Narzędzia i zestawy startowe dla mikrokontrolerów, oprogramowanie EDA - liczne nowości napędzają rynek

Krajowy rynek narzędzi projektowych rozwija się w szybkim tempie z uwagi na rosnącą liczbę mikrokontrolerów w układach elektronicznych, stały wzrost znaczenia układów programowalnych i wiele ogólnych trendów w elektronice, na których czele można umieścić rozwój technologii komunikacyjnych oraz dostępność oprogramowania takiego jak Linux i Android.

Mimo że mamy coraz więcej dostępnych darmowych narzędzi, bibliotek, rynek uznaje się za nienasycony, a konkurencja wcale nie jest taka silna. Jest to trochę inna sytuacja niż w innych branżach elektroniki i wynika to w pewnej mierze z tego, że jest to rynek otwarty i szybko zmieniający się, a jednocześnie same produkty są tak skomplikowane, że do ich sprzedaży trzeba mieć naprawdę wiele wiedzy i kompetencji inżynierskich. Dodatkowo każda firma, która ma pomysł, może zająć się wytwarzaniem narzędzi projektowych, bo zawsze można znaleźć niszę na coś, co okaże się potrzebne i przydatne.

Poza narzędziami do mikrokontrolerów i programatorami pamięci Flash, które stanowią naturalną bazę tego sektora rynku, warto podkreślić znaczenie zestawów uruchomieniowych dla potrzeb M2M i radiokomunikacji. Takie nowe obszary również przyczyniają się do wzrostu potencjału omawianego sektora, tworząc nowe otwarcia. Wiele modułów komunikacyjnych to złożone konstrukcje zawierające procesor aplikacyjny, pamięć i układy peryferyjne, dające możliwość programowania. Do ich obsługi potrzebne są narzędzia programowe i sprzętowe, podobne jak dla mikrokontrolerów.

Nowa definicja próbek inżynierskich

Najważniejszym czynnikiem odpowiedzialnym za szybką popularyzację zestawów projektowych jest niewątpliwie miniaturyzacja w elektronice. Większość nowych układów scalonych wytwarzana jest w maleńkich obudowach, coraz częściej bezwyprowadzeniowych, jak BGA i QFN. Jeszcze kilka lat temu były one zarezerwowane dla złożonych układów cyfrowych, takich które stanowią jądro systemu cyfrowego (procesor, układ graficzny, matryca programowalna), ale widać, że obecnie montowane są w nich także układy średniej skali integracji, na przykład sterowniki zasilaczy, wzmacniacze audio i operacyjne, układy komunikacyjne i podobne.

Wraz z kryzysem i coraz większym znaczeniem elektroniki konsumenckiej na rynku, a więc faktem, że duża część wolumenu produkcyjnego producentów chipów trafia do urządzeń produkowanych masowo, wytwórcy ograniczają liczbę dostępnych obudów. Nawet jeśli jest ich kilka, to nie należy oczekiwać, że na liście znajdą się wersje inne niż do montażu powierzchniowego SMT.

Niestety takie są fakty, że produkcja elektroniki, bez względu na skalę i obszar aplikacyjny, jest dzisiaj zdominowana przez montaż powierzchniowy. Co więcej, gęstość upakowania stale rośnie, a rastry wyprowadzeń chipów maleją. Innymi słowy montaż nawet płytki prototypowej wymaga skorzystania z pełnego procesu SMT, co nie zawsze jest możliwe, łatwe, tanie i szybkie. Dlatego płytka ewaluacyjna, nawet jeśli zawiera jedynie chip i złącze, jest dla konstruktora tak samo cenna, jak dekadę temu bezpłatne próbki, zaś same układy zaczynają przypominać ciastko za szybą.

Wypromowanie nowego innowacyjnego układu, np. mikrofonu MEMS, który ma wielkość ziarnka gorczycy, bez zestawu projektowego jest dla producenta elektroniki bez porównania trudniejsze, bo konstruktor od razu staje przed koniecznością kosztownego prototypowania, zanim będzie mógł ocenić przydatność proponowanego rozwiązania. Innymi słowy tworzenie zestawów projektowych jest korzystne dla obu stron.

Przedstawić ofertę jak najwcześniej

Warto zauważyć, że wielu producentów chipów ma w ofertach układy scalone o podobnych funkcjach jak konkurencja. W zakresie podzespołów standardowych (wzmacniacze operacyjne, stabilizatory, przetworniki) liderzy rynku mają wiele rozwiązań podobnych do siebie, nierzadko różniących się tylko drobnymi niuansami. Stąd cały łańcuch dystrybucji wkłada wiele wysiłku, aby swoje produkty przedstawić i zaproponować konstruktorom jak najwcześniej, najlepiej na samym początku procesu projektowania.

Wiadomo, że projektanci mają coraz mniej czasu i są pod nieustanną presją konkurencji oraz koniecznością obniżania kosztów. Dlatego każde wsparcie, które ułatwi im pracę i ograniczy, ryzyko jest chętnie przyjmowane. Niewątpliwie zestawy projektowe, narzędzia i oprogramowanie zaliczają się do takich działań.

Kolejnym czynnikiem pozytywnie oddziałującym na rynek narzędzi jest to, że na rynku elektroniki wiele się dzieje. Praktycznie każdego dnia pojawiają się jakieś nowości mniejszego kalibru, większe premiery najczęściej są rocznicami, a te przełomowe to mniej więcej okres nie dłuższy niż pięć lat. Z punktu widzenia wiedzy projektanta, jego doświadczenia zawodowego oraz tego, ile ma czasu na samokształcenie i pogłębianie wiedzy, to wszystko jest bardzo mało, tym bardziej że złożoność wielu technologii jest znaczna i wykraczająca poza możliwość poznania ich poprzez zwykłe przeczytanie dokumentacji.

Przykładem mogą być nowoczesne technologie komunikacji sieciowej jak chociażby IoT. Zapanowanie nad tymi procesami wsparcia się nowoczesnym oprogramowaniem i platformami sprzętowymi jest w zasadzie niemożliwe, stąd dostępność rozbudowanych zestawów, narzędzi i oprogramowania staje się dzisiaj często wręcz kluczowa.

Darmowe czy komercyjne?

Tabela 1. Przegląd ofert dostawców oprogramowania i narzędzi projektowych

Projektowe oprogramowanie inżynierskie nigdy nie było tanie i chyba nigdy nie będzie. Zaawansowane narzędzia projektowe, a zwłaszcza takie przeznaczone do mikrokontrolerów, procesorów sygnałowych o dużych możliwościach weryfikacji, emulacji i kontroli działania w czasie rzeczywistym też nie są tanie. Niemniej poza obszarem produktów o charakterze czysto komercyjnym na rynku jest wiele narzędzi bezpłatnych lub prawie bezpłatnych, które tworzą producenci chipów.

Szczególnie imponująco wygląda oferta dla mikrokontrolerów 32-bitowych, gdzie nawet u jednego producenta można znaleźć nierzadko kilkanaście kompletnych platform o różnym stopniu zaawansowania. Takie zestawy producenci sprzedają po cenie równoważącej im koszty produkcji, nierzadko rozdają na seminariach i warsztatach technicznych uczestnikom, traktując takie działania jako formę promocji.

Można podać wiele przykładów, gdy dobry zestaw wywołał falę zainteresowania układem, stąd z czasem widać, że własne zestawy rozwojowe przestają być domeną tylko producentów chipów. Własne wersje opracowują także więksi dystrybutorzy podzespołów elektronicznych. Firmy tworzą i udostępniają starter kity konstruktorom po kosztach, wychodząc z założenia, że nic lepiej nie napędzi sprzedaży chipów. Niekiedy możliwości takich zestawów są na tyle duże, że dla wielu firm okazują się one całkowicie wystarczające, co przekonuje, że jest to działanie, które ma spory wpływ na rynek.

Podobnie jest z oprogramowaniem. Większość producentów mikrokontrolerów rozwija i oddaje bezpłatnie użytkownikom zintegrowane środowiska projektowe (IDE) zawierające kompilator, debugger, programator i emulator, za pomocą których można tworzyć nawet złożone projekty. Dostępne są też biblioteki, drivery, stosy, ułatwiające rozpoczęcie pracy, dzięki czemu orientujący się w tematyce inżynier jest w stanie zrealizować nawet duży projekt.

Poza oprogramowaniem narzędziowym można znaleźć też bezpłatne pakiety oprogramowania do projektowania płytek drukowanych, symulatory, narzędzia do projektowania filtrów - takich pozycji jest naprawdę wiele. Zakres wsparcia płynącego ze strony producentów mikrokontrolerów w przypadku danego producenta nie jest taki sam ani też nie ma reguł, co oddaje się za darmo, a za co trzeba już płacić. Niemniej trudno nie zauważyć, że zwykle popularne mikrokontrolery, np. Atmel, Microchip, są właśnie w ten sposób silnie wspierane.

Dyskusja bazująca na tym, czy lepsze są narzędzia komercyjne, czy też te dostarczane przez producentów gratis, nie może i pewnie nigdy nie będzie miała rozstrzygnięcia, bo wszystko zależy od konkretnego przypadku. Z pewnością wiele prostych projektów daje się zrealizować za pomocą bezpłatnych środowisk programistycznych oraz interfejsów umożliwiających programowanie układu i debugowanie kodu.

Producenci układów programowalnych pokrywają też zdecydowaną większość rynku w zakresie prostych i mało skomplikowanych aplikacji, gdyż zwykle ich bezpłatne oprogramowanie plus płytki demo mają wystarczające możliwości. Projektanci, którzy tworzą aplikacje profesjonalne, takie gdzie jakość i niezawodność potwierdzana jest badaniami i certyfikatami, mogą preferować dopracowane produkty komercyjne.

Inni, zwłaszcza ci, który dysponują czasem i wiedzą, mogą wybrać narzędzia bezpłatne. Wszystkie rozważania trzeba też odnieść do skali przedsięwzięcia, bo im jest ona większa, tym koszt narzędzi w przeliczeniu na sztukę jest mniejszy, co sprzyja narzędziom komercyjnym. Niemniej czynników wyboru jest naprawdę wiele.

Patrząc na te procesy w perspektywie lat, można powiedzieć, że koszt pracy inżynierskiej stale rośnie, na dodatek dobrych projektantów elektroniki zawsze brakuje, zwłaszcza w zakresie układów analogowych. Wydajne narzędzia, które są w stanie przyspieszyć projektowanie, ograniczyć liczbę wykonywanych prototypów i takie, które pozwalają zrobić więcej przy mniejszych zasobach kadrowych, zawsze będą poszukiwane i pewnie z czasem nawet bardziej niż dzisiaj.

Firmy mają sporą świadomość niezbędności tego typu oprogramowania, nie szukają drogi na skróty w zakresie technologii i zwykle większość problemów z oprogramowaniem EDA ma już dla nich charakter wyłącznie biznesowy, czyli ogranicza się do tego, jak wydając minimalną kwotę pieniędzy, otrzymać potrzebne narzędzia.

Firmy decydują się na płatne oprogramowanie także wówczas, gdy chcą korzystać ze wsparcia technicznego ci, którzy potrzebują gotowych bibliotek na przykład obsługujących zaawansowane układy peryferyjne, korzystają z systemów operacyjnych, realizują złożone systemy, do tworzenia których przydają się dostępne w płatnych pakietach funkcje optymalizacyjne i analityczne.

Pozytywnym aspektem tych procesów jest też spadek cen narzędzi projektowych, sprzyjający popularyzacji rozwiązań i technologii. Otrzymana za darmo płytka startowa nierzadko jest przyczyną zainteresowania daną architekturą studentów i pracowników biur projektowych, którzy później mogą podjąć decyzję o większym zaangażowaniu właśnie w tym, znanym już kierunku. Wiadomo, że grono projektantów jest inercyjne i zmiany w wykorzystywanych architekturach układów programowalnych nie są częste. Wiedza plus posiadane już narzędzia tworzą bariery, które można przełamać m.in. w taki sposób.

Open source hardware i software

Kryzys i związane z nim poszukiwanie wszelkich możliwych oszczędności spowodowały wzrost zainteresowania darmowym oprogramowaniem oraz także platformami sprzętowymi open source. Dzięki wolnemu oprogramowaniu zaczęły powstawać otwarte projekty urządzeń, które zawierają schemat, projekt PCB, wykaz elementów oraz oprogramowanie. Dziedzina ta rozwija się od dawna, jednak dopiero rozwój gotowych platform, które można kupić w kilku produkowanych wersjach i dopasować do własnych potrzeb (Arduino, Amicus18, Beagleboard, Hawkboard, Raspberry Pi i inne), spowodował, że przekroczona została konieczna do rozwoju masa krytyczna zainteresowania.

Jednym z ważniejszych czynników ułatwiających powstawanie platform open hardware i bezpłatnego oprogramowania open source jest znacząca rola społeczności inżynierskiej i hobbystów zgromadzonych wokół forów dyskusyjnych, którzy nie tylko kreują kształt powstających produktów, ale czynnie włączają się w prace nad ich powstawianiem. Termin ten określa się jako crowdsourcing i oznacza on wspólną pracę wielu osób na dodatek rozproszonych po całym świecie nad realizacją projektu.

Takie rozproszone działania oparte na gronie w dużej mierze przypadkowych osób niesie za sobą ryzyko błędów i braku optymalności, niemniej gdy grupa pracująca nad projektem dobierze się trafnie i skupi osoby kompetentne, często wynik ich pracy ma charakter innowacyjny. O ile do niedawna takie produkty były obiektem zainteresowania grup społecznościowych skupionych wokół portali i hobbystów, o tyle obecnie coraz częściej są postrzegane przez biznes jako tanie i innowacyjne narzędzie projektowe. Widać to chociażby po tym, że platformy open hardware są akceptowane w biznesie. Dla firm oznacza to obniżkę kosztów i skrócenie czasu przygotowania produktu. A to są już wymierne korzyści dla firm.