Narzędzia projektowe i zestawy ewaluacyjne

Z roku na rok coraz większa część procesu projektowania jest wykonywana za pomocą komputera. Etap, kiedy myśl techniczna musi zostać sprawdzona w środowisku rzeczywistym, stale przesuwa się w czasie na później, a liczba prototypowych wersji, które trzeba przygotować, nieustannie się zmniejsza. To dobra wiadomość, bo znaczy to, że dostępne na rynku narzędzia projektowe mają coraz większe możliwości. Urządzenia elektroniczne stają się coraz bardziej skomplikowane i zagadnień, nad którymi trzeba utrzymać kontrolę w projekcie, jest coraz więcej.

Najlepszym przykładem jest zachowanie zasad projektowania w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Łatwo można się pomylić, czegoś nie dopilnować lub o czymś zapomnieć. Dopóki projekt jest "w komputerze", pomyłkę łatwo można skorygować, potem jest to już poważny problem. Dzisiaj regułą jest także, że inżynierowie realizują kilka projektów jednocześnie i każdy z nich jest na innym stopniu zaawansowania, przez co panowanie nad szczegółami nie jest łatwym zadaniem i wymaga podzielności uwagi. Oczywiście czasu w pracy stale brakuje, stąd bierze się coraz większa presja na możliwości projektowe, bo gdy są one duże, umożliwiają dotrzymanie terminów.

Podstawowe dla elektroników oprogramowanie EDA, a więc służące do rysowania schematów i projektowania płytek, jest niezbędne, ale już dawno niewystarczające. Płytka musi zostać zamknięta w obudowie, stąd firmy elektroniczne sięgają też po narzędzia do projektowania mechaniki, np. Solidworks, narzędzia CAD do projektowania połączeń elektrycznych i wiązek między blokami funkcjonalnymi w obudowie, takimi jak zasilacz, komputer, element wykonawczy. Im bardziej skomplikowane urządzenie, a więc więcej płytek, złączy i komponentów składających się na całość, tym znaczenie posiadania oprogramowania projektowego do projektowania takich "dodatków" staje się oczywiście większe.

Najważniejsze cechy narzędzi brane pod uwagę przy kupnie

 

Najważniejsze kryterium selekcji produktu w obszarze narzędzi projektowych to oczywiście cena, niemniej zaraz po niej na wykresie uplasowały się duże możliwości projektowe. Można też powiedzieć, że na rynku liczy się najlepszy stosunek możliwości projektowych do ceny. Istniejące doświadczenie użytkownika z poprzednich wersji produktu, długotrwała współpraca z dostawcą to natomiast sygnały, że inżynierowie wiążą się z markami i produktami z tego obszaru na lata. Dlatego oczekują dostępności aktualizacji, szkoleń, po to, aby rozwijać swoje kompetencje, nic nie zmieniając w zakresie marek producentów.

Tworzenie projektu to także symulacje i weryfikacje poprawności wykonywane na poziomie schematu (poprawność połączeń, weryfikacja koncepcji układowych), płytki drukowanej (m.in. integralność sygnałowa), a dla wszystkich komponentów są to symulacje w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej oraz badania termiczne. Możliwość wizualizacji płytki w trzech wymiarach ułatwia nie tylko spasowanie z obudową, ale także planowanie dróg wentylacji. Oczywiście, im więcej symulacji, tym oczywiście mniejsze ryzyko, że wykonany na koniec prototyp nie spełni założeń i będzie wymagać poprawek.

Możliwości zapewniane przez oprogramowanie symulacyjne są ogromne i bez problemu można uzyskać dużą moc obliczeniową niezbędną do szybkich obliczeń. Mamy przetwarzanie w chmurze obliczeniowej, farmy serwerów, które można wynająć i zlecić obliczenia. Pecety też są znacznie wydajniejsze, co nierzadko daje spore możliwości symulacyjne zwykłym komputerom biurowym. Rozwój oprogramowania symulacyjnego przyspieszył w ostatnich latach, bo okazało się, że symulacje pozwalają przygotować projekt szybciej i taniej, niż tradycyjnie było to realizowane przez szereg kolejnych iteracji z doskonaleniem prototypów. Najbardziej znaczący postęp dotyczy EMC, gdzie symulacja przynosi bardzo spektakularne efekty.

Na koniec zostaje to, na co często nie starcza czasu, a więc wykonanie dokumentacji. Wiele realizowanych obecnie projektów urządzeń ma charakter specjalistyczny, a więc jest tworzonych na zamówienie i produkowanych w krótkich seriach. Takie produkty są też dopasowywane do wymagań za pomocą mniejszych lub większych modyfikacji wersji seryjnych lub też wersji bazowej o ogólnym przeznaczeniu. W ten sposób charakteryzują się w jakiejś mierze unikatowością, a wykonane zmiany wymagają udokumentowania dla potrzeb przyszłej obsługi posprzedażnej lub na żądanie zamawiającego. Tworzenie dokumentacji w przypadku, gdy proces projektowania jest realizowany w spójnym środowisku komputerowym zapewniającym wymianę danych między używanym oprogramowaniem, jest podstawą do tego, aby dokumentacja nie była problemem. Z tych przyczyn wiele dzisiaj się mówi o współpracy różnych klas oprogramowania ze sobą, a przynajmniej o wymianie danych między światem elektrycznym i mechanicznym.

NOWE FIRMY A RYNEK NARZĘDZI

Nadeszły takie czasy, że zaprojektowanie urządzenia oraz jego wyprodukowanie jest łatwiejsze do zrealizowania, niż wymyślenie jego funkcjonalności i zastosowania. Skoro mamy duże zaplecze firm EMS, produkcja nie stanowi problemu. W zakresie projektowania także można sobie pomóc i skorzystać z usług biur inżynierskich. W obszarze zbliżonym do IoT wiele produktów daje się zrobić przy minimalnym nakładzie pracy z użyciem narzędzi online i specjalistycznego oprogramowania, które sprowadza się do wykorzystania gotowych platform sprzętowych oraz oprogramowania tworzonego za pomocą przeciągania elementów graficznych. Takie możliwości zapewniają znane z rynku IT firmy, które zainwestowały w biznes IoT, np. Microsoft i Azure IoT Hub. Podobne możliwości dają liczne rozwiązania platform sprzętowych open source, dla których wspólnym mianownikiem są smart things, czyli proste koncepcyjnie urządzenia czujnik-komunikacja-chmura-aplikacja.

Ważne i poszukiwane funkcjonalności

 

Zestawienie istotnych i poszukiwanych funkcjonalności narzędzi projektowych na czołowym miejscu zawiera oczekiwanie, aby były to kompleksowe środowiska projektowe, czyli rozbudowane narzędzia umożliwiające wykonanie znacznej części projektowania warstwy sprzętowej bądź oprogramowania. Podobne oczekiwanie zawierają się także w drugim co do ważności słupku, tj. możliwości wykorzystania w wielu projektach, a więc jak największej uniwersalności narzędzia. Istotne znaczenie łatwości rozpoczęcia pracy i korzystania to natomiast pokłosie widocznego na rynku dużego tempa wydarzeń i pracy, które zabierają inżynierom wolny czas.

Ta łatwość rozpoczęcia jest prawdopodobnie jedną z istotniejszych przyczyn, dla których na rynku pojawia się wiele nowych firm aktywnych w obszarze IoT. Biznes zaczyna się tutaj od pomysłu i entuzjazmu założycieli, ale z czasem rośnie skala działalności i zapotrzebowanie na narzędzia projektowe.

Obszar IoT jest pośrednim dowodem, że dla omawianego sektora rynku produkty darmowe lub dotowane nie są konkurencją, ale wprost przeciwnie – poszerzają one rynek o nowych uczestników, obniżając tzw. próg wejścia.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rynku narzędzi projektowych

 

Rozwój rynku narzędzi projektowych stymulują nowe aplikacje i zastosowania elektroniki, a więc ogólnie pojmowany rozwój technologii. Za czynnik sprzyjający uznano także szeroki asortyment dostępnych produktów oraz to, że często narzędzia są dotowane przez producentów, którzy traktują je jako element marketingu oraz sposób na transfer wiedzy do klientów. Nietrudno dostrzec, że możliwości projektowe kryjące się w coraz nowszych wersjach płytek rozwojowych są bardzo duże, poza drogimi chipami i peryferiami dużą wartość ma też część software’owa. Zestawy znacząco przyspieszają pracę i ograniczają ryzyko pomyłek, stąd ich rola wsparcia dla rozwoju rynku jest bardzo duża.

PLATFORMY SPRZĘTOWE A CHINY

Typowe rozwiązania sprzętowe do celów projektowania i platformy open source, w tym programatory, interfejsy, moduły komunikacyjne Arduino, ESP, zestawy startowe dla popularnych mikrokontrolerów i dziesiątki innych układów tego typu, są wytwarzane przez firmy chińskie i dostępne za pośrednictwem wielu tamtejszych platform internetowych sprzedaży. W zakresie rozwiązań otwartych ich ceny są bardzo konkurencyjne, a na skutek mnóstwa problemów na naszej granicy wiele z nich trafia na rynek krajowy bez opłacania cła i podatku VAT i na dodatek w ramach darmowej przesyłki. Tamtejsze firmy dość swobodnie podchodzą do praw autorskich i wiele opinii wskazuje, że sporo płytek firmowych jest podróbkami, niemniej nie wydaje się, aby to komuś z kupujących przeszkadzało.

Oznacza to, że dystrybucja narzędzi projektowych jest od strony biznesowej trudna z uwagi na tę konkurencję. Wydaje się, że w mniejszym stopniu przeszkadza ona dużym firmom dystrybucyjnym w tym dostawcom katalogowym, a najbardziej przedsiębiorstwom ze środka, dla których prywatni importerzy i sprzedaż przez portale aukcyjne i sklepy internetowe, jak chociażby Aliexpress stanowią poważną konkurencję.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

 

W rozwoju rynku przeszkadzają przede wszystkim oszczędności finansowe, cięcia funduszy i środków rozwojowych. To z pewnością dotyczy w największym stopniu wydatków na oprogramowanie inżynierskie, natomiast kiepskie produkty dalekowschodnie wiążą się zapewne z zalewem rynku mnóstwem tanich płytek ewaluacyjnych, zwłaszcza tych standardowych o podstawowych możliwościach lub też bardzo popularnych i bazujących na otwartej architekturze – przykładem może być Arduino.

Równowagę rynku zapewnia jedynie to, że rozwój rynku w zakresie płytek rozwojowych jest na tyle szybki, że starsze rozwiązania po krótkim czasie wypadają na margines. Czas życia układów, rozwiązań, technologii i standardów nieustannie się skraca, przez co w pracach projektowych nierzadko trzeba sięgać po to, co dopiero wejdzie na rynek lub właśnie się pojawiło. W ten sposób producenci są w stanie konkurować z wykorzystaniem tzw. ucieczki do przodu.

NOWOCZESNE CHIPY I ICH OBUDOWY

Wiele współczesnych aplikacji w praktyce bazuje na jednym chipie systemowym lub zawiera kluczowy komponent tego typu determinujący funkcjonalność aplikacji. Element taki jest przez producenta wprowadzany na rynek nie tylko jako obudowana krzemowa struktura, ale jako całe środowisko techniczne (w języku angielskim określane jest to terminem ekosystem). Składa się na niego chip, dokumentacja, projekty referencyjne (aplikacyjne), oprogramowanie firmware, konfiguratory oraz narzędzia online, a także płytki projektowe o różnej funkcjonalności i stopniu zaawansowania. Poza tymi elementami częścią środowiska technicznego są też społeczności użytkowników skupione na oficjalnych forach dyskusyjnych prowadzonych przez producentów oraz tych niepowiązanych formalnie, czyli niezależnych. Oficjalne fora dyskusyjne są wspierane przez ekspertów producenta, bo z reguły personel techniczny czyta posty i reaguje na nie, świadcząc w ten sposób wsparcie.

Znaczenie rynkowe poszczególnych produktów z obszaru narzędzi

 

Duże znaczenie rynkowe płytek ewaluacyjnych, starter kitów i podobnych platform wynika z połączenia niskich cen, dobrej dostępności, zaawansowanych możliwości i tego, że w praktyce każdy ważniejszy chip ma dzisiaj swój zestaw deweloperski. Użycie płytki przyspiesza pracę, bo nie trzeba zaczynać od tych samych żmudnych czynności, a więc schematu, płytki, potem montażu, o oprogramowaniu nie wspominając. Poza tym taki układ trzeba przecież też gdzieś kupić. A ponieważ producenci półprzewodników zapewniają taką pomoc, inżynierowie chętnie z niej korzystają. W praktyce wiele aplikacji w praktyce składa się ze specjalizowanego układ scalonego typu SoP, a gotowa aplikacja jest często projektem referencyjnym przygotowanym przez producenta, zestaw stanowi nierzadko prawie gotowy pierwszy prototyp.

Dla projektantów elektroniki takie środowiska projektowe mają dużą wartość, bo ograniczają ryzyko błędu i oszczędzają czas. W ten sposób płytka dostarczona przez producenta aspiruje do roli pierwszego prototypu, takiego, gdzie testuje się koncepcję lub sprawdza algorytmy. Oszczędność czasu bywa jeszcze większa, jeśli kilka etapów składających się na projektowanie da się prowadzić dzięki niej równolegle.

Wiadomo, że czas to pieniądz i skrócenie czasu przygotowywania projektu ma coraz większy wymiar finansowy, ale dodatkowo wiele z płytek projektowych jest bardzo tanich w stosunku do tego, co zawierają i ich funkcjonalności. Jest to przykład różnic między tradycyjnym marketingiem a jego technicznym odpowiednikiem. Dobrze wyposażony zestaw startowy ze skomplikowanym chipem systemowym, takim jak np. FPGA, jest często oferowany po bardzo atrakcyjnej cenie sugerującej dotowanie przez producenta, a więc sprzedaż poniżej kosztów. Płytka jest reklamą produktu i nioskie ceny wielu zestawów to potwierdzają. Jednocześnie dotacje wybijają z głowy pomysły o tym, aby coś robić samodzielnie, bo się to nie opłaca. W warunkach polskich zjawisko, aby możliwie jak najwięcej robić we własnym zakresie, zawsze było wyraźnie zarysowane. Teraz, przy rosnących kosztach pracy, dużej konkurencji oraz presji rynku na szybkość, odchodzi już szybkim krokiem w przeszłość.

Niska cena, a często nawet możliwość otrzymania bezpłatnie wartościowego zestawu od dystrybutora jako próbki, liczne akcje zniżkowe kierowane do uczestników seminariów i szkoleń, są już stałym elementem marketingu technicznego i wyraźną zachętą do tego, aby przekonać się samodzielnie, czy dane rozwiązanie się sprawdzi. Jest to też skuteczna metoda, aby przyciągnąć na spotkanie firmowe wielu gości. Nawet, jeśli sporo z przekazanych na takich spotkaniach zestawów trafifinalnie na półkę, dalej jest to warte zachodu. W dzisiejszych czasach decyzje strategiczne na temat inwestycji w konkretną architekturę mikrokontrolerów wypracowywane są w długim czasie, stąd przekona konstruktora wymaga wysiłku, czasu i cierpliwości. Rzeczywisty układ elektroniczny przemawia do inżynierów znacznie silniej niż najlepsza prezentacja, dlatego zestawy deweloperskie w ostatnich latach stały się silnym orężem w walce o uwagę i zainteresowanie kadry inżynierskiej.

CO JEST DOSTĘPNE NA RYNKU?

Ostatnie lata przyniosły ogromną ekspansję mikrokontrolerów, które stały się najważniejszym podzespołem w wielu aplikacjach i tworzą większą część platformy sprzętowej. Mikrokontrolery stały się na tyle dobre i tanie, że ich użycie jest wskazane nawet w najprostszych aplikacjach, gdzie kiedyś wystarczyłyby 1‒2 układy standardowe. Oferta rynku jest też tak szeroka, że można dobierać optymalne jednostki pod względem zasobów, obudów i innych kryteriów. Nic więc dziwnego, że rynek półprzewodników kręci się wokół mikrokontrolerów i to o nich najwięcej się mówi, poświęca im najwięcej uwagi i dla nich jest na rynku najwięcej narzędzi, zarówno sprzętowych, jak i oprogramowania.

Najważniejszą funkcję na rynku pełnią emulatory i zintegrowane środowiska projektowe (IDE), które dostarczają czołowi producenci mikrokontrolerów, jak ST Microelectronics, Microchip, Renesas lub NXP. Spora część z nich to pakiety bardzo zaawansowane. Poza nimi są też komercyjne pakiety IDE firm, jak IAR, Keil, Atollic, CooCox, Hitex, GreenHills, Raisonance i inne. Oferta rynku jest dość szeroka, także w przypadku wersji płatnych, co jest konsekwencją ogromnej popularności procesorów ARM Cortex. Podobne rozwiązania dostępne są dla układów CPLD, FPGA oraz DSP firm Intel- Altera, Lattice Semiconductor, Xilinx, Cypress Semiconductor, Analog Devices.

Poza nimi funkcjonują programy narzędziowe, takie jak kompilatory, symulatory i debuggery oraz programy związane z interfejsem JTAG. Są też gotowe do użycia biblioteki programowe, RTOS-y, stosy do komunikacji bezprzewodowej. Są także biblioteki pomiarowe i pakiety wizualizacyjne (do interfejsu GUI).

Osobną kategorię stanowią pakiety oprogramowania EDA, a więc przede wszystkim Altium Designer, PADS (należy do Siemensa), oraz OrCAD i Eagle (teraz należący do firmy Autodesk). W tym obszarze też można znaleźć sporo darmowych pozycji np. KiCAD.

NARZĘDZIA ONLINE DLA IOT

W obszarze IoT potrzeba posiadania i pracy w oparciu na oprogramowaniu platform rozwojowych jest bardzo wyraźnie zarysowana. Wiele aplikacji IoT to od strony sprzętowej maleństwa o wysokiej skali integracji i 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. Duża część z nich jest dostępna jako narzędzia online. Ten segment rynku rozwija się w ostatnich latach dynamicznie, bo sam rynek jest specyficzny pod tym kątem.

Sonda w zakresie popularnych modeli licencjonowania oprogramowania projektowego

 

Wraz z popularyzacją usługowych modeli biznesowych coraz więcej produktów na rynku dostępnych jest jako usługa. W przypadku oprogramowania trend ten dotyczy czasowych modeli licencyjnych, w ramach których nie kupuje się licencji wieczystych, ale czasowe abonamenty. Jak widać z wykresu, rynek oprogramowania inżynierskiego na razie nie jest zainteresowanych modelem usługowym. Najbardziej oczekiwane są licencje wieczyste na wersje podstawowe, które ewentualnie w przyszłości można rozszerzyć.