開発ボード: 過去、現在、そして将来

まず、開発ボードが何を意味するのか、またシングルボード コンピュータ (SBC) とどのように異なるのかを明確に定義する必要があります。 開発ボードは通常、マイクロコントローラーの機能を強調するためにマイクロコントローラーのメーカーによって作成されます (ただし、この用語は現在、他のタイプのコンポーネントにもよく使用されています)。 マイクロコントローラーは、プロセッサー、一部の RAM、フラッシュ ストレージを備え、現実世界とのインターフェースを可能にする I/O 機能を備えた集積回路です。 これは、単一のパッケージに収められた小型コンピュータのように効果的に機能します。その目的は、開発者にコンピュータとのインターフェイスを提供し、ライトや小型モーターなどの外部コンポーネントを制御する便利な方法を提供することです。SBC もこの機能を提供しますが、主な違いは次のとおりです。 CPU、RAM、ストレージはそれぞれボード上の個別の IC 内に含まれており、インターフェイスによりキーボードやディスプレイに接続できます。

SBC 上のマイクロプロセッサにはオペレーティング システムが必要ですが、マイクロコントローラはメーカーが提供する統合開発環境 (IDE) を使用して管理されます。 多くの場合、メーカーは現在、マイクロコントローラーを含む開発ボードを作成していますが、その主な目的はマイクロコントローラー自体の機能ではなく、マイクロコントローラーが接続するセンサーやその他の集積回路の機能をデモンストレーションすることです。 これらは、「デモ ボード」、「評価キット」、または具体的な目的を達成するために部品を集められるように組み立てられている場合は「リファレンス デザイン」と呼ばれます。

一部のボードの目的は主にハードウェア開発ではなく、ソフトウェア開発者が人工知能や機械学習アプリケーションに必要なアルゴリズムを作成および改良するために必要な現実世界のデータへのアクセスを提供することです。 これらは「開発ボード」の本来の定義や目的には準拠していない可能性がありますが、現在では新しい電子製品のソフトウェアおよびハードウェア開発に使用できるハードウェアを指すものとして集合的に理解されています。

エンジニアリング コミュニティの注目を集めた最初のマイクロコントローラー開発ボードは 2006 年にリリースされました。このプロトタイピング プラットフォームは、後に Arduino (図1 ) は、愛好家、愛好家、DIY エンジニアを含む新しいカテゴリの電子設計者にすぐに採用されました。 Arduino は、その後の SBC やマイクロコントローラーベースのプラットフォームの商業的成功の基礎を築き、すぐに 2008 年に BeagleBoard が続き、エンジニアに低コストのオープンソース コミュニティがサポートする開発プラットフォームを提供しました。 2012 年には、初の最新のシングルボード コンピューターである Raspberry Pi がリリースされました。 BeagleBoard と同様に、学生がプログラム コードの書き方を学習するために使用できる低コストの方法を提供することを目的とした教育プラットフォームとして考案されました。 Raspberry Pi の魅力は学生だけよりもはるかに広く、アマチュアの愛好家やプロのエンジニアにもすぐに採用されました。

現在、SBC にはプロプライエタリとオープンソースの 2 つの主要なカテゴリがあります。 独自の SBC は通常、最終用途での使用を目的として設計されており、他の最終製品と同じ種類のテストと品質保証を受けています。 これらは電子機器に統合されるか、ラックマウント構成で設置されます。 オープンソース SBC を使用すると、ユーザーはハードウェアの設計とレイアウト、および使用するソース コードにアクセスできます。 これにより、ユーザーはソフトウェアとハ​​ードウェアがどのように動作するかを迅速かつ簡単に学習し、要件に合わせて設計を採用することができます。

現在、開発ボードと SBC にはさまざまな種類のプロセッサが搭載されています。 これらは、従来の PC 分野 (AMD および Intel) 内の x86 ベースのプロセッサから、産業用およびモバイル アプリケーションで使用される ARM プロセッサまで多岐にわたります。 Linux とその派生製品 (Ubuntu、Fedora、Debian など)、Android、および Windows CE は、SBC で最もよく使用されるオペレーティング システムです。 マイクロコントローラー開発ボードにはオペレーティング システムは必要なく、メーカーが提供する IDE を介してプログラムされます。 マイクロコントローラー開発ボードと SBC はどちらも、ワイヤレス接続 (Wi-Fi、Bluetooth) や最新のオーディオおよびビデオ インターフェイスを搭載するように進化しています。つまり、一部の SBC には、多くの PC やタブレットに搭載されているものと同等の機能が搭載されています。

従来、メーカーは、マイクロコントローラーを見込み顧客に販売する可能性を高めるマーケティング支援として使用することを目的として開発ツールを作成していました (業界内では「デザインイン」と呼ばれることがよくあります)。 彼らは、研究室で部品を立ち上げて実行するために設計エンジニアが必要とする作業量を最小限に抑え、設計エンジニアがその機能に簡単にアクセスして調査できるようにすることで、マイクロコントローラや補助部品を選択する可能性が高まることを期待していました。初期製品のプロトタイピングに使用するためのものであり、その部品が量産で使用するために選択された場合、最終的には大量注文につながる可能性があります。 異なるサプライヤーの部品間の技術仕様の違いが無視できるほどの製品の場合、これは賢明なアプローチです。 しかし、メーカーにとって、このアプローチはある意味、それ自体の成功の犠牲となっています。 彼らは、自社の製品に携わるエンジニアに必要な作業量を引き続き削減する必要があることに気づき、特に競合他社の製品とほぼ同様の製品の場合、開発ボードが重要な差別化要因となっています。

設計エンジニアの期待は高まっており、たとえ明らかに競争上の優位性がある部品 (たとえば、パワーや速度など) であっても、関連する開発ボードにはプラグ アンド プレイ レベルのアクセシビリティが求められるようになりました。

メーカーは、マイクロコントローラーとその他の集積回路 (通常はセンサー) で構成されるリファレンス設計を提供することで、自社の価値提案をさらに改善しています。 当初、これらはデバイスを相互接続して最終製品の電気的機能をエミュレートする方法についてのガイドを提供することを目的としており、フォームファクター、設計のサイズ、製造の容易さにはほとんど焦点を当てていませんでした。 ただし、一部のメーカーは、本格的な製品プロトタイプや完全に実行可能な製品を作成することで、リファレンス デザインを次のレベルに引き上げています。

Maxim Integrated (現在は Analog Devices の一部) によるヘルス センサー プラットフォーム (HSP) リファレンス デザインは、この進化をグラフ化する際の例として使用できます。 これらのリファレンス デザインの初期バージョンは、健康およびフィットネス アプリケーションでの使用に適した各種センサー (温度、圧力、加速度計、生体電位など) を備え、マイクロコントローラーを使用して構成できる小型の開発ボードでした。 その後継である HSP2.0 と HSP3.0 は手首に装着できるフォーム ファクターを備えており、見た目は市販されている他のウェアラブルとよく似ています (図2）。

これにより、開発者は現実のシナリオでセンサーの機能を評価できるようになりました。 重要なのは、これらの設計により、ソフトウェア開発者はセンサーの読み取り値 (他の健康およびフィットネス ウェアラブルからは簡単にアクセスできない情報) に自由にアクセスできるようになりました。 このアプローチの目的は、アプリケーションに付加価値を与える機械学習および人工知能アルゴリズムの開発を可能にすることでした。

マキシムは、自社のハードウェアがどのようにデータへの容易なアクセスを容易にするかを実証することで、製品開発者が製品で使用するためにマキシムのセンサーソリューションのICの一部(またはすべて)を選択することを望んでいます。 マキシムはこのアプローチを拡張して、MAX HEALTH BAND (手首) と MAX ECG MONITOR (胸ストラップ) を開発しました。どちらも、完全に実行可能なウェアラブル健康およびフィットネス デバイスとして完全に設計および構築されています。 これらは消費者に直接販売することを意図したものではありませんが、企業はロイヤルティの支払いと引き換えに、これらの製品を自社のラベルでブランド化する契約をマキシムと結ぶことができます。

このように、すべての開発作業がすでに完了している状態で完全に機能する製品を提供すると、技術者以外のより広範な新規ビジネス顧客ベースにアピールできる可能性があります。 Nordic Semiconductor の Thingy:91 は、開発プラットフォームのもう 1 つの例です。この開発プラットフォームでは、ハードウェアの本質的な価値を実現するためのソフトウェアとアルゴリズムを開発するために必要なデータへのアクセスを開発者に提供するというタスクに、ハードウェアがほぼ付随的に存在しています (ただし、そうすることで、これらのアルゴリズムを活用する新製品設計で使用するための明白な選択肢となるのが便利です)。 今後、さらに多くのメーカーがこのアプローチを採用する可能性があります。

開発ボードと SBC を商用製品での使用に適合させることはますます一般的になってきていますが、もう 1 つの新たなトレンドは、プログラマブル ロジック コントローラーなどの産業用最終製品など、少量だが高価値のアプリケーションでボードを使用することです。図3）、市販の同等品よりも厳しい基準が適用されます。

今日の SBC の多くは、本質的に完全に検証された設計になっています。これは、SBC に含まれる部品がもともと最終製品で使用するために開発されており、テストされ、品質が保証されているためです。 これは、オープンソースの設計が、使用するボードやソフトウェアを更新および評価する有能な設計者やプログラマーの軍隊によって常にレビューされているためでもあります。

SBC ボードのテストは現在、高品質の設計および製造会社を通じて実施されており、他の最終製品と同様の厳格な品質管理が行われているため、CE または FCC 認証を取得することもできます。 このテスト フローは、工業製品の要件を満たすように簡単に拡張できます。

一方、メーカーまたはサードパーティが供給するマイクロコントローラー開発ボードは、通常は商用製品での使用に適していますが、通常は工業製品に必要な厳しいレベルのテストを受けていません。 これは、メーカーが現在、これらのアプリケーションで（現在の外観で）直ちに使用することを推奨していないことを意味します。

一部のボードには工業グレードのコンポーネントが含まれていますが、多くの場合は商業グレードのみであり、ボードは室温で動作するように設計されています。 開発ボードのプロトタイプは通常、室温で数日または数週間テストされますが、設定された基準がないため、これはメーカーによって異なります。 メーカーにとっての主な品質要件は、ボードが室温で確実に動作することであるため、購入者は、これらのボードが極端な温度または湿度でテストされていない可能性が高いことを認識する必要があります。 また、通常、激しい振動や衝撃に伴うストレスに耐えられるかどうかのテストも行われていません。

そのため、産業用アプリケーションで使用する開発ボードを決定する際の主な目的は、リスクを軽減することです。ボードのコンポーネントは適切な温度グレードでなければなりません。 また、複数のボードを高温で数日間同時にストレス テストすることも意味があります。 同様に、高湿度にさらされる製品で開発ボードを使用する予定の場合は、同等の条件下でボードを評価する必要があります。 ボードが高振動アプリケーションでの使用を目的としている場合、ボードをテストフレームに取り付けて振動テストを行う必要があります。

SBC とマイクロコントローラー開発ボードは、小規模企業に新しいハードウェア開発の費用をかけずに設計を迅速に市場に投入するための便利な方法を提供します。 取締役会により、彼らはソフトウェアの革新に集中できるようになり、機械学習と人工知能アルゴリズムの開発にますます集中できるようになります。 SBC と開発委員会は、当初想定されていたものをはるかに超えて権限を拡大し、エレクトロニクス業界の最近の歴史に真の影響を与えてきました。 これらは、プロのエンジニアとエレクトロニクス愛好家の両方にとって簡単にアクセスできるままでありながら、より強力で、インテリジェントで、応答性が向上し続けています。