APDahlen Applications Engineer
ラピッドプロトタイピングとは？
ラピッドプロトタイピングとは、マイクロコントローラのハードウェア、開発ソフトウェア、およびサービスを包括する総称です。最初のアイデアから生産まで迅速に移行するためのツールおよび手法を指します。この用語は、最新の組み込み製品の高度化に合わせて絶えず進化しています。今日、ラピッドプロトタイピングのエコシステムは、高度に相互接続され使いやすい製品を実現する物理的なハードウェア、ワイヤレスネットワーク、およびクラウドサービスなどを網羅しています。同時に、エネルギー効率の良いバッテリ駆動のデバイスも含まれます。
図1は、ラピッドプロトタイピングと生産の関係を表しています。これは3つの段階に分かれています。
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初期のデモ： アイデアから実際に動作するプロトタイプに具現化される非常に重要な段階です。作り手のコミュニティと自然につながります。作り手は好奇心と情熱に駆られて開発しますが、ラピッドプロトタイピングのコミュニティでは生産性を重視します。
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製造設計： この段階では、製造のために実動プロトタイプが準備されます。製造する総数に応じて、いくつかのクロスオーバーポイントがあります。便宜上ここでは、これらのポイントを「ごく小量（10 台未満）」および「小量（1,000台）」と定義します。最小の生産ロットの場合、設計者はプロトタイプのハードウェアをそのまま使用することがあります。1,000台未満の小量生産ロットの場合、設計者はプロトタイプのハードウェアを修正することもできます。大量生産ロットの場合、設計チームは低コストと製造の容易さを最適化したカスタムハードウェアを追求します。
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生産： 最終生産段階では、設計チームが、与えられた生産ロットに最も有効な選択肢を選定します。
図1： プロトタイピングと生産の関係を示す図表
技術的なヒント： ごく小量、小量、および平均的な生産ロットの区別は、エンジニアリングの努力を回収するのに必要な時間を反映しています。生産ロットが大きい場合、製品コストの最適化に伴って投資収益率（ROI）が高くなります。たとえば、1台あたり100ドルを削減するために1ヶ月分のエンジニアリング時間を費やすことは、妥当な投資収益率と言えます。生産規模が大きくなればなるほど、コスト削減に重点が置かれ、開発時間がそれに割かれます。対照的に、ごく小量の生産では、コストの最適化による ROIはほとんどありません。
生産段階の設計には、まだ改善の余地があることにご注意ください。小さな成功を重ねることで、設計チームは次の生産工程を最適化することができます。その良い例としては、世代ごとに進化を続ける3Dプリンタの進歩が挙げられます。
ラピッドプロトタイプには、どのようなものがありますか？
ArduinoのPortenta Proto Kit VEは、組み込みシステム向けのラピッドプロトタイピングの代表です。キットの基本構成は図2に示されており、4G、GNSS、環境センサ、およびビジョンを備えたMidキャリアボードにPortenta H7が インストールされています。
図2： 4Gおよびビジョン用のMidキャリアボードオプションに搭載されたArduinoのPortenta H7
Arduinoキットには、4G GNSSモジュール、環境センサボード、IMU、さらにビジョンモジュールなど図2には示されていない追加機器が含まれています。同様に重要なのは、このボードがEthernet接続デバイスへの拡張を可能にする点です。このボードは、スイス製アーミーナイフのように、組み込みプロジェクトで数千通りもの使い方があります。
技術的なヒント： システムオンモジュール（SOM）は、ラピッドプロトタイピングと似たようなものです。図2に示すArduinoのH7はその代表的な例です。それはデュアルコアプロセッサ、Wi-Fi、Bluetooth、Ethernet PHY、およびトップクラスのSTM32H7シリーズプロセッサに期待されるあらゆるペリフェラルを搭載しています。キャリアボードは、SOMをさらにサポートします。
生産ロットに関しては、ごく小量の生産ではSOMとキャリアボードを直接使用することができます。小量の生産ロットでは、SOMとアプリケーション専用ボードを使用することができます。コストを極限まで削減することを重視する大量生産ロットでは、SOMを省略してSTM32H7だけを使用することも可能です。これらの区別は、常にROIによって決まります。
ラピッドプロトタイピングのメリットとデメリットは何ですか？
私の見解では、この質問は誤った二分法です。短期間で新製品を開発する必要がある場合には、利用可能な最高のツールを活用する以外に選択肢はありません。今日では、SOMや強化されたキャリアボードもそのツールに含まれます。同様に重要なのは、ソフトウェアを活用することです。たとえば、gitが登場する前のことを覚えていますか？それほど快適ではありませんでした。
また、設計の周期的な性質も考慮する必要があります。実際に動作するプロトタイプの開発が最優先事項となる場合もあります。これはシステム仕様を策定する上で不可欠な作業だと私は考えています。そうです、コーディングの前に、プロジェクトで実行すべきこと、実行すべきでないことを明確に定義すべきです。
Fred Brooksのエッセー「Mythical Man-Month」を常に思い出して下さい。
1つは捨てるつもりでいましょう。どうせ、捨てることになります。
私はエレクトロニクスの分野ではジェネラリストですが、この状況を何度も見てきました。人々はシステム仕様の決定に苦労しています。システム全体像を本当に理解する前に仕様を確定してしまっているのです。ラピッドプロトタイピングを活用すれば、知識の階段を素早く登ることができます。実世界のシステムからのフィードバックにより、貴重な知識を得ることができるのです。
技術的なヒント： 組み込みプロジェクトは、ふわふわのテディベアのような遊び心のあるアプリケーションから、4重冗長構造の自動車用安全ハードウェアまで多岐にわたります。皆様の設計チームは、アプリケーションを慎重に検討し、適切なツールと手法を選択する必要があります。
図1に戻り、ベン図を拡大して、ラピッドプロトタイピングと安全性が重要な分野およびコンプライアンス重視の分野との重複部分を示すと、分かりやすくなります。また、プロトタイプの作成には「作り手」の機器を使用して製作できるかもしれませんが、生産段階では設計に安全性とコンプライアンスの層を追加する必要があります。
おわりに
ラピッドプロトタイピングを正確に定義することは困難です。定義は単一ではなく、作り手や安全性を最重視すべき分野とも重なる部分があると理解しています。しかし、生産ロットの規模という観点からラピッドプロトタイプのエコシステムを定義すると、私たちの最もシンプルな説明は成り立ちます。ハードウェア、ソフトウェア、およびウェブサービスにより、ごく小量の生産ロット向けに、プロトタイプから生産への迅速かつスムーズな移行をサポートします。
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APDahlen
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著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。