Мировой рынок CAD/CAM/CAE-систем

Александр Глинских, к.т.н.

Общие сведения о CAD/CAM/CAE-системах

Назначение

CAD-системы (сomputer-aided design — компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования — САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т. д.). Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.

В свою очередь, CAM-системы (computer-aided manufacturing — компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

САЕ-системы — (computer-aided engineering — поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

Существует некоммерческая отраслевая организация CAD Society (www.cadsociety.org), занимающаяся вопросами популяризации CAD/CAM/CAE-систем в мире.

История развития мирового рынка CAD/CAM/CAE-систем

Историю развития рынка CAD/CAM/CAE-систем можно достаточно условно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет.

Первый этап начался в 70-е гг. В ходе его был получен ряд научно-практических результатов, доказавших принципиальную возможность проектирования сложных промышленных изделий. Во время второго этапа (80-е гг.) появились и начали быстро распространяться CAD/CAM/CAE-системы массового применения.

Третий этап развития рынка (с 90-х гг. до настоящего времени) характеризуется совершенствованием функциональности CAD/CAM/CAE-систем и их дальнейшим распространением в высокотехнологичных производствах (где они лучше всего продемонстрировали свою эффективность).

На начальном этапе пользователи CAD/CAM/CAE-систем работали на графических терминалах, присоединенных к мэйнфреймам производства компаний IBM и Control Data, или же мини-ЭВМ PDP/11 (от Digital Equipment Corporation) и Nova (производства Data General). Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства (в те годы лидерами рассматриваемого рынка были компании Applicon, Auto-Trol Technology, Calma, Computervision и Intergraph). У мэйнфреймов того времени был ряд существенных недостатков. Например, при разделении системных ресурсов слишком большим числом пользователей нагрузка на центральный процессор увеличивалась до такой степени, что работать в интерактивном режиме становилось трудно. Но в то время пользователям CAD/CAM/CAE-систем ничего, кроме громоздких компьютерных систем с разделением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам), предложить было нечего, т. к. микропроцессоры были еще весьма несовершенными. По данным Dataquest, в начале 80-х гг. стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $90000.

Развитие приложений для проектирования шаблонов печатных плат и слоев микросхем сделало возможным появление схем высокой степени интеграции (на базе которых и были созданы современные высокопроизводительные компьютерные системы). В течение 80-х гг. был осуществлен постепенный перевод CAD-систем с мэйнфреймов на персональные компьютеры (ПК). В то время ПК работали быстрее, чем многозадачные системы, и были дешевле. По данным Dataquest, к концу 80-х гг. стоимость CAD-лицензии снизилась, примерно, до $20000.

Cледует сказать, что в начале 80-х гг. произошло расслоение рынка CAD-систем на специализированные секторы. Электрический и механический сегменты CAD-систем разделились на отрасли ECAD и MCAD. Разошлись по двум различным направлениям и производители рабочих станций для CAD-систем, созданных на базе ПК:

• часть производителей сориентировалась на архитектуру IBM PC на базе микропроцессоров Intel х86;
• другие производители предпочли ориентацию на архитектуру Motorola (ПК ее производства работали под управлением ОС Unix от AT&T, ОС Macintosh от Apple и Domain OS от Apollo).

Производительность CAD-систем на ПК в то время была ограничена 16-разрядной адресацией микропроцессоров Intel и MS DOS. Вследствие этого, пользователи, создающие сложные твердотельные модели и конструкции, предпочитали использовать графические рабочие станции под ОС Unix с 32-разрядной адресацией и виртуальной памятью, позволяющей запускать ресурсоемкие приложения.

К середине 80-х гг. возможности архитектуры Motorola были полностью исчерпаны. На основе передовой концепции архитектуры микропроцессоров с усеченным набором команд (Reduced Instruction Set Computing — RISC) были разработаны новые чипы для рабочих станций под ОС Unix (например, Sun SPARC). Архитектура RISC позволила существенно повысить производительность CAD-систем.

С середины 90-х гг. развитие микротехнологий позволило компании Intel удешевить производство своих транзисторов, повысив их производительность. Вследствие этого появилась возможность для успешного соревнования рабочих станций на базе ПК с RISC/Unix-станциями. Системы RISC/Unix были широко распространены во 2-й половине 90-х гг., и их позиции все еще сильны в сегменте проектирования интегральных схем. Зато сейчас ОС MS Windows NT и MS Windows 2000 практически полностью доминируют в областях проектирования конструкций и механического инжиниринга, проектирования печатных плат и др. По данным Dataquest и IDC, начиная с 1997 г. рабочие станции на платформе Windows NT/Intel (Wintel) начали обгонять Unix-станции по объемам продаж. За прошедшие с начала появления CAD/CAM/CAE-систем годы стоимость лицензии на них снизилась до нескольких тысяч долларов (например, $6000 у Pro/Engineer).

Общая классификация CAD/CAM/CAE-систем

За почти 30-летний период существования CAD/CAM/CAE-систем сложилась их общепринятая международная классификация:

• Чертежно-ориентированные системы, которые появились первыми в 70-е гг. (и успешно применяются в некоторых случаях до сих пор).
• Системы, позволяющие создавать трехмерную электронную модель объекта, которая дает возможность решения задач его моделирования вплоть до момента изготовления.
• Системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD — Electronic Product Definition). EPD — это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. При применении EPD-концепции предполагается замещение «компонентно-центрического» последовательного проектирования сложного изделия на «изделие-центрический» процесс, выполняемый проектно-производственными командами, работающими коллективно. Вследствие разработки EPD-концепции и появились основания для превращения автономных CAD-, CAM- и CAE-систем в интегрированные CAD/CAM/CAE-системы.

Традиционно существует также деление CAD/CAM/CAE-систем на системы верхнего, среднего и нижнего уровней. Cледует отметить, что это деление является достаточно условным, т. к. сейчас наблюдается тенденция приближения систем среднего уровня (по различным параметрам) к системам верхнего уровня, а системы нижнего уровня все чаще перестают быть просто двумерными чертежно-ориентированными и становятся трехмерными.

Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, EUCLID, I-DEAS (все они имеют расчетную часть — CAE).

В настоящее время на рынке широко используются два типа твердотельного геометрических ядра (Parasolid от фирмы Unigraphics Solutions и ACIS от Spatial Technology). Наиболее известными CAD/CAM-системами среднего уровня на основе ядра ACIS являются: ADEM (Omega Technology); Cimatron (Cimatron Ltd.); Mastercam (CNC Software, Inc.); AutoCAD 2000, Mechanical Desktop и Autodesk Inventor (Autodesk Inc.); Powermill (DELCAM); CADdy++ Mechanical Design (Ziegler Informatics GmbH); семейство продуктов Bravo (Unigraphics Solutions), IronCad (VDS) и др. К числу CAD/CAM-систем среднего уровня на основе ядра Parasolid принадлежат, в частности, MicroStation Modeler (Bentley Systems Inc.); CADKEY 99 (CADKEY Corp.); Pro/Desktop (Parametric Technology Corp.); SolidWorks (SolidWorks Corp.); Anvil Express (MCS Inc.), Solid Edge и Unigraphics Modeling (Unigraphics Solutions); IronCAD (VDS) и др.

CAD-системы нижнего уровня (например, AutCAD LT, Medusa, TrueCAD, КОМПАС, БАЗИС и др.) применяются только при автоматизации чертежных работ.

Выгоды от применения

CAD/CAM/CAE-системы занимают особое положение среди других приложений, поскольку представляют индустриальные технологии, непосредственно направленные в наиболее важные области материального производства. В настоящее время общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, танков, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения CAD/CAM/CAE-систем. За последние годы CAD/CAM/CAE-системы прошли путь от сравнительно простых чертежных приложений до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением. Современные CAD/CAM/CAE-системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции (повышая, тем самым, ее конкурентоспособность). В частности, путем компьютерного моделирования сложных изделий проектировщик может зафиксировать нестыковку и экономит на стоимости изготовления физического прототипа. Даже для такого относительно несложного изделия, как телефон, стоимость прототипа может составлять несколько тысяч долларов, создание модели двигателя обойдется в полмиллиона долларов, а полномасштабный прототип самолета будет стоить уже десятки миллионов долларов.

Например, широко известен проект разработки компанией Shorts Brothers фюзеляжа для самолета бизнес-класса Learjet 45 при помощи современных CAD/CAM/CAE-систем. Результаты выполнения проекта просто впечатляют.

Ранее компания Shorts использовала в проектно-конструкторских работах проволочное моделирование деталей. В создаваемых Shorts Brothers фюзеляжах самолетов обычно насчитывалось до 9500 структурных деталей. Подобные проекты могли потребовать более 440000 человеко-дней (до 4-х лет для завершения проекта).

Фюзеляж Learjet 45 оказался не только наиболее сложным среди существующих, но и был разработан в значительно меньшие сроки (на 40%), чем его предшественники. Кроме того, примерно в 10 раз было улучшено качество деталей и самой сборки фюзеляжа, а общее число деталей сокращено на 60% (при снижении объема основных переделок на 90% по сравнению с предыдущими проектами). В целом, компания Shorts смогла уменьшить число компонентов с 9500 до 3700 (на 60%). Полное время на проектирование и технологическую подготовку производства было сокращено до 125000 человеко-дней. Общее время разработки и технологической подготовки производства — до 60000 человеко-дней, а весь цикл разработки типового фюзеляжа сократился с 4-х лет до 1,5-2 лет.

Общее состояние мирового рынка CAD/CAM/САE-систем

Состояние ИТ-отрасли в целом

По данным IDC (отчет «Operation Beacon: Worldwide IT Spending After September 11»), 2001 г. стал наихудшим для ИТ-отрасли во всем мире. IDC оценивает, что общие ИТ-расходы в мире увеличились только на 1% (в сравнении с 12% в 2000 г.). К концу 2002 г. ожидается рост ИТ-расходов только на 5,5%. Расходы на аппаратные средства в 2001 г. уменьшились на 9%, а в 2002 г. уменьшатся еще на 1%. Расходы на ПО и услуги в 2002 г. восстановятся, во 2-й половине 2002 г. ожидается рост на 11% для ПО и на 9% — для услуг.

Экономический спад в США распространился и на другие регионы, в большей степени — на Западную Европу. Расходы на приобретение аппаратных средств в Европе в 2001 г. уменьшились на 4%, а в 2002 г. снизятся еще на 2%. В Японии в 2001 г. расходы на ПК уменьшились на 16%.

В то же время, по данным IDC (отчет «Worldwide Software Market Forecast Summary, 2001-2005»), вследствие влияния событий 11 сентября и существующего в настоящее время определенного спада мировой экономики, ожидается снижение темпов роста и мирового рынка тиражируемого ПО до 6,8% в 2001 г. (с 12% прогнозируемых ранее IDC). В 2002 г. ожидается восстановление темпов роста до 11,8% (в более ранних прогнозах IDC — 15%).

Все три сегмента рынка (приложения, разработка и развертывание приложений, системное инфраструктурное ПО) уменьшат темпы своего роста в 2001 г., однако начнут восстанавливать их в 2002 г. Наибольшее сокращение темпов роста в 2001 г. придется на сегмент разработки и развертывания приложений (рост — 4,7%, прогноз — 15,2%). Сегмент приложений вырастет на 9,4% (прогноз — 12,7%) в 2001 г., а в 2002 г. — на 9,1% (вместо 14,6%). Cегмент инфраструктурного ПО в 2001 г. увеличится только на 4,6% (вместо прогнозируемых ранее 8,4%), однако в 2002 г. он вырастет на 11,8% (только на 1,2% меньше, чем прогнозировалось).

Рынок CAD/CAM/CAE-систем

В мае 2001 г. консалтинговая компания CIMdata (www.CIMdata.com) опубликовала отчет по итогам 2000 г. со списком десяти лучших производителей CAM-систем. При оценке рынка учитывалась общая сумма доходов фирм-производителей и их бизнес-партнеров, полученная от продажи ПО и соответствующих услуг.

Cледует отметить, что рынок САМ-систем, являясь частью мирового рынка CAD/CAM/CAE-систем, в целом жил по тем же законам, испытывая жесткое негативное воздействие от существенного замедления темпов развития мировой экономики и, как следствие, завершил 2000 г. с приростом всего в 4,4%, достигнув отметки в $1,27 млрд (вместо прогнозируемых ранее $1,42 млрд). Доля производителей CAM-систем оценивается в $806 млн. Остальные $464 млн приходятся на счет их реселлеров. Аналитики CIMdata объясняют низкий рост доходов компаний-разработчиков САМ-систем в 2000 г. сокращением инвестиций промышленных предприятий в производственное оборудование — прежде всего в станки с ЧПУ и другое оборудование для производства пресс-форм. Несмотря на это, в 2000 г. объем рынка CAM-систем удвоился по сравнению с 1993 г.

Аналитики CIMdata прогнозируют в 2001 г. рост рынка САМ-систем на 9,3%, что позволит ему достичь отметки в $1,4 млрд. Они считают, что, несмотря на значительное падение объемов продаж промышленного оборудования, скромный, но устойчивый рост объемов продаж САМ-систем и оказания сопутствующих услуг определенно демонстрирует, что предприятия все больше полагаются на САМ-системы, способствующие повышению эффективности производства, сокращению производственного цикла, а также позволяющие программировать обработку деталей с очень сложной геометрией.

Лидером рынка является компания IBM/Dassault Systemes (16,2%). Второе место заняла компания РТС (14,7%), которая смогла существенно расширить спектр своих CAМ-ориентированных продуктов и стала одним из основных участников рынка систем технологической подготовки производства. Далее следуют компании UGS (8,6%), Delcam (5,0%), Hitachi Zosen (4,0%), CNC Software (3,1%), Cimatron (2,9%), Graphic Products (2,3%), Pathtrace (2,1%), DT Technology (2,1%). На долю первой десятки пришлось более 60% всех продаж CAM-систем и сопутствующих сервисов.

Лидеры рынка

В настоящее время крупнейшими разработчиками CAD/CAM-систем являются компании Parametric Technology Corporation (PMTC); Dassault Systemes (DASTY); Autodesk (ADSK); Unigraphics Solutions (UGS) и Structural Dynamics Research Corporation (SDRC). Правда, следует отметить, что 23 мая 2001 г. компания Unigraphics Solutions (а точнее, стоящая за ней корпорация EDS) заявила о покупке SDRC за $950 млн. То есть теперь на рынке остались, фактически, 4 крупных компании. Если рассматривать показатель доходов от продажи лицензий компаниями-лидерами за 2 последних года, то здесь наблюдается следующая картина:

• Компания Dassault Systemes (ПО CATIA, SolidWorks, ENOVIA CATIA, DELMIA) является лидером рынка и из года в год демонстрирует уверенный рост объемов продаж новых лицензий — более 20% в год (от примерно $115 млн в первом квартале 2000 г. до примерно $135 млн в четвертом квартале 2000 г.).
• Компания PTC (ПО Pro/Engineer, Windchill) в отношении продажи лицензий пережила длительный период спада (хотя и осталась крупнейшей на рынке CAD/CAM/PDM). За 2 года РТС потеряла более 30% объема доходов от продажи лицензий на ее CAD/CAM/CAE-систему Рrо/Еngineer, лишь частично компенсировав эту потерю увеличением продажи PDM-системы Windchill. И только начиная с 3-го квартала 2000 г., РТС удалось добиться небольшого роста продаж новых лицензий и получить прибыль (от $85 млн в первом квартале 2000 г. до $95 млн в четвертом квартале 2000 г.).
• Объемы продаж новых лицензий компании Unigraphics Solutions (ПО Unigraphics, Solid Edge, iMAN, Parasolid) достаточно устойчивы (от $55 млн в первом квартале 2000 г. до $65 млн в четвертом квартале 2000 г.).
• Cложное положение у компании SDRC и ее ПО I-DEAS (и в первом, и в четвертом кварталах 2000 г. объем продаж новых лицензий составил около $40 млн).
• Показатели компании Autodesk анализировать достаточно непросто в связи с тем, что в своих публичных отчетах компания не разделяет доходы, полученные от продажи лицензий, с доходами от оказания услуг. Судя по отчету Autodesk, в 4-м квартале 2000 г. общий объем продаж компании составил $243 млн (на $16 млн больше, чем в 4-м квартале 1999 г.), а чистая прибыль компании составила $28 млн. Общий объем продаж по итогам 2000 г. составил $936,3 млн, а общая прибыль компании составила $93 млн (на $83 млн больше, чем в 1999 финансовом году).

Важным показателем экономического благополучия фирмы-разработчика является объем доходов от оказания услуг. Как правило, большую их часть составляют доходы от годовых контрактов на поддержку и обновление пакетов (Maintenance, Subscription Service, Update Plan, Annual Update Contract и др.). Эти доходы обычно стабильны и характеризуют базу реальных пользователей пакетов, степень заинтересованности пользователей в дальнейшем развитии пакетов и важность для пользователя поддержки на профессиональном уровне. В процентном отношении доходы от оказания услуг в общем объеме доходов в 2000 г. составили: Dassault Systemes — 14%; UGS — 54%; РТС — 59%; SDRC — 65% (см. табл.).

Основные экономические показатели ведущих фирм-разработчиков CAD/CAM/CAE-систем

Важным показателем состояния фирм-разработчиков является также объем средств, инвестируемых ими в научно-исследовательскую работу и в разработку пакетов (см. табл.). Например, компания Dassault Systemes, почти в два раза уступая фирмам РТС и Autodesk по уровню доходов, вкладывает в НИР и разработку своих пакетов примерно столько же средств, сколько компании Autodesk и РТС в свои — то есть примерно по $40 млн ежеквартально каждая. Эти три компании заметно отличаются от UGS и SDRC, которые вкладывают в развитие пакетов вдвое меньше денег. В процентном отношении Unigraphics и РТС инвестируют в развитие 15-16% своих доходов, а SDRC и Autodesk — 19%. Dassault тратит на развитие 27% своих доходов.

Расходы на ведение маркетинга и организацию продаж, а также административные расходы примерно одинаковы у компаний Dassault и SDRC — они составляют $33-36 млн ежеквартально. Компания Unigraphics тратит на эти цели до $48 млн, Autodesk — более $100 млн, а РТС — около $120 млн ежеквартально.

В течение 2000 г. компании SDRC, Unigraphics и РТС придерживались одинаковой тактики: реорганизация; увеличение объема услуг, предлагаемых существующей клиентской базе; интенсивное продвижение на рынок продуктов для организации и ведения электронного бизнеса. Преимуществом компании Autodesk является большая клиентская база. Впрочем, это обстоятельство стало и источником трудностей для нее. В отличие от остальных компаний-лидеров, сосредоточивших силы в области машиностроения, ей приходится поддерживать и развивать весь арсенал своих достаточно разнородных программ.

В свою очередь, компания Dassault Systemes предлагает для корпоративного рынка систему CATIA, а для массового — SolidWorks, что обеспечивает ей устойчивый рост доходов даже в периоды экономических спадов.

Опубликовано в №1(117) газеты Компьютер Информ и на сайте http://www.ci.ru 21 января 2002 г.