工程设计史 | CAD发展简史【三】

导读：随着“超越仿真工程实验室”（BSEL）的成立，工业4.0研究院启动了“工程设计史”课题。本文由David E. Weisberg撰写系列文章翻译而成，分为多篇文章发布。这是“CAD发展简史”的第三篇，共分为三篇文章发布。

CAD行业的基本结构发生变化

关于CAD行业的发展，1980年代是最重要的时期。本世纪初，该行业由五家公司主导：Applicon、Auto-trol Technology、Calma、Computervison和M&S Computing(Intergraph)。其它开始进入竞争节奏的企业包括McDonnell Douglas Automation、SDRC和IBM，其中IBM当时正在销售洛克希德的CADAM软件。这些企业当中，只有Computervision和IBM生产计算机，但除了SDRC以外的其它公司都设计并生产相对昂贵的图形终端及其它系统组件。在大多数情况下，这些交钥匙系统供应商都是兼营软件销售的生产厂家，因为该行业的早期获利能力的大小显然与制造利润相关。

1980年代初期发生了两项重大变化。一方面，16-bit的微型计算机（例如Digital PDP和Data General Nova 1200）升级为32-bit超级微型计算机（例如Digital VAX11/780）。但是Digital公司显然主导了这个计算机的细分市场。另一方面，是从Tektronix存储管图形终端向彩色光栅技术的转变。这实际上使企业能够制造更多的系统。当时，所有的相关企业都对其软件进行了重大修订，有的甚至完全重写了这些系统。

一般来说，CAD系统在1980年左右的售价约每个席位125000美元，至少相当于今天的30万美元。如今我们可以用不到1万美元的价格购买Autodesk的Inventor Professional软件和一台性能中等的PC，所以会感到当时的CAD系统软件实在是价格不菲。早期的系统通常需要配备安装了空调的机房，连管理机房的基本操作员也要花费几周时间去做培训，而安装调试系统，则大多数可能要6个月才能恢复到1：1的生产率。

由于这些系统相对较昂贵，所以它们倾向于在“闭场环境”的基础上运行，并通常由图形控制台的全职工作人员进行操作。工程师和设计师会将工件任务送到“CAD部门”，等待返回结果的时间由几小时到几天不等，接收到绘图输出后再仔细检查并在图纸上作标记，检查后把图纸再次递送给CAD操作员修改，确稿之后最终把图纸交付给需求部门。在极少数情况下，工程师才被允许直接使用系统来进行交互式创意设计，或者直接和系统操作员面对面沟通并现场作响应，因为系统太过昂贵，导致其运行被分割成两个甚至三个流程。

行业概览

1982年末，当时总部位于加利福尼亚州山景城的市场研究公司Input给通用汽车公司做了一份CAD行业的深度分析报告。该报告的依据是对用户和供应商进行的大范围访谈。虽然笔者不太赞同报告中的一些观点，但是它确实找出了当时行业和用户所面临的一些关键问题。

报告认为，缺乏有效的实体模型是制约行业增长的主要因素。截至当时，已经做了大量的研究以培育用户需求，但依然没有产生有商业前景的可行解决方案。该报告还强调了应用程序的集成能力，或者说，当时缺乏集成各种设计和制造应用程序的解决方案。将数据库管理工具绑定到应用程序组合中也是迫切的需求，用户特别需要的是可靠的软件。受访者认为，以上这三个问题都比易操作性以及服务和培训的提供更重要。

当时的主要技术趋势，包括向智能工作站、联网和向彩色图形的转变。据报道，在1982年年末，对彩色系统的需求优先级比该公司一年前的类似研究要高得多。该报告还指出，产品的成本结构已经发生了重大变化——硬件变得越来越便宜，而软件却越来越昂贵。但Input的报告没有深入讨论这个趋势会给当前的交钥匙系统供应商带来多少压力。

报告还涉及到用户生产力的主题。作者指出，大多数公司在起草生产计划的时候就对技术合理性作了验证，却并未考虑到影响生产力的其它要素，例如缩短产品研发周期和提高产品质量。大多数的生产厂家都无法对这些问题进行详细说明，这种现状也被认为拖累了CAD技术的市场接受度。

工程工作站取代微型计算机

1980年代最重要的硬件技术进展之一，是工程工作站的问世。大多数CAD系统供应商已经在其图形终端中实现了越来越多的功能，从而在主机上卸载了越来越多的图形处理功能。而工程工作站则在此基础上更进一步，卸载了所有应用程序软件的执行。此后，在微型计算机或者大型主机上都可以进行文件管理，而且一种称为服务器的工作站很快就取代了专用主机。这些设备的另一个关键特性是它们可以联网，以便共享数据甚至共享计算机程序。

Apollo DN3500-330工作站

第一家工程工作站供应商是Apollo Computer公司，由John (Bill) Puduska创立。该公司成立的早期，主要是提供比较注重软件开发的硬件产品，在和OEM客户诸如Auto-trol和Calma以及领先的EDA供应商Mentor Graphics签约后不久，Apollo就开始生产具有良好图形功能的系统了。这些早期的设备使用的配置是Motorola 68000微处理器，其浮点加速器的尺寸已经缩小到一块电路板了。

与过去基于小型计算机的产品相比，基于工作站的CAD系统具有许多优势。首先，许可费和每个座席的成本要低的多，其价格迅速下降到每个席位约75000美元，随后几年内又降至5万美元以下。此外，基于工作站的CAD系统，其性能更加可预测。过去，当一家公司有6个或8个终端挂在VAX 11/780上，其中一个用户启动复杂的分析任务时，其它所有终端的性能都会受到影响。如果主机发生了故障，则所有的终端都无法使用了。而工程工作站的优势则在于，特定机器的性能不会受到其它机器操作员的影响，如果一个工作站出现故障，其它工作站仍然可以继续运行。

Apollo公司的工作站采用了大量专有技术，特别是在其操作系统和网络方面。其AEGIS操作系统类似于UNIX，但又和UNIX不同。令牌环网络是一种经过验证的技术，但不是以太网，它已迅速成为计算机行业的标准。Sun Microsystems的启动时间稍晚于Apollo，可以使用行业标准的UNIX软件和以太网组件。众所周知，Sun公司很快就被Silicon Graphics(SGI)收购。SGI强调高性能图形，但也生产了相对标准的工作站和服务器。

很快，计算机行业出现了爆炸式增长，短时间内涌现出至少20多家工程工作站制造商。它们常常被戏称为JAWS（Just Another Workstation System），大部分从未落地就迅速退出市场了。

而主流的计算机厂商们的境况则又是一个不同故事了。IBM、HP（惠普，Hewlett-Packard）和Digital等公司都意识到这种新型工作站是一种竞争威胁，因此他们也跟进推出了类似的产品。例如，IBM的RS/6000是值得尊敬的好产品，然而HP和Digital公司也努力尝试在这一领域取得发展势头。然而，Digital始终没有获得较大的市场份额，而HP却通过在1989年收购Apollo解决了这一问题。

如后面的章节所述，早期的行业领导者此时正在苦苦挣扎着向行业标准工作站硬件的过渡，以及应对软件和服务业务比重越来越大的挑战。根本的问题是，这些企业在之前都对制造设施和人员进行了大量投资，现在却面临着解散这些业务的问题，这是非常艰难的选择。像Auto-trol这样的公司试图通过将Apollo工作站重新包装，使其能够继续采用与先前相同的终端配置。这些企业已经很难找到出路，在这批早期领导者当中，最终除了Intergraph之外其它都消失在历史舞台。

同时，一系列新供应商夺取了可观的市场份额。其中最关键的是IBM的案例。IBM最初与洛克希德的CADAM Inc.合作，后来与达索系统、McDonnell Douglas Automation合作，最终演变成UGS、SDRC和两个新成员，即Autodesk和Parametric Technology，下文将对此进行介绍。

随着CAD系统价格的下降，其使用方式也开始发生变化。当许多组织还在继续运营CAD部门的时候，有些组织已经开始将CAD整合到其设计和制造部门中——预期提供草图给专设的CAD操作员，不如训练自己的设计工程师自行操作。随着设计软件新版本不断增加新功能，创建图纸也作为设计过程的副产品，而这一性能变得越来越重要。随着企业适应飞速发展的技术，设计团队的基本组织结构也开始发生了变化。

个人电脑成为新的通配符

到1987年，传统CAD系统供应商已经售出了月10万套支持这些用户的软件和设备，做到这个业务规模总共花了17年。但在随后的短短五年内，新的个人电脑软件供应商就已经卖出了相同数量的许可席位。如今，CAD软件的用户总量实际上有几百万，其中大部分都用PC来操作。

相比上文介绍的工程工作站，个人计算机的发展实际上开始得更早。对于计算机爱好者来说，早期的计算机更像一台零部件的组合，而不是严肃的技术工具。1981年8月，IBM推出了第一台PC，即Model 5150，它具有16KB的内存、一个数字字母显示器，但没有硬盘驱动器，售价只有1995美元。IBM当时作了一个历史性的组合——决定使用Intel公司的4.7MHz 8088微处理器和西雅图一家叫Microsoft的小公司提供的新型操作系统。接下来发生的故事，正如我们所熟知的历史，一发不可收拾了。

但一开始IBM的PC机并没有足够的性能支持CAD软件的需求。最初，只有少数公司给PC机通过软件，例如T&W Systems，给与其价格差不多的计算机（例如Apple II）或甚至更昂贵的计算机（例如Terak 8510）提供软件。市场上还有大量正在试验的定制系统。在成立Autodesk之前，John Walker和Dan Drake使用Texas Instruments的9900微处理器制造了PC，Mike Rddle使用Digital Research的CP/M操作系统为这些PC提供了一些软件。

在接下来的几年里，Intel公司推出了一系列功能越来越强大的微处理器和数学协处理器，并且第三方供应商开始提供图形加速卡，经销商或甚至是精通技术的用户都可以将其插入PC。1983年，Autodesk售出了近1000套AutoCAD软件，价值约100万美元。当时，有许多问题导致了PC的CAD市场与主流供应商的市场分开，主要是它们正在从系统制造商转型到销售行业标准工作站和软件。

• PC版软件厂商的口号是，其产品以大型系统20%的价格出售，却兼具了80%的功能。不过实际上早期版本的软件（如AutoCAD和VersaCAD）的性能远远达不到大型系统的80%（例如Computervision的CADDS4、鹰图的IGDS或Auto-trol的5000系列）。

• PC软件供应商并不打算尝试自己去做好所有的事情，采取了更开放的合作姿态，例如允许在产品上添加由第三方软件供应商提供的应用功能。而传统供应商则不欢迎此类，并通过控制软件自带的关键编程工具的访问来禁止。

• 这些公司都单纯经营软件业务。

• 这些软件是通过经销商出售的，而这些经销商通过出售硬件和提供培训服务来赚钱。

• 软件厂商不做服务，用户致电经销商寻求技术支持。

在整个1980年代中期，交钥匙供应商对新兴的PC市场的看法存在严重误判。他们的销售人员低估了PC的性能，自顾继续推销其“成熟”解决方案。直到1986年，Autodesk的年收入已经超过5000万美元，这些公司才终于意识到正面交锋已经无可避免了。

较大的供应商采取了两种对策。有的公司将其软件子集移植到PC上，其它的公司则创建了自己的AutoCAD替代方案，还有几家在PC上添加了多个UNIX协处理器并尝试让其运行工程工作站同款软件。无论采取了哪种做法，这些公司都只是把它们视为其主流系统的次要产品。

一个主要的转折点发生在1993年中期，当时微软推出了Windows NT。这使得软件同时支持UNIX和Windows版本变得更加容易。很快，所有的供应商都推出了其软件的WindowsNT版本。尽管大多数软件厂商在UNIX工作站和Windows NT PC这两个系统版本收取同样的费用，但硬件上PC的成本依然不到工程工作站的一半。

虽然PC的性能在当时仍处于劣势，但和工程工作站的差距正在迅速缩小，尤其是Intel于1995年中期推出奔腾微处理器之后。在接下来的十年中，PC成为大多数CAD用户的主要平台，而UNIX工作站则慢慢被归类为特殊应用程序。PC的性能不再是个问题了。在短短的12年内，奔腾的时钟频率从133MHz提高到近4.0GHz，标配内存从256KB增长到1GB，图形性能参数已经超过了1995年售价10万美元的工作站。而以上所有配置，如今仅需花费几千美元。

预计将来会有更高的性能。到2006年底，某些PC配备了双核或者四核计算单元的微处理器。预计在未来几年间，将出现八核、十六核或更多计算单元的芯片。当然，CAD软件也需要随之调整，才能匹配上这样高级的处理性能。

过渡到基于特征的参数设计

1987年末，参数技术公司（PTC，Parametric Technology Corporation）震惊了整个CAD行业，因为该公司推出了基于功能的参数化建模软件包Pro/ENGINEER。尽管该软件还存在一些技术差距，但它的界面做得特别出色，许多公司开始试行安装，将它与正在使用的系统进行比较。当时，除了达索系统和SDRC，PTC的其它竞争对手都经理了从制造计算机硬件到销售计算机软件的艰难转型。出乎意料的是，如果要留住现有客户，他们面临着同时进行重大软件更换的麻烦。

尽管PTC并不需要自创Pro/ENGINEER中包含的所有概念，但他们在包装和营销该技术方面做得非常出色。很快，该公司开始从其他供应商手中抢走业务订单，尤其是针对Domputervison公司。在接下来的五到六年中，PTC的竞争对手在其主流产品包中增加了基于功能的设计和参数化功能，并获得了不同程度的成功。UGS、SDRC和达索在转型方面做得很好，而Applicon、Computervision和Auto-trol Technology则很快就消失了。最终，甚至连SDRC也无法独立生存，被UGS所收购。

中端系统的出现

随着PC成为首选的CAD平台势头强劲，新一代的CAD系统开始蓬勃发展。为了将其与交旧的系统区分开来，通常称之为中端系统，且相比前代的系统具有多个优势。这类系统由诸如SolidWorks之类的新兴公司以Computervision和Intergraph在内的知名公司开发。中端系统在底层技术和市场营销手段上都有不同之处：

• 这些系统必须在运行Windows的PC上运行。

• 使用组件软件技术，尤其是用于几何建模和约束管理。

• 专注于设计，有部分草图功能，并将其它应用程序（如NC何分析）留给第三方合作伙伴。

• 与基于PC的其它系统一样，中端系统主要由经销商销售，但相比以前会提供更多技术支持。

• 其价格在每个席位3000至6000美元之间，定价只有1990年代中期全功能系统的四分之一。

随着时间的推移，中端系统在某种程度上已经与全功能系统合并，尽管仍然存在一些明显差异。达索收购了SolidWorks，而UGS收购了Intergraph的Solid Edge业务。Autodesk凭借Inventor和PTC重新包装的Pro/ENGINEER展开竞争，以便在此方面更具竞争力。

如今的行业格局

1990年代中期左右，行业内开始发生了一系列重大的收购与合并，截至笔者撰写本文时仍在继续。如今，主流供应商认为自己提供的不仅仅是CAD工具和文档管理。当前描述整个行业的术语是产品生命周期管理或PLM。仅仅是软件业务，这是一个规模超过100亿美元的行业，这些工具的用户实际上有数以百万计。它完全改变了工程设计的实践方式，并且已经成为过去十年中工业生产率提供的主要因素。

简而言之，当今的发达国家在建筑、电子部件或系统，或厂房规划等行业，几乎没有产品是不用CAD设计的。它带来了更可靠的产品，而且成本更低，对潜在客户更具吸引力。它也改变了技术教育，并在很大程度上改变了许多行业的实践。如今设计工程师自己用软件作分析，而仅仅是几年前，这项工作还是由高度专业的专职人员完成的。也就是说，随着新一代设计程序将制图作为设计过程的副产品，甚至许多情况下新设计投入生产的时候几乎没有图纸，制图员这个职业正在迅速消失。

以前，在实现新的软件技术与计算机可用性能之间，一直存在着掣肘和拉锯。近年来，随着低成本计算机硬件性能的爆炸式增长，这种情况已经改变。在过去的40年里，可用系统的性价比已经增加了一百万倍，并且没有迹象表明这一步伐会放缓，反而在加速。如今的软件已经变得更加强大——很少有设计问题是无法解决的。

余下主要问题是将技术应用于越来越复杂的项目，管理巨量的设计数据。有些公司在这方面做得很好，而另一些公司却在挣扎求索中。空中客车公司遇到的一个难题是德国与法国的运营数据之间不兼容，为此导致A380超大型飞机的发布推迟了多年。与此同时，波音公司的787 Dreamliner客却仍能按计划进行发布，尽管其设计和制造产业链条遍布世界各地。归根结底，CAD是一项非凡的技术，它正在革新工程设计和制造，尤其是在使用得当的时候。