THEMA IN EN OM HARDWARE
Over trends, tools en tegen
Wat zijn de trends in hardware-engineering? Welke technologieën zijn in? Hoe moeten we omgaan met tooling? Bits&Chips zette een aantal deskundigen aan tafel voor een discussie. Alexander Pil
G
oede hardware-ingenieurs kijken tegenwoordig verder dan hun neus lang is. Wil hun ontwerp voldoen aan alle stringente eisen, moeten de oogkleppen af. ‘Een belangrijke trend is dat de integratie van elektronische producten steeds meer toeneemt’, opent Jaap Mol van Thales de discussie. ‘Je komt steeds meer in aanraking met andere disciplines. Als je high-speed bordddesign vergelijkt met RF-design, dan is mijn ervaring dat je eigenlijk met een ander blikveld naar dezelfde materie kijkt. Als je een digitaal signaal van het ene naar het andere bord wilt sturen, gaat dat tegenwoordig op meerdere gigahertzen. In feite is die verbinding dan een transmissielijn geworden en heb je vergelijkbare kennis nodig als een RF-designer gebruikt om een ontvanger of een antenne te ontwerpen.’ Gijs Schoonderbeek, hardwareontwerper bij Astron, onderstreept Mols standpunt, maar ziet een fundamenteel verschil. ‘In RF
18 |
| nr. 14 | 3 december 2010
heb je meestal te maken met één lijn waar alles overheen loopt. In de digitale wereld gaat het om een bus, dus om heel veel verschillende paden. Dat is toch net even anders. De verschillende ontwerpers zullen dus ook een andere oplossing kiezen. Ook bij de simulatie maakt het uit. Het kost vrij veel tijd om een transmissielijn te meten en te simuleren. Een digitaal ontwerper heeft niet één zo’n verbinding maar honderden, dus hij moet veel meer tijd inruimen om de bus te simuleren.’ Er zijn zeker duidelijke verschillen, geeft Mol grif toe. ‘Digitaal ontwerpers denken in het tijdsdomein, in oogdiagrammen, in overen undershoot. RF-mensen zijn vooral geïnteresseerd in het frequentiedomein. Zij praten in decibellen en hebben het over faseruis. Maar eigenlijk is faseruis gerelateerd aan jitter in het tijdsdomein. De een heeft het over signaal-ruisverhouding, de ander over bit error rate. We moeten steeds meer van elkaars
vakgebied begrijpen omdat de disciplines steeds verder naar elkaar toe groeien.’
Ontkoppeling Antoine Hermans, CTO van designhuis Adeas, brengt het probleem van power integrity ter sprake. ‘Een chip wordt gevoed met een bepaalde spanning, meerdere zelfs’, legt hij uit. ‘Elke keer als hij schakelt, vraagt hij een beetje stroom. Bij hoge frequenties gebeurt dat zo vaak dat de voeding soms niet toereikend is. In de praktijk werkt het vaak wel, maar het is niet altijd betrouwbaar. Dat is natuurlijk gevaarlijk.’ ‘Het is eigenlijk al een heel oud probleem, alleen het wordt steeds erger’, vult Mol aan. ‘Als je basisspanning van een component nog maar 0,9 volt is en er mag een tolerantie op zitten van enkele procenten, dan heb je het over marges in de orde van enkele millivolts. Vroeger was dit een stuk ruimer. In het digitale domein had je gewoon één voedingsspanning, daar werkte alles op, en de marges waren groter. Iedereen kon toen vrij luchtig doen over ontkoppeling.’ ‘Dat gaat nu niet meer’, weet ook Schoonderbeek. ‘De chipleverancier schreef vroeger altijd voor hoeveel ontkoppelingen je moest inbouwen. In de praktijk had je daar nooit ruimte voor, dus deed je op gevoel een aan-
nvallers
tal concessies. Omdat het steeds kritieker wordt, moet je er steeds meer rekening mee houden. Met modellen kun je nu bepalen of iets goed is of niet.’
Inkopen of zelf doen? ‘Onze afdeling ontwikkelt producten met een toegevoegde waarde voor problemen waar geen commercial off-the-shelf apparatuur voor beschikbaar is’, vertelt Mol. ‘Gelukkig voor ons is dat nog steeds een heleboel, met name in het front-end van de radar. RF-elektronica, high-speed digitaal, embedded software die heel compact gepackaged moet worden, daar liggen onze uitdagingen. Het beleid is duidelijk: wat je kunt kopen, ga je in principe niet zelf maken. Uiteraard zit daar wel de voorwaarde aan dat het overmorgen ook nog leverbaar is. Onze systemen gaan immers ruim tien jaar mee. Maar de toepassing van Cots-elektronica neemt duidelijk toe. Onderdelen die we nog niet zo heel lang geleden zelf ontwikkelden, kopen we nu in. De materie is ook zo complex geworden, dat moet je op een gegeven moment ook niet allemaal meer willen bijbenen. Een jaar of vijftien geleden ontwikkelde Thales nog zijn eigen CPU-borden in bijvoorbeeld de 68000-familie. Tegenwoordig koop je voor een fractie van de prijs een
compleet bord met multicore Intel-processor, in een industriële vormfactor en inclusief benodigde firmwareondersteuning.’ ‘Een voorbeeld op FPGA-gebied’, gaat Mol verder. ‘Je kunt een simpel sommetje maken. Als je een PCI Express-IP-core kunt kopen voor – ik noem maar wat – tienduizend euro en je deelt dat door ons interne uurtarief, dan kom je op een aantal uren uit waarin je nog niet eens de PCI Express-specificaties grondig kunt doorlezen, laat staan het ontwerp maken, een testbench opzetten, simuleren en de validatie op silicium doen. Je moet gewoon inkopen, anders ben je een dief van je eigen portemonnee.’ Hermans voegt wat nuance toe: ‘Het ligt er wel aan wat je ontwikkelt. Ieder bedrijf beschermt zijn eigen business. Die zaken wil je echt zelf ontwikkelen. Het gaat om de bouwblokken die algemeen zijn ingevoerd: Ethernet, PCI Express, standaard interfaces en protocollen. Dat soort technologieën wordt steeds moeilijker, technischer, uitdagender. Het verdient zichzelf niet zo makkelijk meer terug als je het maar voor één toepassing bouwt.’ De Adeas-CTO heeft met vallen en opstaan geleerd dat er ook grote voordelen zitten aan eigen ontwikkeling. ‘We hebben eens een Ethernet-core ingekocht. Die zou hele-
maal foutloos zijn en al honderdduizenden keren zijn gebruikt’, vertelt hij. ‘Wij wilden veel meer functionaliteit uit die core halen dan menigeen voor ons had gedaan. Het kon wel volgens de specs, maar toch bleek het niet naar behoren te werken. Dat was een hel, want het kostte gigantisch veel tijd. Uiteindelijk hebben we de ontwikkelaars uit het buitenland laten overkomen om het probleem op te lossen. Het is goed gekomen, maar het is wel een wijze les geweest dat je niet zomaar een IP-blokje kunt inkopen en ervan uit kunt gaan dat het werkt.’ Jaap Mol vindt dat ook een gevaar van opensource oplossingen: ‘Die hebben we wel toegepast, maar we komen er meestal van terug omdat ze niet volledig deugen. Je bent dan overgeleverd aan de welwillendheid van de mensen in de community. Je kunt dan proberen om het zelf op te lossen, maar dan moet je je gaan verdiepen in een ontwerp van een ander, met documentatie die niet volledig is. Op die manier reverse-engineeren is verschrikkelijk.’ Bij Astron hanteren ze een tussenweg. Schoonderbeek: ‘We hebben onlangs een bord ontwikkeld dat we met meerdere instituten gebruiken. Dan krijg je ook te maken met andermans code. Een vorm van opensource eigenlijk. Het voordeel is wel dat je precies weet wie een stuk code heeft geschreven. Je hebt dus meer vertrouwen in de kwaliteit.’ Soms is het veel efficiënter als je iets zelf bouwt, vindt Hermans. ‘Als je in twee dagen iets in elkaar kunt knutselen, helemaal compleet, kun je dat veel beter doen. Het risico bij inkopen – of het nou opensource is of niet – is veel te groot. Als blijkt dat er iets niet naar behoren functioneert, ben je die twee dagen sowieso kwijt. En waarschijnlijk nog veel meer. Bij grotere IP-blokken kom je er echter niet onderuit. Een complete PCI Express-core ga je echt niet zelf ontwikkelen. Die moet aan zo veel regeltjes voldoen, dat kost veel te veel tijd. Bovendien zijn de gespecialiseerde bedrijven precies op de hoogte van de laatste ontwikkelingen. Als er een nieuwe release aankomt, implementeren zij die alvast in hun product.’
Haken en ogen aan GPU’s Thales heeft tot nu toe in één project GPU’s gebruikt: het Gatekeeper-surveillancesys teem. Die poortwachter speurt zijn directe omgeving af naar mogelijke dreigingen, zoals kleine bootjes en mijnen. Hij gebruikt daarbij ogen die zijn opgebouwd uit commerciële hogeresolutie-tv-camera’s en infraroodsensoren. Het systeem naait de afzonderlijke blikvelden naadloos en realtime aaneen tot een panorama van 360 graden. Mol: ‘GPU’s zijn bij uitstek geschikt voor
3 december 2010 |
| nr. 14 | 19
Committed to excellence
THEMA IN EN OM HARDWARE
Jaap Mol is hardwareautoriteit bij Thales in Hengelo. ‘Wat je kunt kopen, ga je in principe niet zelf maken, anders ben je een dief van je eigen portemonnee.’
Semiconductors Passive Components Electromechanical Components Displays & Embedded Boards Storage Technologies Wireless Technologies Lighting Solutions Photovoltaic Solutions
Electronics Worldwide Consult | Components | Logistics | Support As one of the leading distributors for electronic components, we offer you worldwide a wide range of products, competent technical support for product development and design, customized logistics solutions and a comprehensive range of services.
58,11 x 11 mm
Consult
Components
Logistics
| nr. 14 | 3 december 2010 20 | Tel: +31 183 64 60 50
Support
www.rutronik.com
dat soort matrixtransformaties, die in de beeldverwerking heel gebruikelijk zijn. Ze hebben in de Gatekeeper goed gewerkt en dat is in de organisatie doorgesijpeld. Daardoor is er budget vrijgemaakt om te onderzoeken of we ze ook elders kunnen inzetten. Het is niet dat GPU’s iets kunnen dat high-end FPGA’s niet kunnen, maar ze zijn wel veel goedkoper. Ook het programmeermodel lijkt interessant omdat je niet met VHDL hoeft te werken maar met een C++-achtige taal.’ ‘Wij hebben er ook wel naar gekeken’, zegt Schoonderbeek, ‘maar de bandbreedtes waar wij mee werken, daar zijn GPU’s meestal niet geschikt voor.’ Mol knikt instemmend: ‘Daar lopen wij ook tegenaan. Er zijn toch een heleboel aspecten aan GPU’s waar veel te licht over wordt gedacht. Kijk alleen al naar de life cycle. Je begeeft je opeens op een superdynamische markt, die van de gamers. Wij moeten producten een heel lange tijd kunnen naleveren, maar dat is geen issue in die wereld. Ik vraag me ook af of GPU’s zullen passen in het front-end van een radar. Daar zitten zo veel constraints aan. Zowel thermisch als qua ruimte zit je dan met een dijk van een probleem. Een GPU is immers een coprocessor, dus er moet altijd een general-purpose processor bij. De footprint is daardoor veel groter. Waar meer ruimte is, kunnen we GPU-borden gebruiken, of het compacte MXM-formaat in onze systemen inpassen.’ Ook Adeas kijkt met belangstelling naar GPU’s. ‘Als designhuis moeten we natuurlijk weten wat er mogelijk is’, zegt Hermans. ‘In welke gevallen biedt het voordelen en in welke gevallen niet. GPU’s zijn zo groot geworden door de gamersmarkt. Ze zijn ook alleen maar geschikt voor heel specifieke toepassingen waar ze veel sommetjes kunnen doen waar ze goed in zijn. En dan het liefst rekenen aan een grote bulk data. Als het gesegmenteerde stukjes data zijn, zakt de efficiency helemaal in elkaar.’ Het is precies deze eigenschap waardoor GPU’s in Dwingeloo nog niet met applaus zijn ontvangen. ‘Astron heeft al wel enkele kleine projecten met GPU’s gedaan’, weet Schoonderbeek. ‘Het grote nadeel is echter dat het lastig is om de datastroom naar binnen en naar buiten te krijgen. GPU’s kunnen fantastisch rekenen met een groot datablok, maar bij onze toepassingen heb je vrijwel altijd te maken met streaming data. Eenzelfde probleem heb je bij de Cell-processor. GPU’s blijven echter interessant omdat ze heel flexibel zijn. In een FPGA zit het toch wat vaster, daar verander je minder snel iets.’
Tools niet creatief Wanneer het onderwerp tooling ter sprake komt, reageert Hermans direct. ‘Natuurlijk kunnen de juiste tools het leven van een ontwerper een stuk makkelijker maken. Maar het gevaar dat ik zie, is dat een ingenieur blindelings gaat vertrouwen op zijn tooling en daardoor geen kennis meer opbouwt. Dat is het ergste dat je kunt hebben. Tools moeten de berekeningen uit handen nemen om snelheid te kunnen maken, maar het blijven hulpmiddelen. Een ontwerper is normaal gezien ook veel slimmer dan de tool. Die kan alleen maar herhalen wat iemand anders ooit heeft bedacht. Creativiteit en vernieuwing hoef je niet van een tool te verwachten.’ ‘Ingenieurs kunnen vaak ook nog veel problemen zelf oplossen, zonder tooling’, oppert commercieel directeur Peter de Ruiter van tooldistributeur Transfer uit Markelo. ‘Zolang ze maar weten waar ze mee bezig zijn, kan de tooling wel bevestigen dat ze inderdaad op de goede weg zijn.’ Hermans beaamt dat: ‘De eenvoudigere dingen doen we met vuist- en huisregels. Die hebben zich al bewezen. Voor de zaken waar we ons wat minder happy bij voelen, grijpen we naar tooling. Maar hoe vaker je een design doet, hoe minder vaak dat nodig is.’ Mol valt Hermans bij: ‘Ik heb al eens voorgesteld om de digitale ontwerpers wat kennis te laten opbouwen over S-parameters. Dan krijg ik het commentaar dat dat al in de tooling is ingebakken en ik me daarover geen zorgen hoef te maken. Ik schrik wel van zo’n opmerking. Je kunt niet blind varen op tools en modellen, zeker als je daar nog niet zo veel ervaring mee hebt. Je moet echt wat theoretische achtergrond hebben. Met een tool kun je een prima ontwerp maken voor een bepaalde snelheid. Maar werkt
het dan ook over het hele temperatuurbereik en met alle variaties in bordmaterialen? Daar moet je gevoel voor krijgen. Tooling is slechts een hulpmiddel. Je moet echt simuleren, meten, vergelijken. Het kost veel tijd om zoiets op poten te zetten, maar het is wel echt noodzakelijk.’ ‘Ik hoor jullie nog niet over de kosten’, zegt De Ruiter. ‘Is dat een issue?’ Hermans antwoordt: ‘Goede tooling mag best wat Gijs Schoonderbeek kosten. Daar ontwerpt digitale hardben ik het heware voor astronomisch lemaal mee R&D-centrum Astron. eens. Als je de ‘Geregeld contact met tool gebruikt PCB-fabrikanten en voor waar hij assemblagebedrijven goed in is, haal levert interessante je dat er makvoordelen op.’ kelijk uit. Maar de prijzen die nu worden gevraagd, zijn soms schandalig. Ik wil alleen maar betalen voor de functies die ik gebruik, niet voor al het andere spul dat ik nooit nodig heb. Of beter gezegd: ik wil betalen voor de toegevoegde waarde die de tool mij biedt.’ ‘Op zich heb je een punt, maar ideaal is dat ook niet’, werpt Schoonderbeek tegen. ‘Het gaat snel irriteren als je voor iedere uitbreiding die voor je gevoel standaard is, moet bijbetalen. Ik heb dus liever een complete oplossing.’ De Ruiter: ‘Het pay per use-model is al redelijk oud. Dat is gecorreleerd aan tijd en niet aan functie, maar de meeste toolleveranciers bieden hiervoor nog geen oplossing. Het zijn toch vaak de kleinere of beginnende bedrijfjes waarvoor de prijs van tooling een blokkade is. Een totaaloplossing tegen een goede prijs is wel aantrekkelijk. Het is dan zaak om met de leverancier te gaan praten. Die wil vaak best meedenken.’
Gouden bergen Hermans constateert dat hij Antoine Hermans is vaak in conclaaf CTO van designhuis en moet met de FPGA-specialist Adeas. printleveran‘Als een ingenieur blindeciers om tot een lings vertrouwt op zijn toouitgebalanceerd ling, bouwt hij geen kennis ontwerp te komeer op. Dat is het ergste men. ‘Printfadat je kunt hebben.’ brikanten zeggen altijd dat ze alles kunnen. Vroeger
klopte dat inderdaad ook. Bij Adeas doen we ook complexere designs en het blijkt dat ze niet altijd kunnen wat ze zeggen. Om een simpel voorbeeldje te geven: je ziet soms een advertentie dat je een print binnen een dag geleverd kunt krijgen. In de praktijk blijkt dat dan alleen maar op te gaan in heel specifieke gevallen en als je alleen
eenvoudige technologieën gebruikt. Ook als ze geavanceerdere diensten aanbieden, gaat dat vaak alleen op voor een klein gedeelte van de print waar ze zich dan op kunnen focussen. Voor de rest van het bordje kunnen ze dan niets garanderen. Je wordt dan geconfronteerd met afhankelijkheden die ze je van tevoren niet hebben verteld. Het betekent dat je soms toch verder moet kijken dan Nederland of Europa om je printproductie te laten uitvoeren. Hoewel ook dat niet altijd uitkomst biedt. Sommige printfabrikanten, zeker die uit China, beloven gouden bergen, maar het resultaat is toch vaak net niet goed.’ Schoonderbeek heeft dezelfde ervaring: ‘Het contact met de PCB-fabrikanten en de assemblagebedrijven wordt inderdaad steeds strakker. Wat kan er wel en wat kan er niet? Je moet ook doorvragen om te weten wat er echt mogelijk is. Geregeld contact levert ook interessante voordelen op. Het is de uitdaging om iets te ontwerpen dat ook goed produceerbaar is. Daar focussen we wel op.’ Hermans: ‘Soms kunnen relatief kleine aanpassingen aan het ontwerp een groot verschil maken tijdens de productie. Als ik bepaalde afstanden anders kies, is dat voor de producent wellicht makkelijker en levert mij dat dus een kostenvoordeel op.’ Mol: ‘Wij hebben daar een aparte PCBtechnoloog voor. Die maakt primair geen
3 december 2010 |
| nr. 14 | 21
THEMA IN EN OM HARDWARE Oplossingen bedenken die nog niet zijn bedacht. De wereld verrijken. Opdrachtgevers verder helpen met denkkracht en daadkracht. Jezelf overtreffen. Via Brunel Engineering. Ook ingenieur? Kijk op brunel.nl/engineering voor meer informatie.
Peter de Ruiter is commercieel directeur bij tooldistributeur Transfer. ‘Het begint echt een uitdaging te worden dat er niet voldoende engineers zijn.’ lay-outs, maar fungeert als schakel tussen en sparringpartner van de ontwerpers en de fabrikanten. We krijgen in de Benelux een uitzonderingspositie omdat we nog eigen printfabricage en assemblagecapaciteit hebben. Dat staat wel onder druk, zeker voor digitale borden met steeds fijnere structuren. Er zijn natuurlijk fabrikanten die daarin zijn gespecialiseerd en ook voor andere OEM’s de productie regelen. Maar goed, onze afdeling doet ook veel werk voor RF-gerelateerde producten die je minder makkelijk kunt toevertrouwen aan een externe printfabrikant.’
Nijpende tekorten
Providing Professionals 22 |
| nr. 14 | 3 december 2010
De groep is het erover eens dat het niveau van veel beginnende hardware-engineers schrikbarend laag is. Hermans: ‘Ik merk regelmatig dat ze niet eens een simpel versterkertrapje met transistoren kunnen construeren. Dat is gewoon verkeerd. Ik spreek misschien de verkeerde mensen, maar ik vind de kwaliteit van de schoolverlaters vaak tegenvallen. Ik hoor het ook van de leraren op de hogeschool in Eindhoven. De kwaliteit loopt echt achteruit. Natuurlijk zit er af en toe iemand tussen die thuis flink aan het hobbyen is geweest. Daar heb je heel veel aan.’ ‘Je moet er de eerste jaren training en coaching in stoppen’, vindt ook Mol. ‘Docenten vertellen me dat leerlingen snel afhaken als er een paar formules op het bord verschijnen. Wij sturen pasafgestudeerden eerst naar een cursus waar ze in een notendop de basisprincipes van hardwareontwerp leren. Neem zoiets als timing of metastabiliteit, dat leren ze echt niet meer op het hbo. Omdat ze zulke basale kennis niet beheersen, sluipen er soms fouten in het ontwerp die moeilijk zijn te lokaliseren. Als de fout dan eindelijk boven water is, vergeten ze het nooit meer, maar er is wel kostbare tijd verloren gegaan. Kun je dat voorkomen met coaching? Voor een deel, maar de basis moet gewoon goed zijn.’ ‘Het is een probleem dat al langer speelt, maar het is een uitdaging aan het worden dat er niet voldoende engineers zijn’, aldus De Ruiter. ‘Bovendien verdwijnen de multinationals uit Nederland, inclusief al hun kennis. Als je hoort wat er bij NXP gebeurt, dat zijn slechte ontwikkelingen voor Nederland. Maar ook voor ons vak. Het is bijna een generatie die uitsterft. Dat is heel triest. We waren Ericsson en Lucent al kwijt, Philips kalft af. Ze komen niet meer terug, die grote jongens. Helaas.’
