Gondolatok a méréstechnika elmúlt 40 évéről és jövőjéről

James Truchard PhD, a National Instruments leköszönő elnök-vezérigazgatója

Már hírül adtuk, hogy James Truchard, a National Instruments három társalapítójának egyike, a közelmúltig elnök-vezérigazgatója, a legendás „Dr. T” leköszönt tisztségeiről és nyugalomba vonult. Ebből az alkalomból foglalta össze gondolatait annak a szakmának a múltjáról, jelenéről és jövőjéről, amelynek formálásában maga és az általa négy évtizeden át irányított vállalat is tevékeny szerepet vállalt.

Amint a National Instruments (NI) vezérigazgatói tisztségében eltöltött 40 éves pályafutásom a vége felé közeledik, visszatekintek a méréstechnikai iparban 1976 óta bekövetkezett óriási változásokra és fejlődésre. A General Radio nevével fémjelzett, elektroncsöves technikát alkalmazó iparból indultunk, majd a tranzisztor uralma és a Hewlett Packard világa következett, mígnem a mába érkezve azt tapasztalhatjuk, hogy a szoftver maga a műszer – ehhez az átalakuláshoz az NI tevékenyen hozzájárult. 

A Moore-törvény szellemében enyhén szólva is vad, őrült rohanásba kezdtünk, és amikor úgy tűnik, hogy a tempó már nem fokozható, a folyamatfejlesztések (szó szerint) új dimenziókat nyitnak meg, tovább növelve rendszereink teljesítőképességét.
Akárcsak a tranzisztor, az NI is jelentéktelennek tűnt a kezdetekkor, de kitartóan kiváló termékek előállítására összpontosított, és ügyfelein keresztül, illetve platformalapú technológiája révén forradalmian új fejlesztések támogatására törekedett. Engedjék meg, hogy felidézzem, mit tanított nekem ez a 40 év, valamint hogy milyennek látom e piac jövőjét, amint a pályafutásom egy újabb szakaszba ér.

„Legyünk a méréstechnika számára az, amit a táblázatkezelők jelentettek a pénzügyi elemzésben”

Amikor 1976-ban Jeff Kodosky, Bill Nowlin és jómagam elindítottuk a vállalkozásunkat, számos újítási lehetőséget láttunk a méréstechnikai berendezések alkalmazásának módja és kialakítása terén. Arra alapoztuk küldetésünket, hogy léteznie kell egy olyan megközelítésnek, amellyel magasabb szinten elégíthetők ki a mérnökök és tudósok mérési igényei. Nem lehetett ilyen megoldást készen megvásárolni, de nem kellett a nulláról kezdenünk.
Az általános célú illesztőbusz (GPIB, IEEE 488) volt a megoldás kulcsa. Amint 1983-ban nyilatkoztuk, az eszményképünk az volt, hogy „legyünk a méréstechnika számára az, amit a táblázatkezelők jelentettek a pénzügyi elemzésben”. Mai szemmel nézve nem tűnik forradalmi jelentőségűnek ez a gondolat, de gondoljunk csak vissza a korai ’80-as évekre! Akkoriban a pénzügyi elemzőeszközök „el voltak zárva”, a szerényebb költségvetéssel rendelkezők számára elérhetetlenek voltak. A korai táblázatkezelők megjelenése következtében a visszájára fordult ez a helyzet, és mi pontosan ezt szerettük volna elérni a méréstechnikában. Arra törekedtünk, hogy bármely mérnök vagy tudós ugyanazokkal az eszközökkel, platformokkal dolgozhasson, mint az élvonalbeli vállalatok kutató-fejlesztő csoportjai. A maga idejében ez igen radikális célkitűzés volt, és sok szempontból ma is az.

„A szoftver maga a műszer”

Míg sokan a GPIB-buszt berendezéseket összekapcsoló „játékszernek” tekintették, mi felismertük a benne rejlő szoftveres lehetőségeket. Amint a PC-ipar fejlődött (az Apple által kifejlesztett Mac rendszerrel párhuzamosan, amelyet grafikus kezelőfelülete miatt különösen kedveltünk), az említett GPIB-kapcsolat segítségével könnyedén, az ügyfeleink igényeihez illeszkedően, egyedi módon voltunk képesek adatokat elemezni és megjeleníteni. A felhasználók nem kényszerültek többé egy berendezés előlapjához láncolva, ceruzával, jegyzetfüzetbe rögzíteni az adatokat. Az újítások irányvonala a szoftverek világa felé tolódott el, a programozási nyelvekhez ugyanis a csatlakoztatott egységeket kezelő meghajtókat kellett írni. E programok fejlesztését és támogatását célzó stratégiánk a mai napig létező, kritikus tevékenységgé forrta ki magát, az NI az eszközmeghajtó-hálózatán (Instrument Driver Network) keresztül ugyanis több, mint 10 000 ilyen jellegű szoftvert támogat.
A fentiek után azonban a mérnökökre és tudósokra még mindig teherként nehezedett, hogy számítástechnikai célokra tervezett eszközökkel kellett tervezési, tesztelési és méréstechnikai feladatokat megoldaniuk. E problémára kétféle megoldást kínáltunk: a LabWindows™/CVI-szoftvert, amely az ANSI C-nyelvű környezethez tartalmazott tervezőeszközöket, és a LabVIEW-t, egy grafikus programozási paradigmát, amely az általunk megálmodott (folyamatábra- és képalapú) szemlélettel kezelte a problémákat, végül lefordított kódot előállítva. Az elképzelésünk egyszerű volt: adatokat kell gyűjteni, elemezni és megjeleníteni, mindezt a felhasználók egyedi igényeihez tervezett, könnyen megtanulható, ugyanakkor igen hatékony programmal. Megalkottuk a megközelítésünket tükröző, „A szoftver maga a műszer” szlogenünket. Ez az álmunk vált valóra, amikor a piacon visszaigazolva láttuk, hogy a mérnökök és tudósok értékes időt megtakarítva, gyorsabban jutnak eredményeikhez rendszerünk révén.

Lépést tartva a Moore-törvénnyel

A Moore-törvényről úgy beszélnek, mintha az csak az áramkörökre vonatkozna, pedig a számítástechnikai hardver szoftverek (esetleg firmware-ek) futtatására szolgál. Ha sikerül teljes mértékben programozási feladattá alakítani a méréstechnikai kérdéseket, akkor bevonhatjuk a kutató-fejlesztői bázisunkba az Intelt, a Xilinxet és sok más, milliárd dolláros vállalatot. Szaktudásukat az általunk fejlesztett szoftvereszközök segítségével megteremtő ügyfeleinkkel és partnereinkkel együtt csupán az integrált áramkörök fejlődését kellett követnünk ahhoz, hogy egyre magasabb színvonalú mérő- és beágyazott rendszereket kínálhassunk. Ez a folyamat figyelhető meg mind a mai napig két kulcsterületet érintően: a többmagos processzorok és az FPGA-k terén.
A LabVIEW grafikus eszköz, ezért nem feltétlenül sorrendi működésű, sőt, kifejezetten párhuzamos feldolgozáshoz készült. A LabVIEW felhasználói ezért könnyedén, az elsők között válthattak az egymagos processzorokról többszálú szemléletre, szinte azonnal érzékelve a sebességbeli változást. Természetesen más nyelvekkel is megvalósítható többszálú működés, mint ahogy napjainkban is írhatunk igen hatékony programokat akár gépi kódban, akár assembly nyelven, de erre mi szükség lenne? A korszerű elektronika fejlődésének üteme nem engedi meg, hogy kézileg alkossunk meg olyan elemeket, amelyek valamilyen eszközzel könnyebben létrehozhatók. Ezt a LabVIEW felhasználói időről időre meg is erősítik.
Az FPGA-k esetében egészen más a helyzet. Bizonyos problémák könnyebben kezelhetők az integrált áramkörök jelentős mértékben párhuzamosított, determinisztikus struktúráival. A rendelkezésre álló eszközkészletek és programozási lehetőségek azonban legtöbb, szakmája és a mérési eljárások ismeretének magaslatán álló, de a digitális technikához nem értő gépészmérnök vagy orvosbiológiai kutató számára elérhetetlenek. Az 1990-es évek második felében ezt ismertük fel, amikor LabVIEW grafikus paradigmáját bevezettük. A LabVIEW alatt programozók előtt kellett az FPGA-k lehetőségeit megnyitnunk, és megbirkóztunk ezzel a feladattal. Ha gyors pillantást vetünk Mérnöki Nagydíjunk (Engineering Impact Awards) nyerteseire, meggyőződhetünk e technológia átütő erejéről: az alkalmazások köre betegségtől vagy balesetben sérült szervek regenerálására irányuló tevékenységektől egészen a sokcsatornás MIMO területén, az 5G-mobilkommunikáció fejlesztések keretében elért, a világon egyedülálló spektrális hatékonyságot nyújtó rendszerek megvalósításáig terjed.

Szoftverorientált megközelítés az áramkörök tervezésében

Ha a szoftvereket a ránk jellemző egyedi megközelítéssel szemléljük, a hardverre is másként tekinthetünk. A moduláris, PC-alapú, külön beilleszthető kártyák a számítógépipar természetes „melléktermékei” voltak. Vezérelvünk volt, hogy a lehető legkönnyebb és arányaiban a legkedvezőbb árfekvésű áramköröket állítsunk elő (képernyő, tápegység, gombok/kezelőszervek stb. nélküli kivitelben), A/D- és D/A-átalakítókra, jelkondicionáló fokozatokra és adatkezelő egységekre összpontosítva. A mai napig nem találkoztam olyan méréstechnikai gyártóval, amely egy adott célfeladathoz jobb kezelőfelületet képes összeállítani, mint maga a felhasználó, saját munkavégzése hatékonyságának fokozására. Még a legjobb hagyományos műszerek előlapja is tartalmaz nem használt gombokat, menüelemeket. A mi termékeink esetében viszont sokszor csak a be-kimeneti csatlakozók által megszabott méretkorlátokhoz kell igazodnunk. Lehet valami még ennél is hatékonyabb?
A mi stratégiánk valójában nem csupán a hatékonyságról szól. Itt van, például, az új vektorjel-adóvevőnk (VST), amely egy RF-analizátor és egy RF-generátor képességeit egyesíti magában, párhuzamos és soros digitális illesztőkkel, valamint kifinomult jelfeldolgozással ötvözve – és mindezt csupán egyetlen, 2 egység széles PXI-modul méretében. E termékünk az ipari élvonalat képviseli: 1 GHz-es sávszélességgel rendelkezik, kiváló RF-jellemzőkkel bír, emellett széles határok között bővíthető, többek között a MIMO-alkalmazásokhoz. Mindezt egyvalami tette lehetővé: a szoftver. Amit lehetett, FPGA segítségével oldottunk meg, a Moore-törvénynek (és a Xilinxnek) köszönhetően pedig a számítási igények kezelésére alkalmas „járművekkel” száguldozhattunk. Mi viszont átadtuk e „jármű” kulcsát az ügyfeleinknek azzal, hogy lehetővé tettük az FPGA programozását a LabVIEW-n keresztül. Az 5G-hez kapcsolódó mobiltelefon-technikai kutatásoktól kezdődően, az autóipari radarok és vezetéstámogató algoritmusok fejlesztésén át az IoT-eszközök költségeinek csökkentésére irányuló innovációkig bezárólag a VST és a LabVIEW segít-
ségével minden területen megvalósíthatók a fejlesztők célkitűzései, amik hagyományos műszerekkel nem lennének elérhetők.

A jövő

Bárhova is tekintünk, a jövő pillant ránk. Egy korszerű gyárban ún. „kiberfizikai” rendszerekkel találkozhatunk, ami a szoftverorientált számítási technológia, az elektromechanikus rendszerek és az emberi kezelőszemélyzet alkotta ökoszisztémát jelenti, fokozott biztonságot, hatékonyságot és költségviszonyokat eredményezve. Az „adatgyűjtés-elemzés-megjelenítés” műveletsoron alapuló feldolgozás még mindig érvényes, de az IoT-eszközök ezzel párhuzamos folyamataként ez kiegészült az „érzékelés-számítás-adatkapcsolati átvitel” mechanizmussal is. A rádiófrekvenciás rendszerek általában véve mindenhol körülvesznek bennünket. Hosszú ideje valljuk ezt, és ha valaki ma még nem foglalkozik RF-fel, holnap már fog. Minél több eszközt kapcsolunk össze, annál nagyobb balgaság lenne nem kihasználni a sokmilliárd érzékelő-végpont nyújtotta lehetőségeket. Ezt jelenti számunkra a Big Analog Data™ (Nagy analóg adatmennyiségek) elnevezésű megoldás, amely a világ leggazdagabb adathalmaza. Egyedül csak az NI felhasználói is nap mint nap több terabájtnyi információt töltenek bele.
Ugyanakkor, amint a lehetőségeink bővülnek és az általunk megoldani kívánt problémák egyre összetettebbek lesznek, felhasznált eszközeinknek egyre könnyebben kezelhetőnek kell lenniük. Amint a gépi kódú programozás először assembly szintre emelkedett, majd megjelent az objektumorientált programozás, a megfelelő absztrakciós szint elérése érdekében több más paradigmának, például a grafikus adatfolyam-ábra alapú rendszerszervezésnek is megnőtt a jelentősége. Kiváló példa erre a LabVIEW Communications System Design Suite környezetünkbe beépített, többsebességű feldolgozólánc. Korábban semmiféle szoftveres eszköz nem rendelkezett az 5G-rendszerek prototípus-algoritmusainak megvalósításához szükséges képességekkel, mi azonban elég bátrak voltunk ahhoz, hogy áramkörökkel közvetlenül megvalósítható, egyetlen műveletfolyamba ágyazzunk be különféle számítási modelleket.
Egyetlen komoly fejlesztés sem történik önmagában. Napjaink legjobb fejlesztőkörnyezetei a belőlük fakadó ökoszisztémáknak köszönhetik a hatékonyságukat. Az NI-nál általunk alkalmazott szoftvercentrikus szemlélet több, mint 1000 vállalatot és 300 000 aktív LabVIEW-felhasználót tömörítő partneri hálózatot eredményezett. A mobileszközök és alkalmazások is a hátterüket képező, „egészséges”, fejlesztőbarát környezetekre épülő ökoszisztémának köszönhetik előretörésüket. A csapatorientált innováció, a kódmegosztás és a közösségi támogatás hamarosan már nem megy újdonságszáma és nem számít élvonalbeli fogalomnak – ezek egyszerűen elvárt elemek lesznek.

Zárógondolatok

Látva az iparágunk elmúlt 40 évben tapasztalható fejlődését, izgalommal tekintek a jövőbe, kíváncsian várva, hogy a jelenlegi technológiák és tendenciák hova vezetnek. Minden kezdő mérnöknek egyszerű tanáccsal szolgálhatok: álmodjon egy jövőképet, majd fáradhatatlanul törekedjen annak megvalósítására. A nap végén pedig élvezze bátran az életet. Úgy gondolom, a soron következő, a „Kitekintés az automatizált tesztelés jövőjébe” archívumból válogatott öt értekezés napjainkban is éppen annyira időszerű, mint első közlésük alkalmával. Kívánom, hogy iránytűként szolgáljanak a jövőképünket illetően, sikerekhez hozzásegítve az Olvasót és vállalatát, intézményét.

Köszönöm a csodálatos 40 évet!

James Truchard PhD, a National Instruments leköszönő elnök-vezérigazgatója

Még több National Instruments