Willy C. Shih / 哈佛大学商学院教授 / 2015-12-11
很多在不久前我们还无法想象的应用，现在已经通过软件控制的电力电子器件得以实现。
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我们每天都会看到关于无人驾驶汽车、新型“协作”机器人，甚至可能是无人机意外攻击白宫的新闻报道。在见证低成本的信息处理技术颠覆性地创造了移动设备之后，如果再看看一些已经存在了几十年的产品，例如汽车、家用电器或飞机，我们会发现我们正置身于另一场浩大的产业革命之中：由于硬件的革新，更多的新功能和差异化应用通过软件大放异彩。
在这种新的形式下，系统思维和软硬件的紧密结合对创新者的脱颖而出起到了决定性的作用。即使在产品交付到消费者手中之后，也必须保证这些产品可以不断更新和优化，这就要求传统的制造商必须上升到电子传感器和控制装置发挥重要作用的新高度。与那些仅编写代码的新手相比，携手极具竞争力的硬件供应链解决方案专家可为产品设计师带来明显的竞争优势。
当然，这种合作也存在一些挑战性和复杂性。所以在重新思考产品策略和侧重点之前，首先需要了解这一科技变革的基础。
不仅仅是摩尔定律
相信很多人都听说过戈登·摩尔在50年前提出的摩尔定律。他观察到集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18个月便会增加一倍，导致产品价格的下降和性能的提升。但我们当中的许多人都未意识到与摩尔定律同步发生的趋势（当然在这些领域工作的人除外），也就是我们利用这些低成本信息处理能力的创新化方式。
首先是固态电力电子技术的革命，即利用半导体器件切换高电压和大电流。这一革命影响了我们如何控制和转换电力，小到iPhone充电器，大到在电网中分配电压和电流的配电箱。今天，我们可以通过电脑的控制切换几乎任何物体，这也为众多应用带来了益处，例如磁盘驱动器使用的微型电机的控制装置、控制汽车后视镜的电动驱动器、机床使用的伺服电动机、车间电机中的变频传动装置，以及火车头及地铁车厢使用的巨大的牵引电动机等等。
20世纪50年代，现代的固态电力电子器件诞生于贝尔实验室，通用电气在50年代末对其进行了进一步开发。从那时起，半导体材料、加工方法和制造与包装技术就在不断进步。同时，一些企业也开发出了新的器件（例如功率金氧半场效晶体管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT）、新的转换器拓扑结构和变频传动装置使用的矢量控制和直接转矩控制，推出了许多用于运动控制的高效率、低成本、长寿命的小型电子子系统。设计师只需几美元就可以通过电子系统来记住车内座椅的位置，或只需要增加软件，就可以控制汽车自动驾驶。
利用软件控制的最大优势是它可以使产品更加先进和多功能化。你可以在控制程序中加入针对特定状况的反应措施。例如，通过节流阀位置传感器、发动机温度传感器和测量发动机进气量的质量流量传感器的数据，设定汽车的空燃比；也可以使用曲轴位置传感器和发动机转速值来计算汽车的最佳点火时间点。以往进行这种复杂响应的传统模拟控制设备需要定期进行整修，制造成本很高，不适合于大规模生产。而数字化的设备则容易量产，甚至可通过微调软件的方式来补偿制造差异。实际上在过去的20年间，可编程的发动机控制器在燃料经济性和汽车总体性能领域取得的某些重大进展可谓功不可没。
软件可以实现其他方法无法达到的控制效果。我最近在《哈佛商业评论》发表的一篇文章中有提到，我租了一辆大众甲壳虫汽车，打开车门，注意到车窗自动降下来一点，当我关上车门后，它又自动上升闭合了。这个细节的目的是释放车内气压，而且也有助于达到最佳的关门效果，而正是软件让这一切成为可能。丰田公司也在使用软件来推进其提倡的“舒适度功能”和其它驾驶员互动设计。目前的高端汽车有多达100多个微控制器，差不多有总计1亿行的软件代码在对它们进行控制。
利用软件进行更多的电动控制也提升了效率。由于燃料经济性标准的改变，汽车行业正在用电力取代发动机驱动的机械和液压负载。例如，皮带驱动的液压泵转向会持续消耗发动机的功率，但电动助力转向仅在需要时才会消耗功率。诸如控制轻型混合动力汽车的功率分配或平衡并联式混合动力汽车（例如丰田普锐斯）的油/电功率贡献量这样的能力，都依赖于复杂的电力电子器件。
很多在不久前我们还无法想象的应用，现在已经通过软件控制的电力电子器件得以实现。尽管波音787梦幻客机的锂电池问题引发了巨大争议，这种庞大的客机还是通过其电气架构节省了大量的能源。和汽车一样，飞机在不同飞行阶段的功率需求也各有不同，在起飞时，不仅需要很大的推进功率来将飞机向前推进，而且也需要液压力来操纵飞行控制装置（例如襟翼）和引气，引气过程需要从发动机中吸出压缩空气并用于机翼和引擎罩除冰和机舱内的空调。但在达到巡航高度后，辅助功率需求则会大幅下降，在过去一般会排出多余的引入空气，因此浪费了能源。而在787的飞行控制、环境控制系统、起落架收放和制动等关键子系统中，波音用电动子系统取代了传统的液压和气动系统。类似于汽车中的助力转向，飞机中的这些子系统仅在需要时才会消耗发动机的功率。而且，电气系统的重量也小于遍布管线的液压系统。
由于787中配备了这些电动系统，它可以加入许多通过软件控制的新功能，例如自动滚转和偏航补偿。空客也对A350 XWB进行了同样的设计，其中基于软件的飞行包线保护系统可防止飞行员错选危险的飞行设置。随着设计人员不断开发出更多的线控系统功能，在汽车等领域的消费者产品中很快将会出现更多基于软件的电力电子器件，当然这也意味着需要更多的软件。
无处不在的传感器
每个月我们都能看到智能手机销量的迅猛增长，这也促使设计师相继推出越来越多可帮助我们测量现实和数字世界的传感系统。正如我在《哈佛商业评论》中提到的那样，其结果就是推进更多的传感器的生产，比如GPS接收机、加速计、影像、电容式触摸传感器、气压计和罗盘等等，而在日常用品中的传感器则更多。巨大的需求量也迫使传感器生产商不断学习新的技术，所以现在他们可以以极低的成本在各种设备中加入传感功能，例如汽车的后视、侧视和前视镜或甚至是一台简单的干衣机。这些低成本传感器也可用来测量身体的许多动作，这也促进了可穿戴设备的爆炸式发展。我们每天都会看到创新应用的出现，但毫无疑问，最好的应用还未来临。
提高虚拟化程度
在运动控制和传感方面，软件的开发变得越来越复杂，工程师们采用了更加先进的控制设计，包括实时软件开发和在系统设计中发挥关键作用的模拟工具。为了了解软件专家如何在复杂的状况下使用所有这些新技术，需要先了解“提高虚拟化”这一概念，即减少执行一个特定功能所需的代码量，从而让程序员可以编写更先进的语言，让产品设计师在更高、更创新化的水平提出概念，而不用过多地关注细节。提高虚拟化可让他们使用各种组件来开发产品，可以定制和快速部署这些组件，这些组件也可以被单独、反复地应用到其他系统中。
所以，如果一位设计师的产品需要连接互联网、摄像头和计算机，那么他只需使用一个iPad或一部智能手机就可以开始设计。iPad就是一个很好的例子，它为那些以计算机为系统控制器的硬件制造商提高了抽象度。现在各种新的销售点系统或远程控制系统都在使用iPad，这也在部分程度上表明虚拟化的便利和优势。
在复杂度不断上升且比较狭窄的一些领域，我们也看到了这样的趋势。半导体公司现在有“设计代工”合作伙伴来定制工作流程，简化芯片设计，从而降低开发原型的成本。同样，云计算也是一种提高虚拟化的方式，可让企业简化或消除提供计算机服务的必要性。因此，这些企业可以更高效地生产联网的可穿戴设备、车载信息服务系统、联网的恒温器和其它硬件。可以说在更高的抽象度环境下，只要真正地了解了数字世界与现实世界是如何融合在一起，几乎任何人都可以开发出一种新的数字产品。
对于产品设计的意义
我在《哈佛商业评论》中写到过，根据波士顿咨询集团的估计，一辆普通汽车中电子部件的成本占整车价值的比例将从2004年的20%上升至今年的40%。许多公司都没有准备好应对这一趋势将对它们的供应商网络所产生的影响，但产品设计师必须认识到，对于他们所做的的设计来说，软件就像产品本身一样重要。
软件越来越成为一种差异化的手段。由于优化、增加功能或修补漏洞的能力，产品的价值不仅仅由它目前做什么而决定，也由它在未来可以做什么来决定。当“好奇号”探测器在前往火星的路途中遇到软件问题时，美国航空航天局只需发送一个软件更新即可（这也可能是有史以来最遥远的更新之一）。“软件可以被更新，但硬件只能被修理，”美国航空航天局的一位工程师如是说。
最后，当“连接”在更多的产品功能中发挥越来越大的作用时，也将面临更加严峻的安全挑战。因此汽车制造商不仅在发动机与驾驶员之间放置了真正的防火墙，而且也在车载信息娱乐系统与汽车控制或动力传动系统之间设立了虚拟防火墙。随着长期联网的系统越来越多，设计师从一开始就需要考虑安全的问题。
独特且创新的产品将来带来无限的机遇。就像有人说的那样，这只是一个编程的问题。
（原文刊于伟创力《Intelligence》，已获授权转载）
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