在這種新的形式下，系統(tǒng)思維和軟硬件的緊密結(jié)合對創(chuàng)新者的脫穎而出起到了決定性的作用。即使在產(chǎn)品交付到消費者手中之后，也必須保證這些產(chǎn)品可以不斷更新和優(yōu)化，這就要求傳統(tǒng)的制造商必須上升到電子傳感器和控制裝置發(fā)揮重要作用的新高度。與那些僅編寫代碼的新手相比，攜手極具競爭力的硬件供應(yīng)鏈解決方案專家可為產(chǎn)品設(shè)計師帶來明顯的競爭優(yōu)勢。

當然，這種合作也存在一些挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性。所以在重新思考產(chǎn)品策略和側(cè)重點之前，首先需要了解這一科技變革的基礎(chǔ)。

不僅僅是摩爾定律

相信很多人都聽說過戈登·摩爾在50年前提出的摩爾定律。他觀察到集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，導(dǎo)致產(chǎn)品價格的下降和性能的提升。但我們當中的許多人都未意識到與摩爾定律同步發(fā)生的趨勢(當然在這些領(lǐng)域工作的人除外)，也就是我們利用這些低成本信息處理能力的創(chuàng)新化方式。

首先是固態(tài)電力電子技術(shù)的革命，即利用半導(dǎo)體器件切換高電壓和大電流。

這一革命影響了我們?nèi)绾慰刂坪娃D(zhuǎn)換電力，小到iPhone充電器，大到在電網(wǎng)中分配電壓和電流的配電箱。今天，我們可以通過電腦的控制切換幾乎任何物體，這也為眾多應(yīng)用帶來了益處，例如磁盤驅(qū)動器使用的微型電機的控制裝置、控制汽車后視鏡的電動驅(qū)動器、機床使用的伺服電動機、車間電機中的變頻傳動裝置，以及火車頭及地鐵車廂使用的巨大的牽引電動機等等。

20世紀50年代，現(xiàn)代的固態(tài)電力電子器件誕生于貝爾實驗室，通用電氣在50年代末對其進行了進一步開發(fā)。從那時起，半導(dǎo)體材料、加工方法和制造與包裝技術(shù)就在不斷進步。同時，一些企業(yè)也開發(fā)出了新的器件(例如功率金氧半場效晶體管MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT)、新的轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)和變頻傳動裝置使用的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，推出了許多用于運動控制的高效率、低成本、長壽命的小型電子子系統(tǒng)。設(shè)計師只需幾美元就可以通過電子系統(tǒng)來記住車內(nèi)座椅的位置，或只需要增加軟件，就可以控制汽車自動駕駛。

利用軟件控制的最大優(yōu)勢是它可以使產(chǎn)品更加先進和多功能化。你可以在控制程序中加入針對特定狀況的反應(yīng)措施。例如，通過節(jié)流閥位置傳感器、發(fā)動機溫度傳感器和測量發(fā)動機進氣量的質(zhì)量流量傳感器的數(shù)據(jù)，設(shè)定汽車的空燃比;也可以使用曲軸位置傳感器和發(fā)動機轉(zhuǎn)速值來計算汽車的最佳點火時間點。以往進行這種復(fù)雜響應(yīng)的傳統(tǒng)模擬控制設(shè)備需要定期進行整修，制造成本很高，不適合于大規(guī)模生產(chǎn)。而數(shù)字化的設(shè)備則容易量產(chǎn)，甚至可通過微調(diào)軟件的方式來補償制造差異。實際上在過去的20年間，可編程的發(fā)動機控制器在燃料經(jīng)濟性和汽車總體性能領(lǐng)域取得的某些重大進展可謂功不可沒。

軟件可以實現(xiàn)其他方法無法達到的控制效果。我最近在《哈佛商業(yè)評論》發(fā)表的一篇文章中有提到，我租了一輛大眾甲殼蟲汽車，打開車門，注意到車窗自動降下來一點，當我關(guān)上車門后，它又自動上升閉合了。這個細節(jié)的目的是釋放車內(nèi)氣壓，而且也有助于達到最佳的關(guān)門效果，而正是軟件讓這一切成為可能。豐田公司也在使用軟件來推進其提倡的“舒適度功能”和其它駕駛員互動設(shè)計。目前的高端汽車有多達100多個微控制器，差不多有總計1億行的軟件代碼在對它們進行控制。

利用軟件進行更多的電動控制也提升了效率。由于燃料經(jīng)濟性標準的改變，汽車行業(yè)正在用電力取代發(fā)動機驅(qū)動的機械和液壓負載。例如，皮帶驅(qū)動的液壓泵轉(zhuǎn)向會持續(xù)消耗發(fā)動機的功率，但電動助力轉(zhuǎn)向僅在需要時才會消耗功率。諸如控制輕型混合動力汽車的功率分配或平衡并聯(lián)式混合動力汽車(例如豐田普銳斯)的油/電功率貢獻量這樣的能力，都依賴于復(fù)雜的電力電子器件。

很多在不久前我們還無法想象的應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)通過軟件控制的電力電子器件得以實現(xiàn)。盡管波音787夢幻客機的鋰電池問題引發(fā)了巨大爭議，這種龐大的客機還是通過其電氣架構(gòu)節(jié)省了大量的能源。和汽車一樣，飛機在不同飛行階段的功率需求也各有不同，在起飛時，不僅需要很大的推進功率來將飛機向前推進，而且也需要液壓力來操縱飛行控制裝置(例如襟翼)和引氣，引氣過程需要從發(fā)動機中吸出壓縮空氣并用于機翼和引擎罩除冰和機艙內(nèi)的空調(diào)。但在達到巡航高度后，輔助功率需求則會大幅下降，在過去一般會排出多余的引入空氣，因此浪費了能源。而在787的飛行控制、環(huán)境控制系統(tǒng)、起落架收放和制動等關(guān)鍵子系統(tǒng)中，波音用電動子系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的液壓和氣動系統(tǒng)。類似于汽車中的助力轉(zhuǎn)向，飛機中的這些子系統(tǒng)僅在需要時才會消耗發(fā)動機的功率。而且，電氣系統(tǒng)的重量也小于遍布管線的液壓系統(tǒng)。

由于787中配備了這些電動系統(tǒng)，它可以加入許多通過軟件控制的新功能，例如自動滾轉(zhuǎn)和偏航補償?？湛鸵矊350 XWB進行了同樣的設(shè)計，其中基于軟件的飛行包線保護系統(tǒng)可防止飛行員錯選危險的飛行設(shè)置。隨著設(shè)計人員不斷開發(fā)出更多的線控系統(tǒng)功能，在汽車等領(lǐng)域的消費者產(chǎn)品中很快將會出現(xiàn)更多基于軟件的電力電子器件，當然這也意味著需要更多的軟件。

無處不在的傳感器

每個月我們都能看到智能手機銷量的迅猛增長，這也促使設(shè)計師相繼推出越來越多可幫助我們測量現(xiàn)實和數(shù)字世界的傳感系統(tǒng)。正如我在《哈佛商業(yè)評論》中提到的那樣，其結(jié)果就是推進更多的傳感器的生產(chǎn)，比如GPS接收機、加速計、影像、電容式觸摸傳感器、氣壓計和羅盤等等，而在日常用品中的傳感器則更多。

巨大的需求量也迫使傳感器生產(chǎn)商不斷學(xué)習(xí)新的技術(shù)，所以現(xiàn)在他們可以以極低的成本在各種設(shè)備中加入傳感功能，例如汽車的后視、側(cè)視和前視鏡或甚至是一臺簡單的干衣機。這些低成本傳感器也可用來測量身體的許多動作，這也促進了可穿戴設(shè)備的爆炸式發(fā)展。我們每天都會看到創(chuàng)新應(yīng)用的出現(xiàn)，但毫無疑問，最好的應(yīng)用還未來臨。

提高虛擬化程度

在運動控制和傳感方面，軟件的開發(fā)變得越來越復(fù)雜，工程師們采用了更加先進的控制設(shè)計，包括實時軟件開發(fā)和在系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮關(guān)鍵作用的模擬工具。為了了解軟件專家如何在復(fù)雜的狀況下使用所有這些新技術(shù)，需要先了解“提高虛擬化”這一概念，即減少執(zhí)行一個特定功能所需的代碼量，從而讓程序員可以編寫更先進的語言，讓產(chǎn)品設(shè)計師在更高、更創(chuàng)新化的水平提出概念，而不用過多地關(guān)注細節(jié)。提高虛擬化可讓他們使用各種組件來開發(fā)產(chǎn)品，可以定制和快速部署這些組件，這些組件也可以被單獨、反復(fù)地應(yīng)用到其他系統(tǒng)中。

所以，如果一位設(shè)計師的產(chǎn)品需要連接互聯(lián)網(wǎng)、攝像頭和計算機，那么他只需使用一個iPad或一部智能手機就可以開始設(shè)計。iPad就是一個很好的例子，它為那些以計算機為系統(tǒng)控制器的硬件制造商提高了抽象度?，F(xiàn)在各種新的銷售點系統(tǒng)或遠程控制系統(tǒng)都在使用iPad，這也在部分程度上表明虛擬化的便利和優(yōu)勢。

在復(fù)雜度不斷上升且比較狹窄的一些領(lǐng)域，我們也看到了這樣的趨勢。半導(dǎo)體公司現(xiàn)在有“設(shè)計代工”合作伙伴來定制工作流程，簡化芯片設(shè)計，從而降低開發(fā)原型的成本。同樣，云計算也是一種提高虛擬化的方式，可讓企業(yè)簡化或消除提供計算機服務(wù)的必要性。因此，這些企業(yè)可以更高效地生產(chǎn)聯(lián)網(wǎng)的可穿戴設(shè)備、車載信息服務(wù)系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)的恒溫器和其它硬件?？梢哉f在更高的抽象度環(huán)境下，只要真正地了解了數(shù)字世界與現(xiàn)實世界是如何融合在一起，幾乎任何人都可以開發(fā)出一種新的數(shù)字產(chǎn)品。

對于產(chǎn)品設(shè)計的意義

我在《哈佛商業(yè)評論》中寫到過，根據(jù)波士頓咨詢集團的估計，一輛普通汽車中電子部件的成本占整車價值的比例將從2004年的20%上升至今年的40%。許多公司都沒有準備好應(yīng)對這一趨勢將對它們的供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的影響，但產(chǎn)品設(shè)計師必須認識到，對于他們所做的的設(shè)計來說，軟件就像產(chǎn)品本身一樣重要。

軟件越來越成為一種差異化的手段。由于優(yōu)化、增加功能或修補漏洞的能力，產(chǎn)品的價值不僅僅由它目前做什么而決定，也由它在未來可以做什么來決定。當“好奇號”探測器在前往火星的路途中遇到軟件問題時，美國航空航天局只需發(fā)送一個軟件更新即可(這也可能是有史以來最遙遠的更新之一)。“軟件可以被更新，但硬件只能被修理，”美國航空航天局的一位工程師如是說。

最后，當“連接”在更多的產(chǎn)品功能中發(fā)揮越來越大的作用時，也將面臨更加嚴峻的安全挑戰(zhàn)。因此汽車制造商不僅在發(fā)動機與駕駛員之間放置了真正的防火墻，而且也在車載信息娛樂系統(tǒng)與汽車控制或動力傳動系統(tǒng)之間設(shè)立了虛擬防火墻。隨著長期聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)越來越多，設(shè)計師從一開始就需要考慮安全的問題。