反思大趨勢,，致勝未來

工程大趨勢正在深刻地改變行業(yè),、產(chǎn)品測試以及那些試圖從中盈利的公司,。 物聯(lián)網(wǎng)的普及,、5G技術從原型驗證到商業(yè)部署的不斷推進,，以及自動駕駛技術的發(fā)展都帶來了巨大且復雜的挑戰(zhàn),，同時又為我們提供了前所未有的創(chuàng)新機會。

要真正實現(xiàn)這些大趨勢帶來的益處,，需從根本上改變我們自動化測試和自動化測量的方法,。為獲得成功，我們必須以不同的方式思考、有目的地行動,，并向“軟件定義的系統(tǒng)”做出關鍵轉(zhuǎn)變 ,。 這就是我們編寫《NI趨勢展望報告》的初衷。

《NI趨勢展望報告》旨在從不斷變化的技術環(huán)境中洞察出最關鍵的工程趨勢和挑戰(zhàn),。 我相信這一洞察將有助于您加速邁向未來,。

Shelley Gretlein

NI全球市場副總裁

5G迎來新的無線測試時代

——NI業(yè)務和技術首席研究員 Charles Schroeder,

·  5G帶來廣闊前景的同時，也使得測試日益復雜化,。

·  必須開發(fā)新的技術來測試5G設備,。

·  需要成本更低的空口測試技術。

自蜂窩通信出現(xiàn)開始以來,，測試工程師一直在使用一組公認的測量和技術,，對從RF半導體到基站和移動手機等無線通信技術進行大量測試。但是對于5G,，這些無線設備采用的技術將更加復雜,，用于測試前幾代設備且已經(jīng)過高度優(yōu)化的測試技術必須重新考量。為驗證5G技術的性能,，需要使用空口（over-the-air,，OTA）方法而不是當前使用的線纜直連的方法來測試5G組件和設備。作為工程領導者,，我們需要新的測試方法來確保5G產(chǎn)品和解決方案在許多行業(yè)和應用中的商業(yè)化可行性,。

增加帶寬

5G標準的主要目標之一是大幅提高數(shù)據(jù)容量，這是因為用戶數(shù)據(jù)需求在持續(xù)不斷地增長,，但為了實現(xiàn)每用戶10 Gbps的目標峰值速率,，需要引入新技術。首先,，5G規(guī)范包括多用戶MIMO（MU-MIMO）技術,，該技術允許用戶通過波束成形技術同時共享相同的頻帶，為每個用戶建立唯一的集中無線連接,。其次,，5G標準增加了更多的無線頻譜，擴展到了厘米和毫米波（mmWave）頻率,。

MU-MIMO和mmWave技術的物理實現(xiàn)需要使用比前幾代蜂窩標準更多的天線元件。根據(jù)物理學定律,，mmWave頻率的信號在通過自由空間時將比當前蜂窩頻率的信號衰減得更快,。因此，在發(fā)射功率電平近似的情況下,，mmWave蜂窩頻率的范圍將比當前蜂窩頻帶小得多,。

為了克服這種路徑損耗，5G發(fā)射器和接收器將利用并行工作的天線陣列，并使用波束成形技術來提升信號功率,，而不是像目前的設備那樣每個頻帶使用一個天線,。這些天線陣列和波束成形技術不僅對于增加信號功率很重要，對于實現(xiàn)MU-MIMO技術也同樣至關重要,。

那如何將所有這些天線安裝到未來的手機中,？幸運的是，mmWave頻率的天線將比用于當前標準的蜂窩天線小得多,。新的封裝技術,，如集成天線封裝（antenna in package，AiP,，即天線陣列位于芯片的封裝內(nèi)）,，將使得這些天線更容易集成到現(xiàn)代智能手機的小空間內(nèi)，但天線陣列可能完全封閉,，沒有任何可直接接觸的測試點,。

使用OTA解決新挑戰(zhàn)

對于測試工程師而言，增加的頻率范圍,、新的封裝技術和更多的天線數(shù)量使其很難在維持高質(zhì)量的同時,，盡可能避免資本成本（測試設備的成本）和運營成本（測試每個設備的時間）的增加。新的OTA技術可以幫助解決這些問題,，但同時也帶來了挑戰(zhàn),。

首先，測量精度是一大挑戰(zhàn),。與有線測試不同,，在進行OTA測量時，測試工程師需要處理天線校準和精度,、連接件公差和信號反射等引起的額外測量不確定性,。其次，設備測試計劃必須納入全新的測量方法,，以進行消聲室集成,、波束特性分析、最佳碼本計算和天線參數(shù)特性分析,。第三,，隨著RF帶寬不斷增加，在RF帶寬上進行校準和測量所需的處理量也會增加,，進而導致測試時間增加,。最后，測試經(jīng)理必須考慮額外的業(yè)務因素,，以在確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時,，最大限度地減少對上市時間,、資本成本、運營成本和占地面積（以適應OTA測試暗室的面積）的影響,。在接下來的幾年里,，測試和測量行業(yè)將通過許多創(chuàng)新技術來快速應對這些挑戰(zhàn)。因此,，測試團隊應考慮高度靈活的軟件定義測試策略和平臺,，以確保其當前的資本支出能夠跟上這一快速創(chuàng)新周期。

雖然OTA提出了諸多挑戰(zhàn),，但同時也帶來了許多好處,。首先，OTA是AiP技術的唯一選擇,，因為天線陣列集成在封裝內(nèi),，無法通過導線直接連接陣列元件。即使測試工程師可以使用傳導測試方法連接各個天線元件,，他們也面臨著選擇并行測試（購買更多儀器帶來的資本支出）還是連續(xù)測試（測試時間和吞吐量增加帶來的運營成本）的困難,。雖然許多技術問題仍有待解決，但OTA測試提供了將陣列作為一個系統(tǒng)而不是一組獨立元件進行測試的可能性,，這有望提供系統(tǒng)級測試的高效率,。

過去，測試設備供應商和測試工程師已經(jīng)遇到了在測試日益增加的性能和復雜性的同時,，最大限度縮短產(chǎn)品上市時間和測試成本的挑戰(zhàn),，而對于5G，他們?nèi)悦媾R著相同的挑戰(zhàn),。盡管當今的5G測試挑戰(zhàn)看起來很復雜,，但世界各地的工程師們已經(jīng)在開發(fā)新的測試儀器和方法，如OTA,，這些都是5G成功進行商業(yè)部署所必需的,。

實現(xiàn)安全自動駕駛所需的權衡迫在眉睫

——Jeff Phillip，NI汽車市場總監(jiān)

·  自動駕駛將挑戰(zhàn)傳感器冗余成本比率,，以確保整體安全,。

·  軟件定義的測試平臺對于跟上處理器架構的發(fā)展至關重要。

·  隨著自動駕駛的要求不斷影響微處理器架構,，半導體和汽車產(chǎn)業(yè)正在相互融合,。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，每年因交通事故導致超過125萬人喪生,，這些事故造成的政府損失約占GDP的3％,。雖然自動駕駛的潛在影響非常廣泛，延伸到個人,、經(jīng)濟和政治領域,，但拯救生命這一作用本身就意味著自動駕駛可能是我們這個時代最具革命性的發(fā)明。

高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）是傳感器,、處理器和軟件的融合,，旨在提高安全性并最終提供自動駕駛功能。如今,，大多數(shù)ADAS系統(tǒng)使用單個傳感器,，例如雷達或攝像頭，并且已經(jīng)產(chǎn)生了可量化的影響,。根據(jù)IIHS 2016年的研究報告指出,，自動制動系統(tǒng)減少了大約40％的追尾事故，碰撞警告系統(tǒng)減少了23％的追尾事故,。盡管如此,，國家公路交通安全管理局（NHTSA ）報告說，94％的嚴重車禍都是由人為失誤造成的,。為了實現(xiàn)從駕駛輔助到L4或L5級別自主駕駛的轉(zhuǎn)變并讓駕駛員不用再控制方向盤,，汽車行業(yè)面臨著更加復雜的挑戰(zhàn)。例如,，傳感器融合是一項必需的技術,，該技術通過綜合許多傳感器的測量數(shù)據(jù)來得到結果，因此需要同步,、大功率處理以及傳感器技術不斷進步,。對于汽車制造商而言，這意味著在成本,、技術和戰(zhàn)略這三個關鍵要素之間進行權衡,，以達到適當?shù)钠胶狻?br/>代價：冗余與互補傳感器

L3級別自主駕駛標準規(guī)定，如果汽車保持在預定義的環(huán)境下,，那么駕駛員就不需要特別注意,。 2019年奧迪A8將成為世界上第一輛提供L3級別自主駕駛技術的量產(chǎn)車。它配備了六個攝像頭,、五個雷達設備,、一個激光雷達設備和12個超聲波傳感器。為什么要使用這么多傳感器,？簡單來說,，每種傳感器都有其獨特的優(yōu)勢和劣勢。例如,，雷達顯示的是物體的移動速度,，而不是物體的樣子。這時就需要進行傳感器融合,，因為物體的移動速度和物體的樣子對于預測對象的行為都是至關重要,，而冗余則是為了克服每個傳感器的缺陷,。

最后，傳感器數(shù)據(jù)處理的目標是獲得可代表汽車周圍環(huán)境安全/故障的表示方式,，并且這種表示方式應可以饋入決策算法,，并有助于降低成本，從而使最終產(chǎn)品能夠產(chǎn)生盈利,。實現(xiàn)這一目標的最大挑戰(zhàn)之一是選擇合適的軟件,。以三個應用為例：緊密同步測量、維護數(shù)據(jù)可追溯性,，以及在無數(shù)真實條件下對軟件進行測試,。每一個應用都有其獨特的挑戰(zhàn)；對于自動駕駛,，這三個應用都必不可少,，但代價是什么呢？
技術：分布式與集中式架構

ADAS的處理能力來自于多個獨立的控制單元,；但是傳感器融合正在推動單個集中式處理器的普及,。以奧迪A8為例。在2019年款的車型中,，奧迪將所需的傳感器,、功能、電子硬件和軟件架構整合到一個中央系統(tǒng)中,。這個中央駕駛輔助控制器會計算汽車周圍環(huán)境的完整模型并激活所有輔助系統(tǒng),。它的處理能力將比以前奧迪A8車型的所有系統(tǒng)合起來都要高。

集中式架構的主要問題是高功率處理的高成本,，而且由于需要在汽車中的其他地方安裝一個輔助融合控制器作為備用控制器來確保安全,，這一成本就更加高了。隨著控制器及其處理能力的發(fā)展,，工程師的偏好可能會在分布式和集中式架構設計之間交替,，這意味著軟件定義的測試儀設計對于跟上這一演變至關重要。
策略：內(nèi)部開發(fā)與現(xiàn)成即用的技術

為實現(xiàn)L5級別自動駕駛,，自動駕駛汽車的微處理器需要具備比當前微處理器高出2000倍的處理能力,；因此，這種微處理器的成本很快就比mmWave雷達傳感器系統(tǒng)中的RF組件更加昂貴,。歷史表明,，如果某個能力的成本日益增加，而且需求非常高,，就會引起鄰近市場領導者的注意,，進而推動了市場現(xiàn)有企業(yè)之間的競爭。

舉個數(shù)據(jù)說明,，UBS估計雪佛蘭Bolt電動動力系統(tǒng)的半導體器件要比同等內(nèi)燃機汽車多6到10倍,。汽車內(nèi)半導體器件的數(shù)量只會增加,，不會減少，而鄰近市場也將會不斷改進相關的技術和產(chǎn)品,。例如,，NVIDIA已經(jīng)改進了最初為消費電子產(chǎn)品開發(fā)的Tegra平臺，以滿足汽車ADAS應用的需求,。另外，Denso已開始設計和制造自己的人工智能微處理器以降低成本和能耗,，Denso的子公司NSITEXE Inc.計劃在2022年發(fā)布一款數(shù)據(jù)流處理器,，即下一代處理器IP，稱為DFP,。比賽已然已經(jīng)開始,。

優(yōu)化權衡

基于這些權衡做出的決策將對整個供應鏈的上市時間和差異化能力產(chǎn)生巨大影響?？焖僦匦屡渲脺y試儀的能力對于最大限度地降低驗證和生產(chǎn)測試成本和時間至關重要,，因此通過軟件實現(xiàn)靈活性是制勝之策。豐田研究所首席執(zhí)行官James Kuffner博士在接受采訪時表示,，“我們的預算不是翻一番,，而是翻兩番。我們有將近40億美元的資金讓豐田成為一家擁有世界級軟件的汽車公司,?！边@種情緒在汽車行業(yè)并不少見。目前還沒有明確的答案,，但是,，就像過去的工業(yè)革命一樣，人們通過提高生產(chǎn)力來負擔新技術所需的成本,，提高軟件開發(fā)效率將成為自動駕駛革命不可或缺的一部分,。

“[Helmut Matschi，Continental內(nèi)裝部門執(zhí)行委員會成員]表示,，這一切都歸功于軟件工程,。 。 ,。他預測,，隨著未來十年內(nèi)高性能計算機在汽車中的廣泛使用，開發(fā)項目可能會將80%的預算用于軟件,?！?- Automotive News, “Continental Bracing for a World of Bugs,” 2018

產(chǎn)品開發(fā)過程標準化

——Nicholas Butler，NI國防和航空航天市場總監(jiān)

·  早期的標準化主要集中在硬件抽象上,，但現(xiàn)代技術則是建立在軟件之上

·  迭代式軟件開發(fā)流程可以更快地為客戶提供更好的產(chǎn)品,。

·  測試組織必須采用標準化的迭代式軟件開發(fā)方法,，以保持競爭力。

幾十年來,，標準化一直是測試組織的理想目標,。 1961年，美國無線電公司（RCA）的D.B. Dobson和L.L.Wolff發(fā)表了《電子測試設備的標準化》（Standardization of Electronic Test Equipment. ）,。該文章介紹了多用途導彈系統(tǒng)測試設備在研究和原型驗證階段所使用的原理,、標準和技術。

大多數(shù)早期技術標準化工作的目標是減少整個組織中不同測試解決方案所使用的測試設備的種類,。 RCA已經(jīng)實現(xiàn)的一個關鍵目標是設計和部署一套模塊化硬件,。模塊化硬件可增加設備復用，提高測試解決方案的集成度,，減少組件過時以及簡化技術更換流程,。由于國防和航空航天工業(yè)的各種產(chǎn)品和資產(chǎn)設備服役周期最長可達50年，因此可維護且可復用的測試系統(tǒng)將給該行業(yè)的測試團隊帶來諸多益處,。

由于嚴苛的安全要求和快節(jié)奏的變化,，現(xiàn)代測試組織需要做的遠不只是硬件標準化。他們現(xiàn)在非常重視軟件層及其開發(fā)過程,。測試工程團隊必須開始采用和標準化迭代式軟件開發(fā)方法,，以跟上產(chǎn)品開發(fā)團隊的步伐以及在快速現(xiàn)代化的行業(yè)中維持項目進度。

軟件是標準化的核心

RCA的論文介紹了多個功能組件和導彈計劃中識別共享輸入和輸出以定義其模塊化硬件系統(tǒng)要求的過程,。識別和分離過程是抽象的基礎,，而這兩者是可以同時完成的。大規(guī)模儀器標準化和商業(yè)現(xiàn)成技術的普及促使許多行業(yè)的測試機構開始采用VXI,、PXI,、PXIe和AXIe等模塊化硬件標準。標準模塊化硬件平臺可將電源,、冷卻和用戶界面等冗余元件抽象為單個系統(tǒng)內(nèi)的獨立元素,。

在《國防系統(tǒng)軟件設計和采購報告》中，美國國防科學委員會（DSB）表示,，“我們的武器系統(tǒng)具有的許多功能都來自于系統(tǒng)軟件,，而不是硬件。這種從硬件功能向軟件功能的轉(zhuǎn)變正在迅速普及,?！爆F(xiàn)代儀器越來越多地包括處理器和FPGA等軟件定義的組件。為了充分利用這些現(xiàn)代測試解決方案,，通過軟件定義測量系統(tǒng)不僅有益而且非常有必要,。

領先的測試軟件工程團隊正在開發(fā)抽象化的測試軟件，與抽象化的硬件相比，抽象化軟件提供了更多好處,。抽象化軟件平臺包括執(zhí)行特定功能的層,。這允許團隊單獨修復和升級每個模塊，同時通過保持相同的輸入和輸出來隔離其他層,?；裟犴f爾航空航天公司總工程師Mark Keith表示：“由于我們有數(shù)十項傳統(tǒng)業(yè)務，軟件標準化需要解決每個團隊存在的歷史問題,。[抽象]的目的是在更換過時的硬件時最小化或避免軟件修改,。”
現(xiàn)代測試軟件開發(fā)

按照當今市場發(fā)布新產(chǎn)品和功能的速度,，僅僅正確構建測試軟件架構是遠遠不夠的,。測試軟件組織必須采用更靈活的方法來更快速地向制造部門和客戶交付產(chǎn)品。為了提供所有所需的功能,，現(xiàn)代軟件工程團隊開始采用Agile等連續(xù)迭代式軟件開發(fā)方法。

正如DSB報告中所述,，“迭代式開發(fā)的主要好處是能夠快速連續(xù)地捕獲錯誤,，輕松集成新代碼，并在整個應用程序開發(fā)過程中獲得用戶反饋,?！钡杰浖_發(fā)已經(jīng)成為一個業(yè)界標準的做法，這種做法“將幫助[國防部（DoD）]應對當今動蕩的安全環(huán)境,，因為在這種環(huán)境下,，威脅的變化速度已經(jīng)超過瀑布式開發(fā)所能處理的速度?！?/p>

標準化迭代式開發(fā)

迭代式軟件開發(fā)需要能夠相互密切配合的團隊,，而且與硬件平臺和軟件架構抽象類似，還包含共享和重復的概念和任務,。

負責代碼庫的團隊必須就源代碼控制,、單元測試框架、代碼分析,、工作管理和部署所需的工具達成一致并進行標準化,。另外一個日益增加的擔憂是網(wǎng)絡安全。DSB指出,，“每天檢查軟件系統(tǒng)的代碼庫可以有效地控制所需的變更數(shù)量,，使其符合通用的網(wǎng)絡規(guī)則?！?/p>

美國國防部監(jiān)察長在《F-22現(xiàn)代化合同戰(zhàn)略》報告中指出：“根據(jù)計劃辦公室官員表示,，相對美國對手，國防部正面臨著失去其技術優(yōu)勢的風險，亟需找到創(chuàng)新的方式來讓戰(zhàn)士更快速利用新技術,?！眹篮秃娇蘸教斓臏y試團隊正在努力將更好的技術更快地推向市場，而且該行業(yè)不是唯一一個正在這樣做的行業(yè),。迭代式開發(fā)是加速技術開發(fā)的一種可靠方法,。

雖然測試工程團隊一直專注于硬件標準化和分層軟件架構，但研發(fā)組織已經(jīng)將焦點轉(zhuǎn)向迭代式產(chǎn)品開發(fā),。標準化的各個方面對于測試組織都是非常重要而且有價值的,，但標準化流程也必須進行完善，以便配合當今的工程做法,。采用Agile軟件開發(fā)方法的測試組織已經(jīng)準備好利用這個即將到來的機會,。

“以當今技術變化的速度，30年給人的感覺像是很久很久,。有時候,，現(xiàn)在最好的方法并不能兼容過去最好的方法?！?- Mark Keith,，霍尼韋爾航空航天公司總工程師