打開CAD內核的奧祕｜工業軟件發展史

導讀： 軟服之家本期為大家推送一篇行業專家觀點，國產CAD內核，是能打破國外壟斷的潛在希望，就像華為的麒麟芯片一樣，是一燭跳動不已的小火苗。擁有高水平的內核，是發展自主CAD/CAM/CAE和的核心工作。

如果一個產業要尋根，就會發現一個萬千世界，最後會聚焦到一個點上。

“一沙一世界”，一世界滿眼千秋，亦不過是投射到一粒沙芥。當下，作為工業主流的數字化設計與製造，都需要用到CAD（計算機輔助設計）這樣的工具。而CAD的基礎底層支撐，就是通用幾何造型平臺，也可以稱之為幾何內核。作為實體造型的關鍵引擎，許多CAD供應商，都會通過購買或者自研的方式，往上建立自己的CAD功能。

然而從萌芽開始，四十年過去了，這個世界卻是籠罩在數學家的神話之下。

而這個世界，仍然無比地狹小。這是一個拿著放大鏡也找不到的利基市場。而它卻是萬神之殿的基座。

01

天才工程師的兩枚金蛋

幾何造型平臺是CAD軟件最核心的基礎部分，通常稱為幾何內核，或者叫做幾何引擎。一般目前的CAD系統都會提供參數建模方法。

這是一個關於數學家傳奇的故事，英國劍橋大學是那個時代最璀璨的光亮之地。劍橋大學CAD實驗室的Ian Braid在1973年完成了實體造型的博士論文之後，和導師Charles，以及同窗Alan創辦了Shape Data公司，隨後開發出第一代實體造型軟件Romulus。1981年一家美國公司買下工程師的公司，著手開發美國版權的第二代產品，也就是後來大名鼎鼎的幾何引擎Parasolid。1988年美國CAD供應商UG，買下Parasolid，將它融入UG集成系統中，將它變成一個實體和曲面造型通用幾何平臺。

與此同時，Parasolid也作為一個單獨的內核產品，為其他CAD軟件開發商提供高質量的、世界一流的幾何造型核心功能。

這個幾何內核的故事，本來可以到此結束了。

然而神人永遠不會停止折騰。1986年，Ian被找上門來的美國Spatial Technology公司說的心頭髮癢，再次開發了第三代面向對象的實體和曲面通用平臺ACIS：ACI分別是三位大仙Alan Grayer，Charles Lang和Ian Braid的名字字首，而S則取自實體（Solid）的字首。由於ACIS採用了面向對象的數據結構，並採用了C++編程，使得算法大為改進，它的運行速度是第一代Romulus的4-20倍，是第二代Parasolid的2-6倍。

除了技術先進性之外，ACIS還採用了一種有效的商業模式：那就是鼓勵各家軟件公司在ACIS上開發，並與STEP標準相兼容的集成製造系統。凡是在ACIS上開發的CAX系統都有共享的幾何模型，相互可以直接交換產品數據。ACIS構成了這些系統的幾何總線。這樣一來，信徒大增。

神劍再次成功出鞘。

1989年ACIS上市後，影響巨大。很多CAD公司都紛紛或者採用ACIS內核，或者採用了它的思想改進了自己的內核。例如法國的Euclid-S、CATIA 以及美國的Intergraph、I-DEAS都紛紛跟進，採用這種面向對象的思想進行改進。最重要的時間發生在1993年，Autodesk與Spatial Technology簽約，在ACIS平臺上開發出MDT三維參數化特徵設計系統，成為ACIS的最大用戶。

02

內核不等於CAD：沒有UG就沒有幾何引擎

然而，對於幾何引擎，卻有一個極大的誤解，以為先有幾何引擎，後有之上的CAD軟件。幾何引擎本來並不存在，它是藏在CAD裡面。

達索航空公司，把CAD部門獨立出來，並起名叫做CATIA的時候，沒有幾何引擎的存在。從麥道公司發展出來的CAD軟件商UG，以及Autodesk的MDT，這些都是沒有幾何引擎的概念。所有的系統模塊，都放在一塊。同樣，後來靠參數造型而名聲大噪的PTC也沒有這些引擎的概念。

是UGS在發展自己的商業策略所採用的方針，使得Parasolid幾何引擎，成為一個獨立的概念，隨後甚至發展處來一個很小的利基生意。

最早UGS的CAD也是跟幾何引擎攪在一起，後來逐漸將內核方面的工作外包給ShapeData公司。這意味著，PARASOLID一開始就是兩條腿獨立走。UGS只是在外包體系中使用PARASOLID的團隊，Parasolid也允許使用UG提供的一些反饋所豐富的功能。這意味著，UG在相當長的時間，一直是負責Parasolid的“測試工作”。

這種唇齒相依的關係到了一定的程度，幾何引擎，也逐漸達到了產品級的應用成熟度。一定時間之後，UG和Parasolid已經密不可分了。最後UG索性，將Parasolid購買過來。

沒有UG，就沒有Parasolid。就沒有“幾何引擎”的說法。

03

內核陣營開始分化

雖然很重要，但市場很小，內核公司單獨存在是無法存活的。2000年Spatial被達索系統收購。歷經14年之後，著名的幾何建模內核ACIS終於歸到了大型CAD廠商手中。跟它的前一代幾何內核一樣，嫁個大戶人家，是最好的選擇。

然而，在此之前，CATIA跟ACIS一點關係沒有。CATIA都是土生土長的內核。高傲自負的法國人一直在為CATIA完善自己的幾何造型引擎，從原來的曲面造型到後來的基於BRep的實體造型。甚至，CATIA也沒有購買通用約束求解器，而是自己開發。

直到後來，CATIA決定把底層部分獨立出來，單獨做成獨立的生意。達索也是花了好幾年時間，才把所謂的幾何內核獨立出來，就是CGM。

因此，購買ACIS，對CATIA而言，主要出於商業需要和數據交換。

如此一來，Parasolid和Acis分別被西門子、達索控制著，已發展為巨大的深坑。併成為兩個大的陣營。

AutoCAD、MDT和Inventer、Microstation均採用ACIS幾何造型器為內核。 而UG、 SolidWorks、SolidEdge則採用Parasolid幾何造型器。

在這些三維 CAD的實體幾何造型內核中，老將Parasolid和Acis是幾何建模系統的兩棵老根，由於一開始就相對獨立發展，比較著名，也成就了一代又一代的CAD廠商；加上達索的CGM，是市面上能買到的三款商業化幾何引擎。

表1 ACIS與Parasolid的對比

但是大的CAD軟件公司，一般都是有自己的內核的。除了CATIA之外，開創參數建模時代的PTC，其內核Granite也是獨成一派，主要是自己使用。這是一個情節不斷翻轉、充滿了八卦的故事。當年日入中天的CAD公司如CV，也有自己的內核，但在轉向參數化實體造型方面不成功。從CV“離家出走”的高管創建的PTC了，大獲成功，反手倒是收購了CV。

04

幾何引擎讓CAD市場充滿了猜忌與陰謀

Parasolid被賣了之後，Braid等人，重新做了一個公司，繼續做內核生意。這讓後起之秀SolidWorks得到了很好的機會，它最初給投資者的版本，正是以ACIS為基礎。

但有了投資之後，就開始測試Parasolid和ACIS。幾個月之後，換成了Parasolid。儘管ACIS功能表跟Parasolid看上去差不多，但實戰不行。前面提到，儘管ACIS是第三代幾何引擎產品，實驗室性能甚至更優，但它自從誕生後，沒有一個大公司，願意像當年UG那樣，如此緊密地對ACIS進行捆綁。所以ACIS在市場佔有率，一直低於它的前一個版本Parasolid。

然而，作為UG的競爭對手之一SolidWorks一直活在一個“杯弓蛇影”的猜忌之中。如果UG將來不肯賣Parasolid，哪會怎麼辦？這是一個若有若無的陰影下。而這個問題的解決，要來自更大的傢伙。1997年達索以3.1億美元，收購了SolidWorks。

這次輪到達索進行猜忌了，Parasolid在UG的手中，對Solidworks而言，是一個巨大的威脅。2000年，達索決定出手，戰略性地收購ACIS所在的Spatial Tech公司，為SolidWorks也提供一個備選的安全保障。從這裡開始，達索才跟ACIS開始有交集。隨後達索將自己的內核CGM和ACIS，都放在Spatial公司之下。

然而這次收購，又驚動了另外一個巨頭的利益。正在使用ACIS作為內核的Autodesk的Inventor，也感受到了同樣巨大的威脅。

非常警惕的歐特克，為了避免受制於達索，用反壟斷為法律手段，開始跟達索打官司。拉鋸的結果是，達索可以擁有ACIS，但歐特克擁有隨時購買ACIS源代碼的權利。有了這個條件作為限制，達索隨後順利完成收購ACIS。

幾年以後，歐特克迅速地使用了這個權利，掏錢購買了ACIS的全部源代碼，也就是ACIS R14版本。隨後Inventor在此基礎上，經過多次版本的迭代。應該說，歐特克的幾何內核，雖然源自ACIS，但跟原來的版本，已經區別很大。也可以認為歐特克已經擁有了自己的內核。

05

開源還有一棵獨苗

一款開源的OpenCasCade，是一棵奇特的幼苗。成立於1964年的法國馬特拉公司MATRA的Euclid系統，也有自己的內核，主要是曲面造型。為了和PTC抗衡，開發了Cas.Cade新一代內核。現在在華天的一個總工，當年就是在負責基於Cas.Cade的新一代CAD系統Euclid Designer開發。彼時中國航天對它的理念非常欣賞，認為符合航天設計需求，可以從老的Euclid平穩過渡到新的Euclid Designer。可惜最終馬特拉被達索併購了，整個新一代系列基本停止開發了，曾給予厚望的航天，也只好逐步轉向Pro/E了。

達索與馬特拉合併後，並沒有吸納所有的研發人員，也沒有說要如何用Cas.Cade，讓剩下的人員成立了一個公司。這部分團隊，索性將其變成開源，按照全開源（LGPL）協議進行管理。代碼主要還是法國團隊管理，但是在俄羅斯有一個較大的團隊，進行應用定製開發。雖然這並不是達索所期望的局面，但是已經晚了。最近幾年版本更新比較快。在此內核的基礎上，開發出一個開源CAD系統FreeCAD。 目前國內也有運用OpenCasCade的社群，開發些小系統。作為開源的幾何引擎，做成商業CAD軟件開發難度不小。

06

造不如買，再次毀掉商業化機會

擁有高水平的內核，是發展自主CAD/CAM/CAE和的核心工作。然而，世界上幾何引擎不多了，基本處於壟斷地位。中國人手裡的中望的Overdrive內核（本來是美國VX CAD的內核，2010年被中望收購）和華天的CRUX IV （華天CAD系統SV的內核）等。

然而，這件事情完全不能商業化。例如中望，也曾經考慮做一套更商業化的內核。然而市場需求並不支持。最大的幾何內核Parasolid一年的生意，也就是3000多萬美元。如果做內核， 跟Parasolid去競爭爭，是不可能活不下去的。

由於處於商業上的原因，西門子的UG，對於出售給中國內核，一直都不是太熱心。於是中國很多項目，只能二選一，一般都是在跟Spatial公司進行合作。儘管ACIS的價格很高，但國內CAD廠商都只能讓步。

中國有自主的內核是個振奮的信息。但是，單獨研發CAD幾何內核是沒有太大市場的，需要與三維CAD軟件系統整合起來做。實際上，國內的CAE和CAM可以用國內的核，共同打開市場。當然這只是一個假設。在中國誰都有生存壓力， “造不如買”。無論是幾何內核，還是約束求解器，都可以是核心共性技術，但沒有一家廠商能否負擔。最後只能是一盤沙子。

中國CAD行業著名的專家、當時中國工程圖學學會理事長唐榮錫，在2000年還曾經雄心勃勃地行業喊出“幾何造型平臺振興”的口號。按照唐老的看法，高水平的通用幾何造型平臺是發展CAD軟件產業的一級火箭助推器。而在當時，中國許多CAD公司，正在藉助CIMS和甩圖板的東風，蓬勃發展。跟國外的差距不是沒有，但看上去還能看得見、夠的著。

然而，幾何內核，是從眾多成功的工業軟件功能中萃取得來。沒有成功的研製優秀CAD軟件的基礎，就談不上研製幾何平臺。而對於軟件公司，要在市場活命，不採用先進、流行的通用平臺，不但耽誤進度，甚至會勞而無功。

這像不像一個死結？在西方，主流CAD都是脫胎於航空業，波音公司、達索公司，都給了那些CAD軟件廠商足夠的機會、充分的反饋，這才使得國外的CAD廠商逐漸壯大。而在中國，急功近利、追求速度的中國製造，從來不會給上游軟件供應商的機會。要麼出彩，要麼出局。缺少來自用戶端的悉心呵護和戰略性扶持，是中國CAD、CAE以及EDA在發展路程上的最大死結。

07

錯失的就不會再來

唐老甚至在2004年建議行業，不要將自主研製的開發平臺的目標，定位在類似於 ACIS、Parasolid 的幾何平臺產品，而是要將目標確定為創建新一代的功能特徵平臺，以功能特徵為操作對象，使得新一代平臺必須兼顧幾何和功能兩大方面。 這是一個更高的志向。

現在回想起來，本世紀初的幾年，正是中國自主CAD還方興正艾的時候，很多企業都躍躍欲試地要做幾何內核。結果後來都是鎩羽而歸。在十五時候。大家普遍誤解，以為幾何內核就是CAD系統。這是，歷史天空下的誤解。隨之而來的相應決策，也是是失誤的。

近20年過去了，隨著國外CAD、CAE廠商的市場佔有率超過95%，高端CAD比例更高。唐老的夢想，已經成為不可實現的願望。

當務之急，還是要把CAD市場做大做活起來。以手機舉例來看，華為去做手機芯片是合理的。因為他有足夠的體量和自有市場做支撐，當然更是因為有足夠的資金。至於其他小手機廠商，還處於解決生存問題階段，能抓住一個細分市場存活下才是他們的主要目標。談做芯片，是不可想象的事情。

08

小記

佈雷德等三人從1970年起，直到2000年7月5日法國達索系統公司簽約以2,150萬美元現金收購ACIS業務，三人決定退出ACIS，也退出了幾何內核領域。閃耀了一代人的星空開始暗淡。整整30年，這三個天才工程師科學家的主要精力，都集中在實體造型平臺的開發和完善上，也照亮了其他幾個CAD公司的探索之旅。它把後來所有通用幾何造型平臺要走的路，都幾乎探索完畢。

數學家和工程師相結合，正是幾何內核四十年不敗的傳奇魅力。

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