、IBM的CADAM(代表洛克希德销售)、M&S Computing的IGDS(Interactive Graphics Design Software)和McAuto的Unigraphics(McAuto 1976年收购United Computing),这些软件都试着在这崭新的、生机勃勃的CAD软件市场取得一席之地。CAD软硬件市场规模从1970年的2500万美元一下增长到了1979年的10亿美元,而投资者对CAD软件供应商的兴趣也反映了这一趋势。毫不意外,1979年Auto-trol成为第一家成功完成公开募股的CAD软件供应商。


20世纪70年代是CAD软件取得重大进展的十年,尤其是CAD软件所基于的基本几何算法。同时,计算机硬件也在不断发展,DEC推出的VAX小型计算机在1979年的市场份额仅次于IBM,Data General、惠普和Prime推出的小型计算机也使得计算机价格和运营成本持续降低,让较小型企业也能够使用CAD软件。20世纪70年代末,新的高级编程语言(如C语言)和更简单的操作系统(如UNIX)得到了更广泛的应用,第一代具有图形功能的台式计算机(如惠普1978年的HP9845系列)的出现让工程师开始尝试编程,并预示工作站计算时代即将到来。


03

CAD软件史

1980-1985

 从大型主机到UNIX工作站...


20世纪80年代伊始,CAD软件开始发展成为追逐商业利润的领域。然而,由于疯狂的商业产品开发以及CAD软硬件技术迅猛的发展,CAD软件市场在80年代末迎来了激烈的商业竞争。


在80年代早期,DEC新推出的VAX系列小型计算机似乎有着主导这十年工程计算和CAD软件的势头。在许多方面,DEC的MicroVAX标志着该公司明显的技术领先地位,然而矛盾的是,通过在计算机价格、性能和可访问性方面制定新的标准,并成为第一台能够运行CAD软件而无需特殊电源或冷却的高性能计算机,MicroVAX也预示着工作站时代即将到来(最终导致DEC的消亡)。


DEC VAX 图源:wikipedia


在CAD软件市场,M&S Computing于1980年更名为Intergraph,并于1981年成功上市。1983年,Intergraph发布了一系列基于DEC的VAX和MicroVAX处理器的InterAct和InterPro系列3D复杂曲面建模CAD软件。当时,大多数成功的CAD软件都是以硬件和软件交钥匙方式打包销售的,惠普意识到CAD软件有着明显的商业潜力,可以促进计算机的销售,于是在1980年成立了商业CAD软件集团,开发PE CAD软件。1981年,Avions Marcel Dassault创建了Dassault Systemes子公司,并和IBM签署了销售和营销协议,允许IBM转售CATIA CAD软件。1982年,CATIA V1(CADAM的附加产品,提供3D曲面建模和NC功能)发布,IBM与Dassault Systemes一直保持着合作关系。GE于1981年通过收购CALMA进入了CAD市场,当时CALMA的年收入超过1亿美元。


GE CALMA CAD 图源:Jim Hamilton


在20世纪80年代早期竞争激烈的工程小型计算机市场上,DEC是无可争议的第一大供应商,但一个新的挑战——UNIX工作站正在出现。UNIX工作站的出现给计算机和CAD软件市场带来了革命性的变化,其速度远远超过任何人的预期(尤其是DEC)。UNIX的开放式体系架构为高性能计算机市场打开了一个新的市场——低成本、易维护、高性能的工作站,这些工作站的硬件专门针对科学、工程和CAD软件应用进行了优化。1980年,Apollo Computer开启了这一新趋势,随后Sun Microsystes于 1981 年,Silicon Graphics于1982 年也推出了工作站。大型和小型计算机制造商(IBM、DEC、Burroughs、Unisys、Data General、Wang等)突然发现自己被削弱、被超越了。新的玩家利用他们的UNIX开放体系架构优势,迅速改进硬件,不断扩大市场份额。而传统供应商被迫维护支持传统硬件的昂贵专有操作系统。


PC最早出现在20世纪80年代初,1981年IBM发布了第一台PC,1982年成立的Autodesk于1982年11月展示了PC电脑的第一款CAD软件“AutoCAD Release 1”。1983年,Adra系统公司成立,不久后开始推出其CADRA 2D CAD软件。1984年,Bentley Systems公司成立并发布了MicroStation,这是Intergraph公司IGDS CAD软件的PC版。次年,Micro Control Systems公司成立并发布了第一个用于PC的3D CAD软件CADKEY。Apple在1984年发布了第一款Macintosh128,1985年Diehl GraphSoft成立并发布了MiniCAD,它迅速成为Mac上最畅销的CAD软件。尽管在整个80年代PC和Mac的性能稳定增长,并且AutoCAD在2D CAD软件市场上也持续获得可观的市场份额,但与UNIX工作站相比,PC和Mac的处理器功能,尤其是图形性能偏弱。这意味着,直到下一个十年,PC才能对CAD软件行业产生革命性的影响。


AutoCAD Release 1 图源:Flickr


80年代,新一代功能强大的UNIX工作站和新兴的3D渲染技术将CAD软件市场引向三维领域和实体建模。1981年,Unigraphics发布了基于Voelcker的PADL-2 CSG实体建模内核的UniSolids CAD软件。1982年,Ian Braid、Charles Lang和英国剑桥的Shape Data团队发布了Romulus B-rep实体建模器,这是第一个可以直接集成到CAD软件中的实体建模内核。Romulus合并了CAM-I AIS(Computer Aided Manufacturers International's Application Interface Specification),是唯一一个提供第三方标准API的实体建模内核(后来的Parasolid除外),以便于集成到CAD软件中。


Romulus很快获得了西门子、惠普和其他几家CAD软件供应商的许可。IGES的第一个版本于1980年发布,但是这时使用实体模型的3D CAD软件正在兴起,并且业界产生了对CAD软件管理产品数据(例如材料特性、表面光洁度、工程公差等)的需求,这就要求有新的数据交换标准。1984年,PDES(Product Data Exchange Specification)在欧洲开始制定,以满足新需求。


1985年,CATIA V2作为独立于CADAM的CAD软件程序发布,另一家法国CAD软件供应商Matra Datavision(成立于1980年)发布了Euclid IS实体建模3D CAD软件,该软件采用了多面模型(用于提高显示速度)与CSG数据结构的独特混合。Romulus实体建模内核在1986年退役之前经历了几次升级,添加了装配管理、实例图、改进融合B样条曲面等。同样是在1985年,Evans&Sutherland收购了Shape Data。Evans&Sutherland与Charles Lang和Ian Braid保持了多年的密切关系,合作开发CAD软件来促进其图形终端和模拟器业务。E&S很快委托Bernard Solomon和他的Shape Data团队开始开发Romulus-D 3D CAD软件。Romulus-D是一个基于Romulus实体建模内核的创新3D CAD软件程序。Romulus-D在Apollo工作站上运行,并使用Apollo的DOMAIN网络,提供了CAD软件行业首个基于网络的3D CAD软件,包括装配模型,全分布式产品配置管理和变更管理等功能。


Romulus-D 图源:Siemens Blog


到1985年,随着计算机硬件性能的不断提高,软件功能也不断改进,CAD软件行业似乎已经进入了一个发展舒适区。尽管硬件价格下降,但CAD软件价格居高不下,销售增长强劲,利润率很高。Computervision年收入超过3.5亿美元,成为市场领导者,领先于GE/CALMA、Applicon和Intergraph,其次是麦道/Unigraphics和IBM/CATIA。而在1985年,一个新的强劲的3D实体建模CAD软件供应商出现在了市场上,那就是Parametric Technology Corp.(现在的PTC),此后的CAD市场将变得大不相同。


04

CAD软件史,1986-89

PTC席卷全球

 CAD市场从自满到认清现实...


得益于计算机硬件的飞速进步,CAD软件厂商在80年代初迅猛发展,并且随着计算机价格和维护成本的降低,潜在市场不断扩大,更多用户开始使用CAD软件。CAD软件价格一直居高不下,1981年,CAD市场收入超过10亿美元,CAD软件行业预期还在持续增长。领先的CAD软件供应商认为主要的CAD软件品牌已经确定,新的竞争对手,如Matra Datavision将被仅仅局限于利基市场,这滋生了他们的自满,如同IBM和DEC在计算机硬件市场上一样。1981年,通用电气收购了CALMA,1986年,Dassault Systemes收购了CADAM,CAD软件市场开始出现了通过收购进行整合的趋势(一直持续至今),这也进一步助长了CAD软件巨头的自满感。


另外还有一个趋势也使得CAD厂商愈加自满:航空航天和汽车制造商开始放弃其自主开发的CAD软件,并从供应商处购买大量的CAD软件。波音公司在1980年启动了TIGER 3D CAD软件项目,但在1988年宣布将使用CATIA设计新一代的777飞机,为IBM-Dassault Systemes创造了10亿美元的惊人收入。通用汽车公司继其CADANCE CAD软件之后,在20世纪80年代初开始开发GDS CAD软件,但在1988年,通用汽车启动了C4(CAD-CAM-CAE-CIM)程序,以整合精简其使用的繁多的CAD软件程序。出于同样的原因,麦道的航空航天部门启动了C3(CAD-CAM-CALS)计划。20世纪80年代,从内部开发软件向商业解决方案的转变使整个CAD软件市场规模扩大一倍以上,CAD软件供应商收益颇丰。


1987年,当PTC 推出第一个UNIX工作站3D CAD软件Pro/Engineer时,领先的CAD软件供应商有:Computervision(CADDS),Intergraph(IGDS和InterAct),麦道(Unigraphics),GE/CALMA ,IBM/Dassault Systemes(CADAM和CATIA)和SDRC(I-DEAS,于1982年推出)。这些供应商最初认为Pro/Engineer构不成威胁,发展不成熟且不稳定。然而,在Pro/Engineer发布后的18个月内,PTC以创纪录的速度售出新的3D CAD软件许可,整个CAD软件市场,包括CAD软件供应商的销售、市场和研发团队都陷入了不同程度的动荡。


图源:slideshare


Pro/Engineer颠覆了用户对CAD软件的用户界面功能、易用性,尤其是实体建模速度的想象。作为主流的3D CAD软件,Pro/Engineer 首次实现了 20年前在Ivan Sutherland的Sketchpad中展示的一些概念功能(除光笔外),也是第一个完全基于实体建模以及基于历史特征和约束的3D CAD软件。Pro/Engineer一夜之间就让其他供应商的CAD软件的用户界面显得过时了。


Pro/Engineer充分利用UNIX的X-Windows提供了一个用户界面,包括下拉菜单、上下文菜单、弹出选项和输入框、图标以及其他用户友好的功能。与Pro/Engineer相比,其它供应商的CAD软件都是基于专有操作系统,用Fortran和汇编语言编写,速度慢、笨拙,缺乏竞争力。如果不是因为Pro/Engineer最初较弱的3D曲线和曲面建模功能,以及高昂的投入成本,包括培训,尤其是制造商已经在现有CAD软件系统中遗留数据的转换(转换为Pro/Engineer专有数据格式的成本非常高),PTC可以取得更为迅猛的发展。


MDM&E/Unigraphics(McDonnell-Douglas Manufacturing &Engineering)是第一个认识到UNIX工作站迅速崛起的主要CAD软件供应商,也是少数几个有着支持多种硬件平台历史的供应商之一(自1976年支持各种数据通用模型,自1977年支持DEC模型)。1987年,John Mazzola、Tom Curry和Jerry Maryniak采用了一种“开放硬件平台”策略,根据该策略,Unigraphics 将被移植到Apollo、惠普和Sun的 UNIX工作站,并在1988年初首次发布了惠普版本。鉴于与IBM的密切市场关系,Dassault Systemes也将CATIA移植到了IBM新的UNIX RISC工作站(RS6000)上,1988年发布的CATIA V3支持RS6000。


Pro/Engineer发行时,以航空航天起家的Dassault Systemes在复杂3D CAD软件领域已经赢得了很高的声誉。Dassault Systemes彼时正忙于与波音的合作,因此Dassault Systemes最初受到的PTC的威胁较小。而MDM&E/Unigraphics所受到的威胁更大,被迫做出快速的反应,因此1988年底,Unigraphics从Evans&Sutherland手中收购了Shape Data(即将发布Parasolid)。


Unigraphics很快淘汰了基于PADL-2的UniSolids实体建模CAD软件,并于1989年底推出了一种基于Parasolid的更具集成性和竞争力的实体建模CAD软件——UG/Solids。


Parasolid是由John Owen和他的团队在Shape Data设计的,与之前的Romulus实体建模内核向上兼容,并保留了CAM-I AIS API。Ron Davidson于1989年推出Parasolid,一个事实标准的实体建模内核,很快,西门子Nixdorf、通用动力、富士通和其他公司就购买了Parasolid,以将其集成到各自的CAD软件程序中。Charles Lang和Ian Braid于1985年在英国剑桥成立了Three Space Ltd.,并由Dick Sowar的Spatial Technology(该公司由Sowar和John Rowley于1986年创建)持有,以开发Spatial Technology的Strata CAM软件的ACIS实体建模内核。ACIS的第一个版本于1989年发布,并很快获得了惠普的许可,将其集成到其ME CAD软件中。


20世纪80年代日本研究人员也非常活跃,东京大学的Fumihiko Kimura教授和他的团队从80年代初就开始研究实体建模。Kimura教授的一位研究人员Hiroaki Chiyokura博士在20世纪80年代中期进入Ricoh,1987年Ricoh发布了DesignBase边界表示实体建模内核,其独到之处在于使用Gregory曲面(相对于NURBS)作为其几何造型基础。DesignBase很快被许多日本CAD软件供应商采用,Ricoh从1989年开始通过其美国办事处销售Designbase。这标志着ACIS、DesignBase和Parasolid之间的“实体建模内核之战”的开始,这场战争将持续近十年。


1987年,在计算机硬件市场,Apollo、Sun Microsystems、SGI、惠普、DEC和IBM之间的“工作站大战”达到了白热化,Apollo继IBM和DEC之后排第三。1989年,惠普收购了Apollo,取代DEC成为第二。到80年代末,第一代RISC处理器和高性能实时3D全彩渲染技术成为硬件市场上的标杆。惠普和Sun成为最强大的通用工作站供应商,SGI则在3D图形工作站市场占据主导地位。DEC当时大势已去,正拼命试图恢复其80年代的辉煌,IBM离产生美国企业史上最大的亏损之一已经为时不远。


在CAD软件市场,PTC的Pro/Engineer依旧是新闻中的主角,凭借其3D实体建模和渲染性能,PTC的发展比竞争对手快一个数量级(有时是几个数量级)。主要的CAD软件供应商让他们的销售人员散布“使用Pro/Engineer会更快导致BUG出现”的信息,同时又开发与Pro/E的竞争产品。3D CAD软件开发人员不得不在深夜和周末加班加点,试图复制Pro/Engineer的用户界面,对标其实体建模性能。


这十年从CAD行业翘楚的自满中开始,老牌CAD软件供应商遭受了巨大的损失。CAD软件的潜在市场显著扩大,但欧洲和美国的经济衰退最终压低了CAD软件的平均价格,先前丰厚的利润也减少了。到80年代末,领先的CAD软件供应商是:Dassault Systemes(CATIA)、PTC(Pro/Engineer)、MDC(Unigraphics)和SDRC(I-DEAS)。Computervision和CALMA(被通用电气分离)都在1988年被Prime Computer收购(Prime Computer本身就在破产边缘),与Intergraph一样,失去了当年的雄风。


05

CAD软件史,1990-1994年

 从UNIX工作站到Windows NT ...


CAD软件市场进入动荡的1990年代:PTC的Pro/Engineer 3D CAD软件继续影响用户的期望,并以比以往更快的速度向更多客户出售了3D CAD软件,但与此同时,在CAD短暂的发展历程中,一些最大的CAD合同由其他CAD软件供应商竞争并赢得。Pro/Engineer基于UNIX X-Windows的用户界面,尤其是3D实体建模速度,从根本上改变了用户对3D CAD软件的期望。其他CAD软件供应商正在匆忙开发其“ Pro/E竞品”升级,而他们的营销团队则忙于说服新老客户等待这些新升级发布。尽管参数化技术的成功并没有直接威胁到Autodesk,但随着PC CAD软件市场的迅速扩张,Autodesk也面临着一系列新的挑战,Autodesk的创始人John Walker在他的回忆录记录了当时的心情:“每当我读到1982年到1988年间写的东西,或者回想那些年,总觉得它们愈发遥远而陌生。”


Autodesk创始人John Walker

图源:keanw.com


幸运的是,对于老牌的CAD软件供应商来说,由于制造企业越来越多地受到成本和“上市时间”压力的推动,开始利用更多的自动化技术,当然包括更多的CAD软件,因此CAD软件市场得以强劲增长。到1990年,波音的“全CATIA无纸化”设计策略明显取得了成功,并且安全地消除了验证纸质设计方案所需的许多物理样机,大大缩短了上市时间。波音的成功促使其他航空航天和汽车制造企业考虑将其大部分工作标准化为单一的“企业CAD软件供应商”,因此,在1990-1993年期间,CAD软件历史上出现了一些超级大单。普惠公司基于Unigraphics进行了标准化,通用电气飞机发动机也是如此。梅赛德斯·奔驰,克莱斯勒,雷诺和本田在CATIA上进行了标准化。卡特彼勒在Pro/Engineer上进行了标准化。通用汽车还决定将大量使用Unigraphics,因此,MDM&E/Unigraphics于1991年底被EDS(Electronic Data Systems Corp.)收购。


到1992年,UNIX工作站重新定义了CAD,不再有基于大型机或小型计算机终端使用的CAD软件。那些一直专注于专有硬件+软件交钥匙解决方案的供应商(最著名的是Computervision和Intergraph)受到的打击尤其惨重,(例如IBM 1992年50亿美元的巨额亏损证明了这一点)。IBM清楚地意识到客户越来越希望使用低成本的“开放”系统,而不再准备支付维护专有硬件和操作系统的巨额费用。


到1993年,CAD软件市场明显分化:IBM-Dassault Systemes(CATIA),EDS-Unigraphics(Unigraphics)和PTC(Pro/Engineer)是基于UNIX工作站的3D CAD软件领域领导者,紧随其后的是SDRC(I- DEAS)。前二十年的巨头,包括在1992年Prime倒闭时从Prime Computer分离出去的Computervision(CADDS),以及Intergraph(I/EMS)已经落后,难以恢复以前的势头。


尽管在1990年代初期涌现了大量的“企业标准” CAD软件合同,但对于领先的CAD软件供应商来说,要使其产品脱颖而出变得越来越困难。Pro/Engineer的影响力是如此之大,3D CAD软件供应商急于追赶PTC的快速发展;到1994年,每个领先供应商提供的3D CAD软件程序都变得非常相似:每个程序都具有草图绘制、约束管理、基于特征的实体建模、历史树、NURBS曲面和X-Windows用户界面等。


对于领先厂商而言,另一个问题是由Spatial Technology(ACIS)、EDS-Unigraphics(Parasolid)和Ricoh(Designbase)发起的“ 3D实体建模内核之战”。这三家公司通过授权越来越复杂的3D B-rep实体建模库,被授权的公司可以将其集成到现有的CAD软件中以提供强大的实体建模功能。由于内核的定价极低,因此即使是最小的CAD软件供应商也负担得起将3D实体建模集成到其产品中。尽管当时的功能不如Parasolid,但ACIS建模器却被Spatial极力推销,到1993年,Spatial在全球已经拥有70多家使用ACIS的3D CAD软件供应商的客户名单:其中最著名的是Autodesk。


Autodesk在PC浪潮中稳步发展,1992年收入达到2.85亿美元,成为当时的第一大2D CAD软件公司(相比之下,EDS-Unigraphics CAD软件在1992年的收入不到Autodesk一半,约为1.3亿美元)。Autodesk最初于1990年获得Spatial的ACIS内核许可,1994年,Autodesk宣布已出售其第1,000,000个AutoCAD 2D CAD软件许可,并发布了AutoCAD Release 13,包括基于ACIS 3D内核的三维实体建模功能。


到1994年末,CAD软件行业已适应UNIX工作站的冲击,甚至DEC也将通过其发布新的“ Alpha”处理器来重拾昔日的辉煌。另外两大事件与Autodesk发布的3D CAD软件结合在一起,则彻底改变了CAD软件行业:微软发布了首个用于PC的32位操作系统Windows NT,英特尔发布了首个32位Pentium Pro芯片。与此同时,随着EDS/Unigraphics正式发布基于Windows NT的Parasolid,Spatial Technology在Windows NT上发布了针对ACIS的3D 工具扩展包,以及Ricoh在Windows NT上发布了Designbase,这场“ 3D实体建模内核大战”愈演愈烈。3D CAD软件以前需要花费数年时间和数百万美元研发资金,如今则可以在不到一年时间内进行开发和发布。1993年,一家名为SolidWorks的小型CAD软件公司就这样出现了。


SolidWorks创始人正在回顾

SolidWorks第一个beta版本中的一些细节

图源:Jon Hirschtick


06

CAD软件史,1995-1997年

 SolidWorks和PDM ... 


上世纪90年代中期,CAD软件市场出现了两次重大变化,基于PC的 3D CAD软件爆炸性增长和由此带来的PDM市场增长。


正如文字处理工具使得生成的文档数量激增一样,CAD软件也导致创建的图形数量呈爆发式增长,并且随着CAD软件的激增,PDM软件(例如Sherpa于1984年创建的SherpaWorks) 已开始出现,以简化这些图纸的管理。波音777无纸化设计的成功吸引了人们的兴趣,使用PDM软件不仅可以管理工程图纸,还可以对CAD软件创建的庞大零件数据库进行配置管理和变更管理。


90年代初期,新兴PDM供应商数量急剧增加。EDS/Unigraphics于1991年发布了其首款PDM软件InfoManager(后来更名为iMAN,以避免可能的商标名称冲突)。1992年,SDSD和Control Data合资成立了Metaphase。那一年,Workgroup Technology Corp也成立了。PDM的发展非常强劲,以至于1994年Adra Systems的CAD收入和PDM收入几乎平分秋色,要知道,Adra从80年代中期就推出CADRA 2D CAD并于1992年推出3D CAD软件,MatrixOne PDM的推出则要晚得多。


尽管PDM的发展仍在持续,但到1995年,基于B-rep实体建模和NURBS曲面建模的三维CAD软件已经开始趋于平稳,供应商们不再关注基础技术突破,反而更多地关注增量改进,开始于90年代初的“赶超PTC”效应也开始减弱。1995年末,当SolidWorks发布SolidWorks 95 这款3D CAD软件时,号称“以20%的价格提供80%的Pro/Engineer功能”,其他CAD供应商的反应与1987年PTC发布Pro/Engineer的反应截然不同。


SOLIDWORKS 95与Windows 95一起发布
图源:Microsoft


Pro/Engineer最初版本给市场带来了巨大震动,传统CAD供应商被迫完全重新评估和重写其基本体系结构。SolidWorks 95的发布则使得他们考虑是否部分迁移或整体迁移到Windows NT上。尽管UNIX和Windows NT操作系统之间存在实质性差异,并且移植并非易事,但得益于Windows极其出色的开发工具(MFC,Visual C ++等),并且 “构建公平的竞争环境” 通常只是时间问题。实际上,到1995年底,所有领先的UNIX 3D CAD软件供应商都已经发布了Windows NT版本。


基于Windows系统出现的价格一万美元以下的3D CAD软件,给基于UNIX的CAD软件供应商带来了一个商业困境。很明显,许多3D CAD软件用户需要CPU功能,特别是UNIX工作站提供的图形功能,但同样明显的是,有大量的用户对PC的性能感到满意。1997年,随着Intel推出功能越来越强大的奔腾处理器,以及多家台湾制造商为PC生产越来越强大的3D图形卡,UNIX的性能优势正在迅速消失。


突然,UNIX 3D CAD软件供应商发现自身面临巨大的定价压力,因为对性能敏感度较低的客户开始购买SolidWorks 95,而不是选择性能更高、价格更昂贵的UNIX 3D CAD软件(或价格较低、但功能更复杂的Windows产品)。Autodesk也面临着改善其3D CAD软件产品的压力,因为很多具有更高3D性能要求的AutoCAD客户购买了SolidWorks 95,而不是选择基于ACIS的较低价格的3D CAD软件。这也催生了中端CAD市场的诞生,SolidWorks的成功还体现在,仅仅两年之后的1997年,Dassault Systemes就以3.2亿美元的价格将其收购。


1996年,Intergraph还发布了一款类似SolidWorks的基于Windows的3D CAD软件产品,SolidEdge。SolidEdge基于Spatial Technology的ACIS内核(实际上,SolidWorks的第一个原型也基于ACIS,但Spatial后来拒绝了SolidWorks的许可建议),其发布的目的是提高Intergraph高性能3D图形PC“ TD”的销量。经过一段时间成功的销售,SolidEdge业务在Dassault Systemes收购SolidWorks之后不久于1997年被EDS-Unigraphics收购。


图源:Siemens blogs


同时,Autodesk越来越担心他们百余万2D CAD用户受到SolidWorks、SolidEdge和其他全功能3D CAD软件的吸引,这些软件分别来自Bentley Systems、CADKEY等公司。1996年,Autodesk发布了Mechanical Desktop,这是他们的第一个全功能3D实体建模CAD软件,并迅速成为当时全球销量第一的3D CAD软件产品。


1997年,CV公司(Computervision)也试图在3D CAD软件市场上占有一席之地,这一年,CV发布了基于EDS Unigraphics Parasolid内核的DesignWave 3D CAD软件。


1996年,通用汽车做出统一Unigraphics的决定,福特汽车则在1997年决定用SDRC的I-DEAS 3D CAD软件替换其内部开发的PDGS CAD软件,这意味着企业内部开发CAD系统时代的终结,而这一传统可以追溯到上世纪60年代。很明显,这也标志着CAD软件发展进入了一个新阶段:


  • 相对容易取得快速增长的繁荣时期已经过去;

  • CAD软件技术水平越来越缺乏差异化,这使竞争变得更加困难和昂贵;

  • 基于Windows 的3D CAD之间激烈的价格/功能竞争,对3D CAD软件收入造成了下行压力,降低了纯CAD软件销售的价值。


CAD软件供应商需要多样化,而PDM为他们提供了机会。在上世纪90年代中期,PDM市场一直以每年20%以上的速度增长,到1997年达到11亿美元的规模,预计接下来5年增长还会翻番,而那些传统CAD软件供应商们仅持有个位数的市场份额,他们将不可避免地转向PDM领域以实现未来的增长。


07

CAD软件史,1998-1999年

 PDM,Internet和PLM ...


1998年,经过十多年的发展后,DEC被PC制造商Compaq收购。DEC的收购给软件市场(包括CAD软件市场)传达出一个已被证实是事实的信息:如果未在Windows上运行,则可能被淘汰无法运行。在短短的二十年中,这个市场已经走过了很长的一段路。

上世纪90年代后期,CAD软件市场主要有三大发展特征,且三大发展特征都基于同一个基本前提——领先的CAD软件供应商不再可能仅仅依靠3D CAD软件收入保持竞争和增长。这三项发展特征是:

  • 收购和兼并;

  • 争先恐后抢占PDM市场份额;

  • Internet热潮的兴起。


Dassault Systemes从1997年收购SolidWorks后开始了一系列收购。同年,EDS-Unigraphics从Intergraph手中收购了SolidEdge,Dassault Systemes也收购了制造可视化市场领导者Deneb Robotics(成立于1985年)。CAD软件市场自诞生以来最大的一次变革发生在1999年,当时的市场领导者PTC收购了前市场领导者Computervision。同样在1999年,Dassault Systemes收购了另一家知名的CAD软件供应商Matra Datavision。

与此同时,互联网泡沫从1997年5月开始引发,当时亚马逊网站已成功完成IPO。到1998年底,亚马逊网站的市值已经飙升至170亿美元,而且没有迹象显示其上升速度有所放缓。几乎所有行业,包括CAD软件供应商都在追捧 “互联网化”策略,以从当时所预测的B2B巨额收入中获益,当然,它们的股价也在互联网浪潮中飙涨。

尽管一些公司(如1997年成立的Alibre)很快就宣布推出支持C/S(Client-Server)架构的3D CAD软件,该软件将允许在Web上进行完整的3D建模,更重要的是可以在Web浏览器中查看3D模型,并为PDM系统构建Internet/Intranet浏览器接口。Dassault Systemes是其中的一位佼佼者, 得益于其为波音777项目跨网络集成CAD软件的经验,Dassault Systemes早在1996年就通过CATIA Conferencing Groupware向支持Internet的CAD软件迈出了第一步,可实现在Web上对CATIA模型进行审查和注释。Dassault Systemes在1997年发布了CATWeb Navigator, CATWeb Navigator提供了基于Web的CATIA 3D模型和装配体的增强查看功能,然后在1998年初创建了其ENOVIA子公司来开发PDM II系统(可以使用CATWeb Navigator模块提供基于Internet的PDM)。

1998年,EDS将Unigraphics和iMAN部门拆分为Unigraphics Solutions,并通过IPO出售了新公司14%的股份。1999年,Unigraphics Solution总裁John Mazzola宣布,公司将重新调整其业务以更加专注于基于Web的PDM和桌面可视化,并且推出了iMAN PDM软件及iMAN Web Author扩展。同样在1999年,PTC宣布与SupplierMarket.com结盟,为PTC新推出的Windchill PDM软件增加ecommerce aspect功能,Dassault宣布将收购Smart Solutions及其支持SmarTeam Web的PDM软件, CoCreate(前身是惠普CAD的软件部门)则宣布支持OpenSpace Web的3D门户。

与大量收购、PDM软件层出不穷及“互联网化”三个趋势相比,上世纪90年代末,3D CAD软件的变化非常少。Dassault Systems发布了期待已久的CATIA V5(第一个完全在Windows上实现的CATIA版本);1999年,所有领先的供应商都实现了具有大型装配查看功能、草图和约束管理、基于特征的历史记录等的Windows外观CAD软件。为了升级3D CAD软件,以和SolidWorks和SolidEdge等3D CAD软件竞争,Autodesk于1999年发布了基于Spatial Technology的ACIS内核的全新Inventor 3D CAD。Inventor是第一个不基于AutoCAD体系结构的Autodesk mechanical CAD软件。同样在1999年,意大利CAD软件公司CADLab更名为think3,并将其EurekaGold 3D CAD软件更名为thinkdesign。

虽然这一年的重磅新闻是PTC对CV公司的并购以及该并购如何影响CAD软件行业,但更值得注意的消息是,3D CAD软件几乎没有根本性的技术突破。基于两个主要的3D建模内核(Unigraphics Solutions的Parasolid和Spatial Technology的ACIS;Ricoh的Designbase已基本从3D内核大战中消失了),出现了许多新的小型3D CAD软件供应商,它们提供各种低成本产品。从1987年Pro/Engineer推出以来,截至90年代末已有十多年来没有出现新的重大技术突破。

在Ivan Sutherland发表他的SketchPad论文37年之后,CAD软件行业显然进入了Clayton Christensen所说的“技术稳定发展期”。


08

CAD软件史,2000-2004

 PDM,Internet和PLM ...


时间来到2000年,包括CAD软件供应商在内的IT业人士松了一口气,因为人们所担心的计算机千年虫问题(Y2K problems)并未成真。

在CAD软件行业中,随着Alibre发布基于Spatial Technology的ACIS的Alibre Design,这是第一个能够通过Internet执行C/S架构3D建模的3D CAD软件。人们的注意力回到了支持Web的CAD上(尽管在日本,丰田Caelum的TeamCAD从上世纪90年代中期开始就能够跨局域网进行3D建模,这甚至在 “C/S架构”流行之前)。

Autodesk在2000年年中发布了AutoCAD 2000i,这是他们的第一个支持Web的CAD软件,它提供了输出图形的功能,这些图形可以通过Web浏览器查看,还支持使用Microsoft Net Meeting进行一些简单的在线协作。

AutoCAD 2000i 图源:dwgcad

在过去的十年里,制造企业为减少从新产品概念、工业设计、详细设计、生产制造到上市的压力持续不断增加,2000年底,福特发布了福特蒙迪欧(Ford Mondeo),展示了完全集成的3D CAD软件和基于Internet的PDM系统,福特的C3P(CAD-CAM-CAE-PDM)平台将新车研制时间缩短为原来的三分之一。福特的成功证明,CAD软件、PDM软件和Internet的集成,使工程师和设计人员能够在单一数据源上查看和协作,不仅节省了时间和差旅成本,而且几乎消除了制造企业和全球供应商之间在复杂产品设计和生产过程中的不匹配和“无法改动”的问题。

波音利用“虚拟产品开发”和数字3D模型来代替粘土原型,成功地缩短了航空航天行业的产品开发时间,现在福特在汽车行业也这样做了。至少在企业的制造管理层面上,竞争焦点已经从80年代末和90年代初的三维CAD软件功能比较,转变为供应商管理设计和工程数据能力的测试;其中,三维CAD模型的重要性在整个流程中所占的比重已经越来越小。

PLM(产品生命周期管理)这个术语始于上世纪90年代初高校对制造数据库的研究,并在90年代末开始在行业中流行起来,领先的CAD软件公司很快就根据这一新兴市场趋势重新定义自己。一时间,“3D CAD软件供应商”出局了,“PLM解决方案提供商”诞生了。四家领先的供应商(Dassault Systemes、PTC、Unigraphics Solutions和SDRC)开始重新调整其企业形象、营销和销售流程;“超快的3D建模速度”、“超光速的渲染”和“逼真的图形可视化”等概念逐渐被“价值主张”、“产品族管理”和“生命周期分析”等取代。

福特在其C3P平台中使用SDRC的Metaphase PDM软件。2000年底,Metaphase收购了长期的PDM竞争对手Sherpa,以巩固其PLM地位。除了强大的数据库和网络管理之外,快速查看大型3D零部件的能力是当代PLM解决方案的关键组成部分,在2000年底,Unigraphics solutions收购了领先的3D浏览器供应商EAI。

Unigraphics solutions收购EAI

3D CAD领域另一件值得一提的事件(除了供应商对3D软件常规升级、更新和扩展之外)是,Dassault Systemes 2000年底收购了Spatial Technology的ACIS 3D实体建模内核。尽管Spatial在1996年首次公开募股(IPO)证明了组件供应商也可以取得商业成功,但它已经迷失了方向:一部分原因是Spatial从未成功地将ACIS许可给领先的3D CAD软件供应商,另一部分原因是它与许多其他供应商一样,在非必要的Internet ASP开发上过度投资。迄今为止,Dassault Systemes及其SolidWorks子公司均未使用ACIS,所以收购原因仍不清楚。

2001年初,Unigraphics Solutions更名为UGS,并收购了SDRC。同时,EDS回购了其在1990年代末公开出售的14% UGS股票(UGS是由风险投资基金财团从EDS手中收购的)。福特公司一直依赖SDRC作为C3P平台的核心,但他们也在考虑多供应商战略,以满足未来PLM软件需求。这一战略于2003年初开始实施,当时福特宣布实施IBM&Dassault Systems的CATIA和ENOVIA软件。

自1987年Pro/Engineer发布以来,虽然没有什么根本性的技术突破(Clayton Christensen教授将其称为“颠覆性技术变革”),但在这十年的初期,确实看到了一两个有趣的进展,使创建3D CAD模型更简单、更直观。2001年末,think3在其thinkDesign软件中引入了其GSM“全局形状建模”,从而可以“推拉” NURBS曲面。PTC在2003年初发布了PTC Wildfire 3D CAD软件,也试图简化3D几何图形的创建过程。

唯一一家新出现打破行业现状的3D CAD软件供应商(至少在法律上允许提及)是ImpactXoft,它在1999-2000年与日本丰田Caelum联合开发了IX/Speed和XXen CAD软件。IX/Speed和XXen的最初版本是在2001年初发布的。Dassault Systemes在2002年底对ImpactXoft进行了大量投资,IX公司现已脱离与丰田Caelum的联合开发协议,成为Dassault Systemes在CATIA组件应用架构开发的合作伙伴。

直到2004年7月,CAD软件行业由3家PLM解决方案供应商所主导(拥有CATIA和ENOVIA的Dassault Systemes,拥有Unigraphics和iMAN的UGS和拥有Pro/Engineer&WindChill的PTC),另外还包括Autodesk,Autodesk市值略低于Dassault Systemes,却是PTC的3倍。SolidWorks和SolidEdge(分别隶属于Dassault Systemes和UGS)在中端CAD市场继续与Autodesk的Inventor竞争,还有许多小型CAD玩家在CADAZZ免费CAD软件页面中被列出,它们之所以可以生存下来,是因为在细分市场的出色表现,以及与四大主要供应商提供的CAD保持兼容。

推动行业向前发展的创新似乎已经消亡,即使只是暂时的。但Clayton Christensen可能会说:“这个市场正等待着爆发!”。





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