Ulkopuolelta elektroninen järjestelmä voi näyttää yhtenäiseltä kokonaisuudelta – yhdeltä laitteelta, joka toimii saumattomasti yhteen. Mutta pinnan alla todellisuus on toinen: sulautettu järjestelmä on pirstaleinen, monikerroksinen maailma, jossa jokainen kerros on niin itsenäisen monimutkainen, että se synnyttää oman työkalujensa, asiantuntijoidensa, työnkulkujensa ja jopa filosofioidensa ekosysteemin.
DK Singh, Renesas Electronics
Ja juuri tässä kerroksellisessa kaaoksessa piilee sekä kauneus että haaste. Se on kuin orkesteri ilman kapellimestaria: jokainen kerros toimii omana tieteenalanaan ja kehittyy omaa tahtiaan, noudattaen omaa innovaatiokäyräänsä. Puolijohteissa olemme venyttäneet rajoja fysiikan äärille asti – kaivertaneet piirteitä yhden nanometrin skaalassa, hyödyntäneet EUV-litografiaa ja pakanneet miljardeja transistoreita sormenpään kokoiseen piiriin. Samaan aikaan piirilevysuunnittelussa eli kerroksessa, joka kytkee nämä ihmeet toisiinsa, kehitys on ollut huomattavasti maltillisempaa. Edelleen painimme johtimien leveyksien, impedanssinhallinnan ja valmistettavuuden rajoitusten kanssa, jotka eivät ole edistyneet läheskään samaa vauhtia.
Jokaisen kerroksen innovaatiotahti ja syvyys ovat häkellyttäviä, mutta kerrosten välinen koordinointi on edelleen vähäistä.
Tämä itsenäisyys mahdollistaa syvän erikoistumisen, mutta luo samalla siiloja. On harvinaista löytää insinööri – tai edes yritys – joka hahmottaa kokonaisuuden alusta loppuun. Syynä ei ole yrityksen puute: jokainen kerros on oma universuminsa. Edistymisen epäsymmetria ei johdu ponnistelun puutteesta, vaan siitä, että erikoistuminen on niin syvää, että se johtaa väistämättä siiloihin.
Matka kerrosten läpi
Viimeisten kahden vuosikymmenen aikana minulla on ollut harvinainen mahdollisuus kokea tämä monimutkaisuus läheltä – järjestelmäsuunnittelusta Japanissa puolijohdekehitykseen ja järjestelmäintegraatioon Yhdysvalloissa ja nyt tekoälyn ja sulautetun suunnittelun rajapintaan. Jokainen urani vaihe toi eteen uuden kerroksen.
Yllättävintä ei ollut ainoastaan kunkin alueen syvyys, vaan myös se, kuinka vähän kerrokset usein tiesivät toisistaan. Analogiasiantuntija oli harvoin tekemisissä sulautetun ohjelmiston kehittäjän kanssa. Piirilevylayoutin suunnittelija näki harvoin koko sovelluksen toiminnallisen kontekstin. Ja järjestelmätason päätöksiä tehtiin usein ilman kokonaisnäkemystä.
Kokemus on opettanut, että sulautettujen elektroniikkajärjestelmien pirstaleisuus ei ole sattumaa – se on rakenteellista.
- Puolijohdelaitteet (perustakerros): Mikro-ohjaimet, SoC-piirit, muistit, anturit, teho-IC:t, erikoispiirit, passiiviset komponentit. Laitefysiikka, prosessiteknologia, piirirakenne, IP-lohkot. Jo tämä kerros on itsessään monikerroksinen rakenne.
- Arkkitehtuuri ja piiritason suunnittelu: Kerros, joka muotoilee järjestelmän. Analoginen ja sekasignaalisuunnittelu, tehoarkkitehtuuri, kellon- ja signaalinmuodostus, komponenttivalinnat ja suunnittelukompromissit, kaaviosuunnittelu.
- Simulointi, verifiointi ja validointi: Esivalmistuksen simulointi, ennustavat mallit, signaalin eheysanalyysi, lämpö-/EMI-simulointi, laboratoriotestaus.
- Piirilevy- ja fyysinen integrointi: Toteutuskerros, jossa orkesteri soitetaan. Fyysiset rajoitteet, johtimien geometria, via-läpiviennit, lämpö, valmistettavuus.
- Sulautettu laiteohjelmisto ja reaaliaikainen ohjelmisto: Näkymätön kerros, joka herättää laitteiston eloon. Reaaliaikainen ohjaus, laiteabstraktiot, ajurit, HW–FW-sillan toteutus, debuggaus.
- Järjestelmäintegraatio ja työkaluketjujen automatisointi: Liimakerros, jossa FW, HW ja sovellukset kohtaavat todellisuuden. Ydinlaitteiston, laiteohjelmiston ja järjestelmän osalohkojen yhdistäminen, testiputket ja -prosessit.
- Sovellustaso ja yhteydet: Kerros, joka yhdistää koneet ja ihmiset. Käyttötapaukset ja käyttöliittymät, data-analytiikka, pilvi-integraatio, mobiilisovellukset, etäohjaus, kommunikaatioprotokollat, latenssinhallinta, UX-suunnittelu.
kuva2: Monikerroksinen sulautetun elektroniikan maailma: jokainen kerros muodostaa oman ekosysteeminsä, kehittyen itsenäisesti mutta harvoin täydellisessä harmoniassa.
Seuraus: Pirstaleisuus rakenteena
Tämä eriytyminen ei ole sattumaa. Se on välttämättömyyden tulos. Jokainen alue on kasvanut niin syväksi ja kehittynyt niin nopeasti, että kerrosten välinen mestaruus on käytännössä mahdotonta. Tämän seurauksena:
- työkaluketjut pysyvät erillään, mikä aiheuttaa tehottomuutta integraatiossa ja debuggauksessa
- osaaminen lukittuu omiin domainiinsa ja vain harvat insinöörit pystyvät työskentelemään yli kerrosrajapintojen
- suunnittelusyklit hidastuvat, koska yhden kerroksen oivallukset hukkuvat matkalla seuraavaan
Lyhyesti: sulautetun elektroniikan ala on kyvykäs, mutta toteutukseltaan pirstoutunut.
kuva3: Piirilevy (PCB) tuo puolijohdekomponentit, liittimet ja tehonhallinnan fyysiseen todellisuuteen – yhtenä monista kerroksista sulautetun elektroniikan pirstaleisessa ekosysteemissä.
Kutsu kerrosten yhdistämiseen
Seuraava suuri harppaus sulautetuissa järjestelmissä – todellinen järjestelmätason yhteissuunnittelu, nopea prototypointi ja tekoälyavusteinen kehitys – syntyy vasta, kun nämä itsenäiset ekosysteemit saadaan kytkettyä toisiinsa. Ei yksinkertaistamalla niiden monimutkaisuutta, vaan luomalla jaettuja abstraktioita, yhteentoimivia työkaluja ja suunnittelukehyksiä, jotka mahdollistavat harmonisen yhteistyön ilman, että jokaisen on hallittava kaikkien kerrosten yksityiskohdat.
Siihen asti elämme maailmassa, jossa briljantit ihmiset työskentelevät rinnakkain – mutta harvoin yhdessä. Se on haaste, mutta myös mahdollisuus.
| Artikkeli on ilmestynyt uusimmassa ETNdigi-lehdessä. Sen pääset lukemaan täällä. |
Arduino UNO Q:n lanseeraus herätti syystäkin innostusta: kyseessä on ensimmäinen Arduino UNO -perheen kortti, jossa yhdistyvät mikroprosessori ja mikro-ohjain. UNO Q on vakuuttava uusi laitteistoalusta, joka tulee tutussa Arduino-ystävällisessä muodossa. Sen Debian-pohjaista Linuxia ajava prosessori, reaaliaikaiset ohjausominaisuudet ja uusi tehokas Arduino-kehitysympäristö avaavat käyttäjille mahdollisuuden rakentaa huomattavasti aiempaa kehittyneempiä sovelluksia.