Внедрение системы управления библиотекой компонентов и проектными данными в ведущих компаниях электронной промышленности

Разработка электроники многими компаниями рассматривается как товар. Это управленческое видение в отрасли неожиданно в свете доклада[1] Aberdeen Group, в котором сообщается, что ведущие компании считают на 50% более вероятным инновации в дизайне электроники, чем в дизайне механизмов.   

Разработка электронных продуктов обусловлена постоянными изменениями и решением задач управления данными. В этой статье подчеркивается высокая важность управления библиотекой компонентов и проектными данными с точки зрения развития бизнеса, а не с точки зрения интеграции САПР. Исследования раскрывают последствия плохой организации менеджмента данных и показывают, как удачное решение способно вернуть инвестиции и сэкономить миллионы долларов даже для средних компаний буквально за несколько месяцев. 

Ключевым фактором успеха является интеграция в управлении библиотекой и данными компонентов для проектирования электроники, использование всех доступных корпоративных источников данных и создание условий для принятия наилучших проектных решений уже на начальных этапах разработки. Это значительно снижает время и стоимость проектирования благодаря стандартизации и унификации данного процесса, что выходит за рамки возможностей сторонних поставщиков и производителей, которые могут предложить лишь частичные решения.

Для чего требуется интеграция библиотеки и системы управления данных компонентов

Когда идея мини-ПК Raspberry Pi была представлена британским разработчиком игр Дэвидом Брабеном в марте 2011 года, это взволновало общественность. Его концепция «один ноутбук на одного ребенка» стала реальностью почти год спустя. Несколько компонентов, простая и эффективная реализация, начальная цена в $25 и план дистрибьюции с участием двух крупнейших мировых поставщиков компонентов….
Все было готово и ничто не могло пойти не так… или могло?

29 февраля 2012 года стартовали предзаказы на Raspberry PI. 700 заказов в секунду привели к сбою серверов на сайтах дистрибьюторов. Первая партия в 10000 мини-ПК Raspberry Pi была распродана за несколько минут.

Pic_1_Raspberry_PI.jpg

Рис. 1. Raspberry Pi – бюджетный карманный компьютер для образовательных целей

Плохая новость для первых нетерпеливых покупателей появилась через пару недель, когда мировая пресса сообщила о том, что Raspberry Pi испытывает большие трудности и задержку с выходом вследствие производственной ошибки. Сторонний производитель без разрешения заменил Ethernet-разъем на более дешевый компонент, что привело к неспособности карманного ПК подключаться к сети интернет. Разработчику пришлось срочно искать поставщика для 10 000 нужных разъемов за короткий промежуток времени.

Это стало примером того, как потребительский электронный продукт задерживается с датой запуска из-за одного критически важного компонента.

Pic_2_Ethernet_Connector.jpg


Рис. 2. Небольшая разница в выбранных компонентах с существенным влиянием на сроки выхода Raspberry Pi

Правильный подбор компонента в процессе проектирования становится еще более критичным, если речь идет о схеме для воздушно-космического модуля. Неправильный коннектор может быстро стать стопором для всего проекта, если он требует замены, которая сопряжена с дорогостоящим перепроектированием и тестированием прототипа, изменением механической конструкции.

Выбор компонентов – это прерогатива инженеров. Тем не менее, есть задачи, связанные с производством, которые выходят за рамки инженерного контроля, но при этом требуют гибкости без ущерба качеству. Решение этих задач также не должно быть дорогостоящим и оказывать существенного влияния на график производства. 

2011 год был хорошим примером, показывающим необходимость быстрой адаптации. Природные катаклизмы, особенно в Японии и Таиланде, вызвали нехватку во всей промышленности. Компаниям необходим «План Б»: альтернативные компоненты, которые не влияют на техническую спецификацию продукта. Или, что еще лучше, реализация, которая включает допуски, позволяющие использовать альтернативные варианты компонентов.

Влияние выбора компонентов на бизнес

В случае с Raspberry Pi сторонний разработчик сделал не разрешенный производителем выбор компонента, что существенно задержало время выхода на рынок. Удивительно, как выбор одного единственного компонента может иметь такое значение! На самом деле, очень редко выбор компонента действительно прост, и наличие точной информации о нем может сказаться на всем жизненном цикле проекта. Несмотря на то, что время выхода на рынок не так критично для некоммерческих организаций вроде основателя Raspberry Pi, такие сценарии для коммерческих компаний реализуются каждый день и могут оказывать существенное влияние.

Неполная информация в BOM или неэффективные процессы подбора компонентов создают неопределенность, которая вызывает:
  • Проблемы качества, надежности и соответствия конечного продукта ТЗ.
  • Выбираются непроверенные компоненты, которые снижают функциональность или повышают риск критического сбоя.
  • Дорогостоящее перепроектирование, задержка производства и поставок.

Неэффективные процессы управления ECAD-библиотеками и компонентами создают административные издержки, требуя избыточных ресурсов, дублирования компонентов и дополнительных затрат на производство и инвентаризацию. Отсутствие активных процессов вывода устаревших компонентов из использования может привести к незапланированным дорогостоящим итерациям проектирования и остановкам производства.

Влияние проблем на бизнес, которые связаны с компонентами и библиотекой, может быть значительным:
  • Снижение рентабельности за счет затрат на перепроектирование, увеличение стоимости компонентов или замедление выхода на рынок.
  • Увеличение затрат на инвентаризацию из-за избыточности, приобретение аналогов вместо использования общих и предпочтительных электронных компонентов.
  • Избыточные складские запасы и, как следствие, рост списанных и устаревших компонентов и деталей.
  • Сорванные сроки выпуска, которые могут быть особенно критичны в аэрокосмической промышленности.
  • Рост затрат на НИОКР, так как может потребоваться дополнительное прототипирование.
  • Увеличение операционных издержек за счет избыточной или нецентрализованной инфраструктуры, связанной в основном с дублированием данных о компонентах и библиотеках, отсутствие библиотекаря и отдела по закупкам.

Аналитическая компания Aberdeen Group разработала две методики исследования рынка, которые выявляют лучшие в отрасли компании и особенности, которые делают их более успешными в сравнении с другими. 

Согласно одному исследованию Aberdeen под названием «Why PCB Design Matters to the Executive», лучшие в своем классе компании гораздо успешнее добиваются своих показателей в стоимости продуктов, планировании и качестве. Они постоянно обеспечивают снижение стоимости продукта и времени разработки, в то время как отстающие компании стараются удержать стоимость и время на НИОКР с одновременным увеличением сложности продукта.

Что лидеры делают по-другому? В чем технологические, организационные и инфраструктурные различия, которые делают их более успешными?

На следующей диаграмме выделены две из семи отличительных технологий в процессе проектирования, которые связаны с управлением библиотекой и инструментами, позволяющими выбирать компоненты на основе технических и не технических критериев.

Pic_3.jpg

Рис. 3. Технологии в проектировании печатных плат

Во втором отчете «Need to save PCB design time» Aberdeen делает упор на управление данными в процессе разработки электроники. Здесь Aberdeen показывает, что сокращение цикла разработки не приводит к ошибкам и дополнительным итерациям. В этом исследовании также подчеркивается, что 3 из 5 ключевых факторов сдерживания на пути к эффективному управлению данными при проектировании печатных плат, связаны с необходимостью прогнозирования стоимости продукта на ранних стадиях, а также обеспечением в срок полноты и точности данных для производства.

Важным фактором успеха, повышающим предсказуемость затрат на дизайн и обеспечивающим снижение рисков в процессе выпуска и внедрения новых продуктов, является быстрый и легкий доступ ко всей актуальной информации об электрических, коммерческих, логистических данных и жизненном цикле компонентов в вашей библиотеке под управлением защищенной программной среды. Если какой-либо из этих аспектов смещен на более поздний этап процесса разработки, то повышаются риски возникновения дополнительных итераций проектирования и замены компонентов при закупке. Это означает, что идеальным местом для принятия решений является рабочий стол инженеров, а временные рамки для этого выбора – первоначальный подбор компонентов для дизайна.

Pic_4.jpg

Рис. 4. Три из пяти ключевых факторов связаны с использованием библиотек

Необходимость в интеллектуальном подборе компонентов

Общие принципы подбора компонентов включают следующее:
  • библиотеку САПР с символами и посадочными местами компонента;
  • электрическую информацию о компонентах в библиотеке;
  • применяемость или дополнительные свойства в информационной системе компонентов, раскрывающих коммерческую информацию, включающую, например, стоимость и жизненный цикл;
  • дополнительное использование базы данных, привязанной к цепочке поставок с информацией о запасах и доступности.

Другие критические данные, связанные со списком материалов, часто доступны на поздних этапах разработки:
  • Информация о предпочтительных компонентах или одобренный список производителей.
  • Список альтернативных компонентов, которые могут потребоваться для закупки или на конкретном производстве.

Поиск и подбор альтернативных компонентов требуют более широких возможностей, чем простое сравнение списка электрических параметров. Чтобы четко понимать отличия между компонентами, инженеру также требуются инструменты для сравнения графики УГО и ТПП. Часто это трудоемкий процесс, который будет принесен в жертву эмпирическому правилу. Для контроля стоимости, соответствия ТЗ или показателям надежности инженеры должны проводить подробный анализ и определять соответствие компонента всем требованиям. В противном случае неизбежно возникнет необходимость в изменениях, повторных итерациях проектирования и, следовательно, увеличении стоимости продукции и НИОКР.

Отчет[2] DARPA показывает, что 75 % стоимости жизненного цикла продукта закладывается на ранних этапах разработки. Интеллектуальный выбор компонентов с учетом всех влияющих факторов может значительно повлиять на успех продукта.

Pic_5.jpg

Рис. 5. Влияние разработки на стоимость на протяжении жизненного цикла продукта

Процесс принятия решения инженером должен содержать ответы на вопросы, которые могут быть важны для обеспечения требуемого уровня затрат, времени и графиков выхода для продукта:
  • Является ли электрический компонент хорошим выбором?
  • Существуют ли аналоги, которые отвечают требованиям и являются более подходящими?
  • Является ли компонент активным в жизненном цикле?
  • Есть ли компонент на складе и каков его срок годности?
  • Подходит ли он по стоимости?
  • Подходит ли этот компонент для выбранной технологии производства? Существует ли хорошая замена?
  • Какие технические проблемы с этим компонентом выявлялись ранее?
  • Как я могу сравнить несколько компонентов, чтобы принять наилучшее решение?
  • Есть ли данный компонент в библиотеке или необходимо будет подождать его релиза?

Для большинства компаний в отрасли потребность в раннем масштабном подборе компонентов и принятии решений представляется очевидной. Но почему это не является общепринятой практикой?

Многие компании пытаются реализовать это следующими способами:
  • собственные разработки;
  • решения на основе PLM-систем;
  • другие решения от независимых компаний или решения с интеграцией только одной части в процесс проектирования;
  • решения, которые непосредственно и глубоко интегрируются в процесс проектирования.

Каждое решение имеет возможные ограничения или недостатки. В следующей таблице приведен обзор этих подходов, а также их положительные и отрицательные стороны:

Таблица 1. Общие подходы к управлению интегрированной библиотекой и данными компонентов



Таким образом, каждый подход имеет преимущества и будет удобен в тех или иных вариантах использования.

Самые дорогостоящие решения – это индивидуальная реализация с высокой долгосрочной стоимостью владения, также, как и управление компонентами ECAD на базе PLM. Этим решениям не хватает глубокой интеграции с инструментами проектирования, они поставляются с высокой стоимостью настройки и требуют использования нескольких приложений на рабочем столе инженера.  Остается много вопросов по проверке библиотек и целостности данных, являющихся сферой ответственности специалистов ECAD из-за отсутствия достаточного инструментария для работы с пространством библиотеки.

Стороннее решение обеспечивает хорошую базовую функциональность в маршруте проектирования, связывая инженерные данные (схемы и символы) вместе с информацией о компонентах. Это общий подход, особенно для неинтегрированных маршрутов проектирования, где схемотехника и топология связаны интерфейсом на основе списка цепей (netlist) без централизованной библиотеки. Такое решение также имеет риск рассогласования информации между разработчиками и топологами, в следствии чего могут возникать ситуации, когда появляются задержки в совместной работе из-за несоответствия свойств и назначений. Чтобы избежать этих проблем, пользователи должны разработать свои собственные инструменты проверки свойств, библиотек и т. д. Такую проверку необходимо делать при каждой последующей передаче данных со схемы на плату и обратно, и такие инструменты должны актуализироваться для каждого обновления ECAD.

Интегрированное решение для управления библиотекой ECAD имеет минимальные риски, самый широкий охват случаев применения и может быть установлено с минимальной кастомизацией. Хотя оно и ориентировано на один конкретный маршрут, здесь уменьшаются административные барьеры и предоставляется возможность для глубокой интеграции с корпоративными информационными ресурсами. Такой подход должен быть предпочтительным решением, если он применяется производителем САПР.

Согласно Aberdeen, устранение проблем с целостностью данных и увеличение повторного использования проектов являются двумя из четырех наилучших стратегий в управлении данными проектирования, которые отличают лучшие в своем классе компании от остальных. Это исследование указывает на то, что вам необходимо решение, которое успешно интегрируется в вашу ECAD-библиотеку .

Критерии успеха решения на основе интегрированной библиотеки

Ключевые показатели эффективности (KPI), связанные с решением на основе интегрированной библиотеки:
  • Повышение эффективности разработки.
  • Сокращение цикла разработки с учетом уменьшения количества изменений в библиотеке и компонентах.
  • Повышение качества продукции благодаря использованию списка одобренных производителей и компонентов и снижению стоимости инвентаризации, а также внедрению новых компонентов (улучшения общего качества библиотеки ведет к уменьшению проблем на последующих этапах разработки).
  • Снижение стоимости инфраструктуры и накладных расходов.

Ниже приведены конкретные требования и преимущества, которые относятся к каждому из этих KPI:

1. Повышение эффективности разработки
  • Инженерам необходимо иметь под рукой всю техническую и коммерческую информацию о компонентах. Благодаря интеграции библиотек и компонентов в единый источник данных, среда поиска для инженеров сводится к одному приложению и окну, что экономит до 35 % времени на поиск и подбор компонентов – критически важную часть все рабочей нагрузки. Сюда входит поиск, подбор, сравнение и уточнение компонентов на основе данных и графики.
  • Ведущие инженеры проекта могут создавать закупочные ведомости на основе применяемых компонентов, упрощая работу отделов снабжения.
  • Управление жизненным циклом компонентов позволяет инженерам выбирать компоненты, которые находятся в стадии разработки и получать уведомления по мере их готовности в библиотеке. Это существенно сокращает время ожидания и риск несанкционированного использования компонентов в дизайне.
  • Возможность уточнения компонентов в текущем BOM и синхронизации BOM со схемой автоматически уменьшает административные барьеры и ошибки. Вместо замены компонентов и обновления свойств инженеры просто обновляют Part Number, а остальные компоненты управляются средой разработки.

Pic_6.jpg

Рис. 6. Графический предпросмотр, информация о жизненном цикле и просмотр альтернативных компонентов снижает время поиска и гарантирует целостность данных

2. Сокращение цикла разработки с учетом уменьшения количества изменений в библиотеке и компонентах.
  • Итерации проектирования стоят дорого и отнимают критически важное время. Интегрированная библиотека и управление жизненным циклом компонентов помогают снизить риски. Если компонент отмечен как не выпущенный (например, находится в разработке или снят с нее), то дизайн будет соответствующим образом отмечен до тех пор, пока все компоненты не будут действительны.
  • Упрощается работа с блоками повторного использования на основе IP. Если компонент, применяемый в блоке, подходит к концу срока годности, блок также маркируется.
  • Получение обратной связи от предприятия о компонентах ECAD. Поиск применяемости компонентов («Где используется») выходит за рамки ссылки только на Part Number и позволяет находить похожие экземпляры в BOM и библиотеке САПР, где конкретная проблема DFM может увеличить риск задержек и проблем с качеством.

3. Повышение качества продукции благодаря использованию списка одобренных/предпочтительных производителей и компонентов, снижение стоимости хранения и внедрения новых компонентов.
  • Одобренные/предпочтительные производители и компоненты обычно не видны для инженеров до конца разработки. Это не только приводит к задержкам в сроках, но часто влияет на качество продукции или производства. Эти риски могут быть сведены к минимуму путем интеграции этой информации в качестве критериев поиска и выбора в процесс проектирования.
  • Управляя альтернативными компонентами и используя информацию со склада в библиотеке, инженеры могут заранее оценивать варианты. Существующие компоненты и использование текущих остатков уменьшает количество ввода новых компонентов. Ввод новых компонентов имеет среднеотраслевую стоимость в размере $20 000 и подразумевает шесть направлений: разработка и конструирование, тестирование, производство, закупка, складирование и материально-техническая поддержка, не включая затраты на управление жизненным циклом. Экономия может составить тысячи долларов на списании неиспользуемых избыточных запасов.
  • Интеграция между библиотекой, компонентами и системой управления BOM позволяет мгновенно проверять соответствие экологическим и другим нормам. Это позволяет реализовать внутренние стандарты, например, требования к стоимости и доступности. Хотя эти задачи обычно решаются позже в процессе проектирования, интегрированная библиотека позволяет решать их гораздо раньше, идентифицируя возможные проблемы и уменьшая стоимость изменений.

4. Снижение стоимости инфраструктуры и накладных расходов.
  • Инженерные организации с распределенной сетью центров разработки часто содержат локальные команды библиотекарей и имеют высокие накладные расходы. Централизованная команда разработчиков библиотек поможет убрать этот фактор затрат. Централизованные библиотечные системы часто способны управлять единой очередью для запроса на новый компонент, оптимизировать на разные группы библиотекарей без ущерба для требований безопасности.
  • Центральный мастер для всех библиотек задействуется для генерации производственных библиотек, которые включают только те компоненты, которые разрешены для данной проектной команды или центра, или включают только выборочную информацию, которая может быть раскрыта для подразделения или субподрядчику.
  • Централизованные библиотеки позволяют клиентам использовать общие компоненты, сопоставлять альтернативные компоненты и использовать общую инфраструктуру предприятия, например, центральный отдел закупок для увеличения покупательной способности или сведения к минимуму запасов между командами и производственными площадками.

Хотя многие из этих задач обычно решаются PLM- или MRP-системой, ключевым преимуществом интеграции библиотеки САПР является предоставление клиентам возможности «сдвига влево» в процессе принятия решений.

Pic_7.jpg

Рис. 7. Консолидация данных от САПР и предприятия становится ключевым фактором успеха в электронной промышленности

Эта интеграция не приводит к увеличению вводимых данных или передаче ответственности за ключевые функции в управлении компонентами в среду ECAD-библиотеки. Целью является сбор данных через простые XML-интерфейсы или веб-службы. Обмен информацией о компонентах с разработкой и создание эффективного способа представления этой информации для инженеров становится все более важным фактором успеха для направления проектирования электроники. Чем скорее будет выбран правильный компонент, тем меньше риск для стоимости продукта, качества и графика выхода на рынок.

Вознаграждение

Инвестиции в инфраструктуру должны быть оправданы. Исследование Aberdeen явно подчеркивает необходимость сокращения времени разработки печатных плат в качестве основного фактора давления со стороны рынка и указывает на необходимость правильной организации доступа к данным печатных плат как одно из решений, которое отличает лучшие в своей отрасли компании.

Для руководства важно понять какова рентабельность инвестиций в такую систему, и как централизованное решение по управлению данными и библиотеками ECAD обеспечивает дополнительные преимущества для существующей инфраструктуры управления жизненным циклом и данными предприятия. В следующей таблице представлены некоторые примеры, где рассматривается компания со штатом в 50 инженеров, 10 000 активных компонентов, стандартным для промышленности внедрением 250 новых компонентов в год и ежегодным объемом закупок компонентов на $ 50 млн.

Область экономии средств

Критерий

Типовая экономия за 3 года

Снижение количества внедряемых новых компонентов 250 новых компонентов в год, сокращение минимум на 10 % (среднеотраслевой показатель 25 % или выше), $ 20 000 стоимость внедрения нового продукта (NPI), $ 500 годовая стоимость жизненного цикла $ 1 537 500
Эффективность разработки 50 инженеров, 7,5 % времени на поиск компонентов (среднеотраслевой показатель), 30 % повышения эффективности, $ 100k загрузки в расчете на одного инженера $ 386 363
Снижение затрат на учет и складирование компонентов $ 50 млн. объем закупки компонентов, 1 % снижения затрат за счет консолидации компонентов, 1 % снижения стоимости управления 10 000 активных компонентов $ 1 575 900

Примерные консервативные расчеты показывают только для этих трех критериев, как интеграция библиотеки, компонентов и коммерческой информации может сэкономить для такой компании около $ 3,5 млн. операционных расходов и стоимости продукта. В этом примере не учитываются следующие критерии затрат:
  • Ежегодное сокращение стоимости и процентов, затрачиваемых на инвентаризацию компонентов (сырье).
  • Преимущества, связанные с ранним выходом на рынок за счет уменьшения цикла разработки и возможности сокращения проектных итераций.
  • Обеспечение дальнейшего роста бизнеса: возможность увеличения количества проектов за счет повышения эффективности разработки.
  • Снижение затрат на IT-инфраструктуру.
  • Сокращение административных расходов за счет устранения избыточных ресурсов, пунктов и процессов управления данными.

Выводы

В исследовании Aberdeen показано, как система управления библиотекой и интеграция данных между библиотеками и компонентами выделяет лучшие в своей отрасли компании от остальных. Эти ведущие компании (порядка 20 %) разработали методологии для последовательного достижения целевых показателей по качеству продукции, стоимости и планированию жизненного цикла. Кроме того, они оказались более эффективными благодаря постоянному снижению затрат на НИОКР и продукцию.

Проверенный подход, необходимый для достижения наилучших показателей в области проектирования электроники, заключается в том, чтобы избежать временных задержек, связанных с несогласованностью данных. Этот подход обеспечивается за счет тесной интеграции среды проектирования, ее динамических и комплексных библиотек ECAD и расширения предприятия.

Интеграция между маршрутом проектирования и средой управления библиотекой и данными доказала, что этим достигается максимальная рентабельность инвестиций для данного типа инфраструктуры, что дает возможность клиентам поддерживать целостность данных с минимальным ручным трудом или настройкой.

Проектирование электроники и среда разработки постоянно развиваются вокруг ваших технологических требований как лидера отрасли и новатора. Производители PLM и различных сторонних инструментов могут предоставить некоторые статические, консультативные решения для управления компонентами на основе некоторой универсальной модели. Но только производители вашей САПР способны дать возможность получить максимальную выгоду от ваших ресурсов НИОКР, предоставляя решение, которое будет эффективным и не будет мешать вашему развитию.

Mentor предлагает уникальную систему управления центральной библиотекой и данными о компонентах для средних и крупных организаций – Xpedition Engineering Data Management (EDM). Быстрое развертывание и использование полностью интегрированного в маршрут разработки Xpedition решения, делают EDM ключом к повышению эффективности проектирования и роста бизнеса по разработке электроники.

[1] The Aberdeen Group, “Why PCB Design Matters to the Executive”, 2010 

[2] DARPA Rapid Design Exploration and Optimization (RaDEO) project