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この記事は、Quilterの物理法則に基づくレイアウト自動化を使い、NXP i.MX 8M Mini搭載コンピューターを再現した過程を詳しく紹介するシリーズの一部です。
ハードウェア業界で長く話を聞いて回ると、基板設計者の「失われた世代」についての噂を耳にするでしょう。ルビリスを貼り、銅箔を手作業で引き、片手にはんだごて、もう片手にデータシートを持ってデバッグしてきた人たちです。Nancy Smithのような人たちは、電子設計の進化についてきただけでなく、新しいツール、新しいリビジョン、机に押し寄せる新たな期待のたびに、どういうわけかさらに腕を上げてきました。
Nancy Smithは、Pacific Design Engineeringで働くシニアPCB設計者です。Nancyと話したとき、 私が求めていたのはノスタルジーではありませんでした。求めていたのは視点です。流行り言葉やVC向けの飾り抓きで、今のPCB設計で実際に何が起きているのかを教えてくれる人を探していたのです。
得られたのは、それ以上のものでした。そもそも私がなぜハードウェアの世界に入ったのかを思い出させてくれたのです。
手を動かす設計という規律
「基板のはんだ付けも、プロトタイプのデバッグも、SolidWorksでの作業も、部品調達も、3Dプリントもやってきました。全部やってきたんです。」– Nancy Smith
仕事のあらゆる部分を、少なくとも一度は自分でやってみた人にしか生まれない、静かな自信があります。Nancyは腕を誇示することには興味がありません。彼女が大切にしているのは、仕事に熟達していることです。
はんだごてに触れたこともない設計者が増え続ける業界で、彼女の視点はこれまで以上に重要です。彼女が昔気質だからではありません。私たちがすぐに忘れてしまうことを、彼女が覚えているからです。
最高の設計は抽象化からは生まれません。現場との近さから生まれるのです。
直感はシミュレートできません。積み上げるものです。一層ずつ、失敗を一つずつ、プロトタイプを一つずつ重ねて。
Paul Robinsonは、私たちと話した際にこう表現しました。
「私たちはこの10年間、摩擦を取り除くために設計ツールを最適化してきました。でも、学びがあるのは摩擦の中なんです。抵抗を肉体で感じて初めて、自分が本当に何を設計しているのかがわかるのです。」
トレースを切り、言い訳を切り捨てる
Nancyが最初に手がけた基板は、ルビリスとドーナツパッドを使ってレイアウトされました。フィルムを手で切り、ライトテーブルの上でトレースを手作業で配置していたのです。
「3人の子どもを育てるために数年間仕事を離れていたんですが、戻ってきたらすべてがコンピュータに移行していました。プロセス全体をゼロから学び直さなければなりませんでした。」
この適応力、つまり抵抗するのではなく学ぶという反射的な姿勢は、今日の多くの組織に欠けているものです。私たちは分野ごとにチームをサイロ化し、電気を機械から切り離して扱い、若手エンジニアを製品から3段階も離れたワークフローに配属しています。
Nancyはそれを受け入れません。彼女は基板が壊れるものとして設計します。実際に壊れるからです。どのように組み立てられるのか、誰が使うのか、どこで故障しやすいのかに注意を払います。
そしてここが血要なのですが、彼女はそれを楽しんでいるのです。
「誰かが紙ナプキンに描いたものをSolidWorksのモデルにして、3Dプリントする。これがとても楽しいんです。」
喜びこそが仕事です。そしてそれは彼女の仕事に表れています。
基板設計の現状
正直に言いましょう。PCB設計業界は、ある部分では肥大化し、別の部分では飢えています。強力なツールはあるのに指導体制は弱く、エンジニアリングの形だけの芸居に異を唱えるのを恐れるチームがあまりにも多いのです。
「2層でインピーダンス制御基板をつくりたがらない顧客はたくさんいますし、実際それはできません。ですから、最初にはっきり伝えなければならないことがいろいろあるんです。この層数は必要ですよ、とか、完全に制御するならブラインドビアやベリードビアが必要になるかもしれなくて、その分コストが上がりますよ、とか。『とりあえず何とかします』と言うのではなく、そういうことは作業を始める前に伝えておく必要があります。そうしないとRev 2、3、4と進んでいって、FCCやEMIなどに合格するためだけに全部捨ててゼロからやり直すことになりますから。」– Nancy Smith
それが明確さから生まれる、言うべきことを言う資格です。誰も声を上げないと物事がどれほど悪い方向に進むかを見てきた人だけが得られる明確さです。レビューが形だけの承認になるとき。「ファームウェアで直します」が組織的な機能不全を表す笑い話になるときです。
ここでこそ、NancyやSergiy Nesterenkoのようなエンジニアが輝きます。Sergiyはインタビューでこう表現しました。
「プロトタイプが検証をパスしても現場で故障するなら、あなたがつくったのは製品ではありません。賭けをしたのです。」
PCB設計における職人技の必要性
プリント基板はあらゆるところにあります。ポケットの中のスマートフォンや、インターネットを支えるサーバー、頭上を周回する衛星を動かしています。これほど基本的なものでありながら、良いPCBを設計するプロセスはしばしばチェックリストに矮小化されます。クリアランスを満たし、DRCを通し、製造に送り、次へ進む、といった具合です。
しかし、良いPCBは偶然には生まれません。それは丁寧さと職人技の結果なのです。この言葉には意味があります。職人技とは、単に規則を守ること以上のものを意味するからです。そこには技能と注意力、そして一つひとつの判断が結果をどう形づくるかへの理解が含まれます。
PCBは銅のトレースが走るただの緑色の長方形ではありません。製品の神経系です。あらゆる設計上の選択には結果が伴います。十分に考え抜かれていないレイアウトは、EMIの問題、熱の問題、製造の遅延を引き起こしかねません。そうした問題を修正するコストは、時間、お金、そして失われた信頼で測られます。
良い基板は理解から始まります。回路図だけでなく、文脈全体の理解です。製品はどのように組み立てられるのか。機械的な制約は何か。この基板はどこで使われ、どのように故障しうるのか。あまりにも多くの場合、設計はCADツールの中で孤立してつくられ、物理的な世界は後回しにされます。それはエンジニアリングではありません。当て推量です。
シグナルインテグリティ、電源分配、製造性はおまけではありません。現実に機能する基板の土台です。これらを無視すると、ストレスがかかったときに崩れる妥協の山ができあがります。インピーダンス制御は提案ではありません。サーマルリリーフも同じです。プロトタイプをつくっているときでも、量産を拡大しているときでも、こうした細部が重要なのです。
コラボレーションも重要です。最高の設計は、電気チームと機械チーム、設計エンジニアとテストエンジニア、そして製品を組み立てる人々との対話から生まれます。ファイルを壁の向こうに投げてうまくいくことを祈るやり方は、手戻りを招くだけです。
実際のところ、最高のPCB設計者は単なる技術者ではありません。分野をつなぎ、摩擦が生じる前にその箇所を予測する通訳者です。一本一本のトレース、一つひとつの部品が、機能だけでなく組立、テスト、長期的な信頼性にどう影響するかを考えています。
ツールは重要です。資格も重要です。しかし何より大切なのは心構え、つまり正しくやり遂げようという熟意です。PCBは単にガラス繊維の上の銅ではありません。製品の骨格です。そして骨格が壊れれば、他の何も立っていられません。
エゴのないコラボレーション
「上下関係はありません。誰もがただ、最高の製品をつくりたいだけなんです。」– Nancy Smith
Nancyのチームは官僚組織ではなく、バンドのように機能しています。彼女はAltium Designer 365とリアルタイムチャットツールを使い、機械、ソフトウェア、テスト、そして顧客を設計プロセスの中に巻き込んでいます。
これこそが現代のハードウェア開発のあるべき姿です。部門を横断し、文脈を共有し、引き継ぎの遅延やサイロ化されたSlackスレッドではなく、相互の尊重の上に成り立つ開発です。
そしてこれは製品にとって良いだけではありません。人にとっても良いのです。
ハードウェアの世界では、文化的な問題をツールで解決しようとすることに時間を費やしすぎています。しかしNancyは別のことを示してくれます。文化が正しければ、ツールは邪魔をしなくなるのです。
好みではなく、哲学で設計する
Nancyの道具箱には、SolidWorks、Altium、3Dプリント、IPC認定といった定番がそろっています。それでも彼女は、その間に成し遂げたことについて驚くほど謙虚でした。
Nancy Smithとの会話から私が読み取った原則をいくつか紹介します。
●「人が実際につくれるものをつくる。」
●「理論ではなく、実践で学ぶ。」
●「製品に近づく。触れ、壊し、直す。」
●「好奇心を持ち続ける。優しさを持ち続ける。」
●「結果だけでなく、プロセスを好きになる。」
これは、過剰な分析と作りかけのダッシュボードの海における北極星です。良い設計とは単なる結果ではなく、物の見方なのです。そしてNancyは、ほとんどの人よりもはっきりと物事が見えています。
最も難しい設計は、自分の心構え
この会話で最も印象に残ったことは何だと思いますか？Nancyは一度も「成功」について語らなかったのです。
私たちはエンジニアリング上の課題こそが本当の山であるかのように、尽きることなく語ります。しかしそうではありません。最大の課題は、締め切りや予算、「とにかく動かせ」というプレッシャーの喧騒の中で、好奇心を保ち続けることです。
Nancyは、燃え尽きと輝きを分けるのは生まれつきの才能ではなく姿勢だということを思い出させてくれました。この分野で長く活躍できるかどうかは、ただ一つのことにかかっています。気にかける心を生む火花を決して失わないことです。
ですから、次に設計のせいでキーボードを部屋の向こうに投げつけたくなったら、手を止めてください。その問題の中に、好奇心をかき立てる何かを探してください。基板はあなたに抗うでしょう。プロセスはあなたを謙虚にさせるでしょう。ですが、ほんの少しでも喜びを持ち続けられれば、そのとき仕事は輝き始めるのです。
良いエンジニアであるとは、答えを知っていることではなく、答えが納得できないときにどんな問いを立てればよいかを知っていることだと、彼女は思い出させてくれました。
最高の設計は、製造の現場を自分の目で見たときに生まれます。
早めに声を上げましょう。今少し反論しておけば、何か月もの手戻りを防げます。
新しいことを学ぶのに、許可を待つ必要はありません。
良いエンジニアリング文化は、孤立した才能ではなく、信頼とコラボレーションの上に築かれます。
エンジニアリングに本当の喜びを見出すことは可能です。プロセスの中にそれを探してください。
自分に問いかけてみてください
自分が設計しているものに最後に触れたのはいつですか？テストエンジニアの隣に座って、本当に耳を傾けたのはいつですか？レビューを通ったからではなく、よくできているからという理由で設計を誇らしく思えたのはいつですか？
Nancyが目指しているのは、ただ単純に、きちんと動くものをつくることです。そして今まさに私たちに必要なのは、そうした思慮深いつくり手なのかもしれません。
Hardware Rich Developmentは、現場に近づくことでハードウェアを前進させているエンジニア、デザイナー、思想家を紹介するQuilter.aiのシリーズです。この対話に参加したい方、あるいは参加すべき人を推薦したい方は、ぜひご連絡ください。
業界を少しだけ鋭く、少しだけ勇敢に、そしてもっとずっと実践的にしていきましょう。
