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计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）的建模和仿真技术随着计算速度的不断加快，包括高性能计算（HPC）系统的发展，开始逐渐改变产品的设计过程。CAD使用几何参数创建电脑模型，CAE则使用CAD生成的数据来控制自动化的机器装备。CAD、CAE和CAM（计算机辅助制造）系统已经在近些年有了长足的发展，变得更廉价、更强大、更普遍、更友好。 例如在飞机设计方面，数字模拟使设计人员可以在风洞实验之前就对许多关键的飞机组件——包括机翼和机身——进行改进设计和模拟操作。事实上，计算建模允许航空设计师得以从容应付“虚拟化环境尺度下多场耦合流体动力学”等复杂问题的计算。在减少新飞机所需的风洞试验时长的努力中，这种数字化技术的贡献占到了50%。 同样，通用电气（GE）利用HPC驱动的建模和仿真工具取消了喷气发动机实体组件技术，转为对发动机的各个独立组件（压缩机、燃烧室、涡轮桨叶等）做全建模分析。GE估计数字设计工具的使用使其新喷气发动机的开发时间缩短了半年，并且发现每减少1%的燃料消耗就能使航空运营商每年节省20亿美元的成本。 此外，固特异（Goodyear）公司也使用CAD工具将其设计一款新轮胎的时间从三年缩短到一年以内，并且将公司研发预算中轮胎成型和测试费用的比例从40%降低到了15%。 中小型制造企业同样能够从数字化的生产-研发工具中获益，主要是由于越来越多的云端（减少内部信息通信基础建设）和应用许可的租赁机制（比以往那种昂贵的永久许可模式节约早期支出）等数字工具（包括作为硬件支撑的计算设备）越来越普遍。 例如Zipp Speed Weaponry公司是一家位于美国印第安纳州的主要生产高性能自行车配件（例如轮毂和车胎）的小型制造商，也是美国目前仅存的一家高性能自行车配件厂。该公司装备了HPC并用虚拟仿真软件协助设计赛车轮胎，这一方法使得他们能够更好地计算流体动力学问题，并成功解决了湍流的影响。而以往如果不使用风洞实验，这个问题是无法解决的。 这一技术也使得该公司在全球竞争中保住了独特的市场空间。在此基础上设计出的空气动力轮胎于2010年上市，并在两年内使公司的全球收入翻倍，还在印第安纳州产生了120个新的就业机会。 数字建模和仿真工具的这些令人形象深刻的应用案例也只是刚刚开始。今天，基于计算机的生成设计工具允许产品设计师设计出以往难以想象的产品形状、结构和材料属性。生成设计技术能够让设计师告诉软件他所想要的产品形状、相关限定条件以及结构和材料特性；然后计算机将给出比设计师设想的更高效、完善、结实、轻巧和耐用的方案。 例如Autodesk公司的CAD软件已经流行了数十年，但是该公司现在正在开发更多的数据驱动方法，用一种新的算法协议使设计师能够基于一张材料和性能需求清单来使用高精度的增材制造（如3D打印）方式管理设计方案。下图展示了生成设计的飞机机舱部件，一种通过生成设计然后3D打印成型的仿生隔舱。 部件上使用的先进材料也比传统设计减少了将近50%的重量（同时强度也得到了大幅提升）。如果全部使用这种隔舱，一架空客A320的重量能够减轻高达1100磅的重量。同时由于每减少2.2磅的自重就能够节省每年233英镑的燃料消耗，一架应用新型隔舱的飞机每年能够减少166吨二氧化碳的排放。如果在一家航空公司的所有A320上都是用这种新的设计方法，每年可以少排放多达46500吨二氧化碳，相当于96000辆大客车停驶一年。 图 生成设计技术构建的概念飞机机舱部件 生成设计工具，加上增材制造等新的生产技术，同时拓宽了设计者和制造者的想象空间。《华尔街日报》的John Koten表示，“GE的设计师和工程师已经开始对古代文物和史前鸟类化石重新进行拓扑研究，以寻找设计的灵感。他们设想：几个世纪前的前辈们可能因为当时铣削或铸造等传统手段的限制而不得不放弃一些创新的结构。” 简单来说，信息技术的应用正在改变产品的设计过程，加快产品研发的速度，节约资金，给顾客提供优质产品，甚至可以成为制造商竞争优势的来源。 Stephen J. Ezell 是美国信息技术与创新基金会资深分析师，从事科技、研发、贸易、制造业等方面的政策研究，与该基金会的创始人和主席 Robert D. Atkinson 合著有《创新经济学：全球优势竞争》。
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