Przemyślenia po 40 latach rozwijania systemów testowych i pomiarowych oraz kilka słów o ich przyszłości

Firma NI od samego początku starała się tworzyć innowacyjne rozwiązania pozwalające zmieniać nasz świat. Pozwólcie mi opowiedzieć, co ostatnie 40 lat nauczyło mnie oraz dokąd według mnie zdąża rynek, gdy wchodzę w kolejną fazę swojej kariery.

Zrobić dla rynku testów i pomiarów to, co arkusz kalkulacyjny zrobił dla analizy finansowej

Kiedy wraz z Jeffem Kodoskym oraz Billem Nowlinem założyliśmy NI w 1976 roku, widzieliśmy olbrzymią przestrzeń do innowacji w tym, jak inżynierowie oraz naukowcy pracowali z oprzyrządowaniem służącym do testów czy pomiarów. Naszą działalność rozpoczęliśmy, ponieważ wierzyliśmy, że musi być lepszy sposób na stawienie czoła wyzwaniom, jakie przed nami, jako inżynierami, stawiają problemy związane z tą branżą. Rozwiązania nie mogliśmy zwyczajnie kupić, z drugiej strony nie byliśmy zmuszeni konstruować wszystkiego od zera.

Naszą metodą było wykorzystanie istniejącego już interfejsu komunikacyjnego - GPIB (IEEE 488), natomiast naszą wizją, jak to określiliśmy w 1983 roku, było "zrobić dla rynku testów i pomiarów to, co arkusz kalkulacyjny zrobił dla analizy finansowej". Niestety zdanie to dziś traci swoją dawną moc, lecz wyobraźmy sobie wczesne lata 80. ubiegłego wieku. W tamtych czasach narzędzia do analizy finansowej były "zamknięte" oraz zbyt drogie dla kogoś z mniejszym budżetem.

Wczesne wcielenia arkusza kalkulacyjnego wywróciły tę sytuację do góry nogami i to było dokładnie to, co chcieliśmy zrobić. Chcieliśmy doprowadzić do tego, aby każdy inżynier czy naukowiec miał dostęp do tych samych narzędzi oraz platformy, co zespoły R&D firm wiodących prym na rynku. W tamtym czasie było to myślenie całkowicie nieszablonowe - pod pewnymi względami takie pozostaje nawet dziś.

Oprogramowanie jest narzędziem

Podczas gdy GPIB był widziany jedynie jako rozwiązanie sprzętowe, my zobaczyliśmy w nim potencjał rozwoju oprogramowania. Gdy rynek komputerów osobistych ewoluował (włączając w to komputery Mac, do których odczuwaliśmy specjalną sympatię za graficzny interfejs użytkownika), to właśnie kabel GPIB pozwolił w łatwy sposób przesłać oraz wyświetlić dane zgodnie z oczekiwaniami naszych klientów. Od tego momentu nie byli oni przywiązani jedynie do panelu obecnego na sprzęcie pomiarowym oraz długopisu bądź ołówka z kartką papieru jako narzędzia do akwizycji danych.

W tym czasie innowacyjność wkroczyła do świata oprogramowania, gdzie języki programowania potrzebowały specjalizowanych sterowników do łączenia się ze sprzętem. Naszą strategią stało się pisanie oraz wspieranie tychże sterowników, co jest kontynuowane do dziś - NI wspiera ponad 10 000 różnych sterowników w naszej sieci znanej jako Instrument Driver Network.

W tamtym okresie inżynierowie oraz naukowcy ograniczeni byli koniecznością korzystania z narzędzi projektowanych stricte dla informatyków, a nie ludzi zajmujących się testami oraz pomiarami. Naszą odpowiedzią były dwa systemy: LabWindows/CVI, oferujący możliwość programowania w języku ANSI C, oraz LabVIEW - innowacyjne środowisko, które umożliwiło programowanie graficzne, analogiczne do sposobu naszego myślenia.

Zadanie było proste: pobrać dane, poddać je analizie, a następnie zaprezentować. Wszystko to miało być możliwe z wykorzystaniem oprogramowania, prostego w użyciu i uniwersalnego w zastosowaniach. Sformułowanie "oprogramowanie jest narzędziem pomiarowym" najlepiej określa działanie naszego produktu. Dzięki takiemu podejściu inżynierowie oraz naukowcy zaczęli oszczędzać swój cenny czas, co jedynie potwierdziło wartość naszych propozycji.

Rozwój w zgodzie z prawem Moore’a

Ludzie zwykle postrzegają prawo Moore’a w kontekście sprzętu, jednak sprzęt bez oprogramowania nie ma racji bytu. Gdy przenieśliśmy problem testów oraz pomiarów do oprogramowania, efektywnie zaczęliśmy wykorzystywać rozwiązania firm takich jak Intel czy Xilinx. Wraz z naszymi klientami oraz partnerami budowaliśmy naszą platformę oraz stosowaliśmy coraz nowsze chipy, aby dostarczyć jak najlepszy sprzęt do naszych systemów wbudowanych. Stało się to przede wszystkim w dwóch kluczowych obszarach: procesorach wielordzeniowych oraz FPGA.

LabVIEW, jako graficzny język programowania, jest narzędziem stworzonym do przetwarzania równoległego. Użytkownicy LabVIEW, jako jedni z pierwszych, mogli z łatwością przenieść się z procesorów jednordzeniowych do tych wielowątkowych oraz niemal natychmiast zobaczyć przyrost wydajności.

Oczywiście jest możliwe czerpanie korzyści z wielowątkowości również w innych językach programowania, tak jak jest możliwe pisanie wydajnego oprogramowania w kodzie maszynowym czy asemblerze, ale powstaje pytanie, czy warto? Tempo zmian w nowoczesnej elektronice powoduje, że nie możemy tracić czasu na robienie tych rzeczy, w których narzędzia są w stanie zrobić coś za nas - i opinię tę wciąż słyszymy od użytkowników LabVIEW.

Proces ten wchodzi na zupełnie nowy poziom wraz z wykorzystaniem układów FPGA. Niektóre problemy po prostu mogą być lepiej rozwiązane z możliwością przetwarzania równoległego i w pełni deterministycznego. Niestety narzędzia programistyczne były niedostępne dla większości inżynierów konstruktorów czy badaczy medycznych, którzy byli specjalistami we własnych dziedzinach (a nie w projektowaniu układów cyfrowych).

Problem ten zauważyliśmy pod koniec lat 90. ubiegłego wieku. Wtedy postanowiliśmy, że umożliwimy użytkownikom LabVIEW programowanie układów FPGA - i w końcu nam się to udało. Aby przekonać się, jak duży wpływ miała ta technologia, wystarczy spojrzeć na dokonania zwycięzców Engineering Impact Awards: od medycznych aplikacji wspomagających regenerację funkcji organów zniszczonych przez choroby, po osiągnięcie światowego rekordu w wydajności spektralnej 5G z wykorzystaniem systemów wieloantenowych (massive MIMO).

Projektowanie sprzętu pomiarowego z myślą o oprogramowaniu

Jeśli patrzymy na oprogramowanie w taki sposób, w jaki zrobiliśmy to my, dobrze jest spojrzeć również inaczej na sprzęt. Tworzenie platform modułowych było dla nas naturalną koleją rzeczy. Naszym celem było tworzenie sprzętu lekkiego w przystępnej cenie (bez ekranów, źródeł zasilania, przycisków, pokręteł itp.), poświęcając jak najwięcej uwagi przetwornikom ADC, DAC, kondycjonowaniu sygnału czy metody przesyłania danych.

Nigdy jeszcze nie widziałem interfejsu stworzonego przez jakiegokolwiek producenta, w jakimkolwiek celu, który jest zrobiony lepiej niż ten stworzony bezpośrednio przez klienta. Nawet najlepsze panele frontowe obecne w sprzęcie pomiarowym są skomplikowane, z wieloma nieużywanymi przyciskami czy strukturami w menu. Bardzo często rozmiar naszego sprzętu pomiarowego jest dyktowany przez złącza wejść/wyjść. Czy można to zrobić jeszcze wydajniej?

Rzeczywistość pokazuje, że nasza strategia jest nie tylko wydajna, jest po prostu właściwa. Weźmy na przykład nowy transceiver sygnałów wektorowych, na który składa się analizator RF, generator RF, równoległe oraz szeregowe interfejsy cyfrowe oraz wydajny moduł przetwarzania sygnałów - a wszystko to mieści się w 2 slotach PXI. Produkt ten dostarcza niespotykaną dotąd szerokość pasma (1 GHz), niesamowitą wydajność RF, skalowalność do zastosowań MIMO, a możliwe stało się to właśnie dzięki oprogramowaniu.

Przenieśliśmy tak dużo różnych problemów technicznych, jak to tylko możliwe, na FPGA, a prawo Moore’a (wraz z firmą Xilinx) dostarczyło sprzęt zdolny przeprowadzać takie obliczenia. My natomiast serce tej technologii dostarczyliśmy naszym klientom, pozwalając dostosowywać to FPGA do własnych potrzeb z wykorzystaniem LabVIEW.

Spoglądając na rozwój technologii komórkowej 5G, radary wykorzystywane w przemyśle samochodowym, rozwój oraz obniżenie kosztów urządzeń Internetu Rzeczy, można śmiało powiedzieć, że nasz transceiver sygnałów wektorowych oraz LabVIEW pomagają naszym klientom osiągać cele, które byłyby poza zasięgiem, gdyby wykorzystywano jedynie konwencjonalny sprzęt pomiarowy.

Przyszłość

Kształtowanie się nowoczesnych technologii to proces, który obserwujemy każdego dnia. Nowoczesna fabryka składa się z czegoś, co nazywamy systemami cyber-fizycznymi (CPS), które łączą technologie obliczeniowe bazujące na oprogramowaniu z systemami elektromechanicznymi oraz operatorami. A wszystko to, aby poprawić bezpieczeństwo, wydajność oraz zredukować koszty.

Nasz pierwotny koncept polegający na prostym pobraniu danych, zanalizowaniu ich oraz wyświetleniu jest wciąż prawdziwy, lecz dziś dodaliśmy do niego także "zrozum, oblicz, połącz", by iść z duchem rozwoju urządzeń Internetu Rzeczy. Bezprzewodowa technologia stała się ogólnodostępna. Już od jakiegoś czasu o tym mówimy, ale prawdą jest, że jeśli nie jesteś inżynierem specjalizującym się w częstotliwościach radiowych, będziesz nim już wkrótce.

Im więcej urządzeń ze sobą łączymy, tym więcej różnorodnych danych możemy pobierać. Sieć połączonych ze sobą sensorów stworzyła Big Analog Data i dziś jest to najbogatszy zestaw danych na świecie. Klienci NI pobierają terabajty danych każdego dnia.

W czasie, gdy nasze możliwości rosną, a skala problemów jest coraz szersza, narzędzia, których używamy, muszą stawać się coraz prostsze w obsłudze. Kiedy język maszynowy przekształcał się najpierw w języki proceduralne, a następnie w te zorientowane obiektowo, inne paradygmaty, w tym programowanie graficzne, oferowały niezbędny poziom abstrakcji.

Złożone diagramy w naszym pakiecie LabVIEW Communications System Design Suite są tego świetnym przykładem; żadne pojedyncze narzędzie nie dostarczało możliwości potrzebnych do prototypowania algorytmów 5G, dopóki dostępne modele obliczeniowe nie zostały przeniesione do jednego diagramu, który może być bezpośrednio zaimplementowany na naszym sprzęcie.

Innowacyjność nie jest efektem powstania pojedynczego produktu. Najlepsze platformy, z których dziś korzystamy, mogą być efektywne, ponieważ sprzyjają rozwojowi całych systemów. Nasze podejście zorientowane na oprogramowanie pozwoliło na stworzenie sieci partnerów składającej się z ponad 1 000 firm i 300 000 aktywnych użytkowników LabVIEW. Zespołowy rozwój aplikacji, dzielenie się kodem oraz wsparcie społeczności wkrótce nie będą nowością - wszyscy będziemy po prostu tego oczekiwać.

Podsumowanie

Niemożliwe byłoby dla mnie patrzeć, jak zmieniał się przemysł przez ostatnie 40 lat i nie być podekscytowanym wizją tego, dokąd wszystkie te technologie i trendy nas zaprowadzą. Moja rada dla każdego nowego inżyniera jest bardzo prosta: rozwijaj swoją wizję przyszłości i usilnie za nią podążaj. A pod koniec dnia nie bój się czerpać radości z tego, co robisz.

Dziękuję wszystkim za ostatnie 40 lat. Wierzę, że te 5 krótkich opisów z naszego archiwum Automated Test Outlook, które dla Was wybrałem, są dziś tak samo prawdziwe, jak w dniu, kiedy były opublikowane. Liczę na to, że odzwierciedlają one Waszą wizję na przyszłość oraz przyniosą zarówno Wam, jak i Waszym firmom szeroko rozumiany sukces.