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四半世紀にわたる革新が切り拓く、グラフィカルシステム開発の新時代

四半世紀にわたる革新が切り拓く、グラフィカルシステム開発の新時代

頭に浮かんだアイデアをグラフィカルな開発環境でブロックダイアグラムとして記述すれば、処理内容をソフトウェアで定義できるハードウェアにそれが実装され、システムができあがる――。ナショナルインスツルメンツはこれまで主に、テスト/計測の分野でこのコンセプトを具現化してきた。同社がこのコンセプトの中核を担うグラフィカル開発環境「NI LabVIEW」を世に出してから25年。今その適用範囲が大きな広がりを見せている。次の25年に向けて同社が描く展望とは? その展望を実現する新たな製品にも注目したい。

エレクトロニクスシステムの開発に携わる皆さんが、新たに取り組む開発プロジェクトのアイデアを頭に思い描くとき、それはどんな姿をしているだろうか?

新しいアーキテクチャや、新しい機能、新しいユーザインタフェースなどのアイデアである。それは頭の中に、C言語や機械語のコードとして浮かんでいるだろうか? あるいはHDL(ハードウェア記述言語)のコードや、回路図として? それとも文章? そういう方もいるかもしれない。しかしほとんどの皆さんは、初期の段階では何かしら「グラフィカルなイメージ」としてそのアイデアを描いているのではないだろうか。例えば完成品の外観だったり、構成要素間の接続や情報の流れを表したブロック図だったり、処理や制御のフローチャートや状態遷移図だったり、ユーザインタフェースのグラフィックスだったりといった具合だ。

しかしご存知のように、その頭の中のアイデアを他者と共有できるカタチに仕上げるのは簡単ではない。もちろん、手描きのスケッチを1枚用意するだけなら、それほど時間はかからない。イメージしている動作を静的なイラストだけで伝えるのは難しいかもしれないが、それでも相手が隣席の同僚であれば事足りる。身振り手振りを交えて説明することもできるからだ。

問題はその先である。そのアイデアを開発工程の下流に位置する部署や協力会社に引き渡したり、顧客にデモして見せたり、さらに製品として市場に投入するとなれば、手間は飛躍的に膨れ上がる。仕様書の作成に忙殺され、試作機の用意に多大な期間を費やし、評価と設計のやり直しを繰り返すことになるだろう。そして、製品テストを経てついに、製品が顧客の手に渡る。アイデアをカタチにするプロセスは、このように複雑で長い道のりだ。

頭の中のアイデアを、もっと単純なプロセスで、もっと短期間でカタチにできる――。そんな新しいシステム開発手法を提唱し、実現を進めるのがナショナルインスツルメンツだ。開発者は、同社が提供するプラットフォームに、そのアイデアの「グラフィカルなイメージ」をそのまま与えればよい。その単一のプラットフォーム上で、ソフトウェアとハードウェアそれぞれの設計データから、コンピュータシミュレーション上の仮想試作機、ハードウェアに実装した試作機、そして最終的な量産用の製品に至るまで、アイデアをさまざまなカタチで出力できるようになる。

夢物語に聞こえるだろうか? しかし同社には実績がある。計測/テストや制御のアプリケーション分野で、同社はこのコンセプトを体現してきた(図1)。その積み重ねは25年にも及ぶ。そして同社は今、そのコンセプトの適用領域を、さまざまな分野のシステム開発一般へと大きく広げつつある。

図1 頭の中のグラフィカルなアイデアをそのまま記述できる開発環境 ナショナルインスツルメンツが提供するグラフィカル開発環境「LabVIEW」を使えば、直感的な記述でテスト/計測や制御のアプリケーションを開発できる。

同社が開催するテクニカルイベント「NIWeek 2011」(2011年8月2~4日に米国テキサス州オースチンで開催)では、創業者でプレジデント兼CEO(最高経営責任者)を務めるJames Truchard氏が初日の基調講演に登壇し、25年にわたる「グラフィカル開発」の変革の歩みを振り返るとともに、新たな「グラフィカルシステム開発」時代の幕開けについて語った(図2)。続いて、テスト/産業組み込み製品のマーケティング担当バイスプレジデントを務めるEric Starkloff氏がステージに登場し、Truchard氏が示した展望の具現化を加速する数々の新製品を発表した。

図2 NIWeek 2011のオープニングスピーチに立つJames Truchard氏 ナショナルインスツルメンツの創業者であり、現在はプレジデント兼CEOを務める。

テクノロジの主役は半世紀弱で交代を繰り返す

CEOのTruchard氏はまず、同社がこれまで主軸を置いてきた計測分野におけるグラフィカル開発の歴史を振り返った。

同氏は、ナショナルインスツルメンツの他の創業メンバーとともに大学で研究に携わっていた1960年代、ソナートランスデューサのテストシステムを開発した。そのシステムは、デジタイザ(A-D変換器)と複数台のコンピュータからなり、音響計測の多チャンネルの信号をデジタイザでデジタルデータに変換し、それをコンピュータに取り込んでソフトウェア処理することで最終的な計測結果を算出する仕組みだった。システム全体の制御もコンピュータが担っており、その制御内容もソフトウェアで設定する。これが、ソフトウェアによって計測ハードウェアの処理内容を定義するという同社のコンセプトである「Virtual Instrumentation(仮想計測器)」の出発点になったという。

さらに同氏は、計測器を実現するテクノロジの変遷を1920年代から現在にわたって俯瞰してみせた。1960年代の半ばまでの半世紀弱の間、汎用計測器のメーカーとして圧倒的な地位を誇ったのはGeneral Radioで、その製品には真空管が使われていた。それ以降は、計測器にトランジスタと集積回路を活用する時代へとシフトする。その時代に主役の座に就いたのは、Hewlett-Packard(現在のAgilent Technologies)などのメーカーだった。そしてまた半世紀弱が経過した現在、新たな技術潮流が進行中だと同氏は指摘する。すなわち、真空管やトランジスタといったこれまでのハードウェアに取って代わり、計測器を構築するテクノロジとしてソフトウェアが舞台の中央に躍り出た。「携帯電話機でもタブレット端末でも、いまや世の中のさまざまなデバイスにおいて、その中央に据えられているのはソフトウェアだ。それと同じように、当社は計測の分野でソフトウェア化に注力している」(同氏)。

ハードウェアの進化がグラフィカル開発を具現化

処理内容をソフトウェアで定義できるハードウェアを用意する。併せて、そのソフトウェアをグラフィカルに開発できる環境を整える――。ナショナルインスツルメンツはこの両輪で、計測システムをグラフィカルに開発する手法の実現に取り組んできた。「まず、ソフトウェアでできることは全てソフトウェアで実行する。そして、ソフトウェアが対応できない残りの部分をハードウェアが担うという考え方である」(Truchard氏)。

この思想に基づく仮想計測器のコンセプトを推し進めるに当たって、同社が生み出したグラフィカル開発環境が「LabVIEW」だ。バージョン1.0の投入は1986年にさかのぼる。「かつて金融アナリシスの分野で、表計算ソフトウェアが旧来のプログラミングに取って代わった。それと同じ変革を、計測/テストの分野で起こすことが狙いだった」(同氏)という。

両輪のもう一方、すなわちハードウェア面では、LabVIEWで記述した信号処理や制御のアルゴリズムを実行するソフトウェア定義のプラットフォームとして、モジュール式の計測ハードウェアを開発した。ムーアの法則に沿って性能の向上が続くCPUやFPGAを積極的に活用することで、計測ハードウェアとしての性能を高めるとともに、形状の小型化も進めてきた。

もう1つ、ハードウェアの進化を振り返る際に見落とせないのが、アナログ信号の形態で取得した実世界の情報をコンピュータ環境に取り込む、A-D変換を受け持つデジタイザだ。これはソフトウェアでは対応できない、ハードウェアでしか担えない処理である。同社は1990年代初期から、デジタイザとソフトウェアを組み合わせる取り組みを本格化させた。仮想計測器では、デジタイザの性能が、構築可能なシステムの範囲を制限する要因の1つになる。「今日に至るまでの20年間、従来型計測器と仮想計測器それぞれの適用可能範囲のギャップを埋めることに取り組んできた。そして、今やほとんどの領域で同等の性能を達成し、一部の領域では従来型をしのぐ性能すら提供できるようになった。いよいよ、計測の手法を変革するという狙いを果たせる時がきたと感じている」(同氏)(図3)。

図3 デジタイザの性能が旧来型計測器に追いつく アナログ信号を取り込むデジタイザの性能は年々進化している。この図では、横軸に捕捉可能な信号の速度(サンプリング周波数)、縦軸に精度(分解能)をとり、1995年と2004年、2011年それぞれの時点における性能をプロットした。この2軸で表すほとんどの領域において、旧来型計測器(赤色の実線)に匹敵する性能を達成していることが分かる。高周波の領域では、最近買収したPhase MatrixのRF計測用モジュールを組み合わせることで、旧来型計測器をしのぐ性能を実現している。

次の四半世紀はシステム開発の全工程にコンセプトを拡張へ

このようにLabVIEWの登場以来25年にわたって進めてきた変革の歴史を振り返ったTruchard氏は、続いて、これからの25年を見通す展望を披露した。「計測の分野でLabVIEWが提供してきたグラフィカル開発の手法を、システム開発の領域にも拡張していく」(同氏)という展望である。エネルギーや環境の監視や、各種の組み込み機器やロボット、産業制御などの幅広い分野において、LabVIEWとソフトウェア定義のハードウェアからなる共通の開発プラットフォーム上で、旧来の計測/テスト工程に加えて、最上流の設計から試作、実装に至る一連の工程にも対応できるようになるという。すなわち、「グラフィカルシステム開発」である。

同氏によると、グラフィカルシステム開発とは、LabVIEWを中核とするオープンなエコシステム上に構築されるプラットフォームベースの手法だという。つまりユーザは、ナショナルインスツルメンツやサードパーティ企業が提供するさまざまなソフトウェアとハードウェアの構成要素を、LabVIEWを使って自在に統合し、独自のシステムを作り上げることができる。「応用分野が何であれ、まずそのソリューションを実現するソフトウェアをLabVIEW上で作成し、次にそのソリューションの要件に応じて、実装に必要なハードウェアを選ぶ」(同氏)という同じ流れで、グラフィカルに開発を進められるという(図4)。

図4 オープンなプラットフォームでソフトもハードも自在に統合 LabVIEWを中心に据えたプラットフォームでは、NIのみならずサードパーティ企業が提供するソフトウェアやハードウェアも単一のグラフィカル環境で自在に統合することができる。

1つの例として同氏は、再び計測アプリケーションを取り上げた。高周波スペクトラムアナライザを例に挙げ、まず仮想計測器のメリットを次のように説明した。「以前のスペクトラムアナライザはアナログ部品で構成されていた。アナログ部品は安定度が比較的低く、使いこなしが難しい。複雑な校正も必要になる。そのため、できあがった計測器は高価な上に特定の用途にしか対応できなかった。一方、当社の仮想計測器では、RFダウンコンバータとデジタイザをフロントエンドに設けておき、それ以降の処理は全て、CPUとFPGAのハードウェア上で稼働するソフトウェアが実行する仕組みだ。再利用性が非常に高く、さまざまな無線通信規格に同じエコシステムとプラットフォームで対応できる。そして、多大な労力を費やして構築した単一用途に特化したシステムよりも、高い性能を提供できるようになっている」(同氏)。

さらに同氏は、高周波システム開発の領域でも、同社が掲げるグラフィカルシステム開発のコンセプトを実現する取り組みを進めていると話した。具体的には、最近買収して子会社化した、高周波部品/システムの設計用ソフトウェアツールを手掛けるApplied Wave Research(AWR)と共同で、高周波領域の設計とテストを連携させる準備を進めているという。「高周波システムの開発では、設計とテストを何度も繰り返す必要がある。部品の配置などが特性に大きく影響するからだ。当社は高周波の設計とテストの工程を緊密に統合することで、ユーザが開発をスムーズに進められる環境を提供する」(同氏)。また同氏は、この取り組みの一環として、高周波信号の高速ストリーミング演算処理をグラフィカルに開発できるLabVIEW用アドオンモジュール「LabVIEW DSP Design Module」を用意し、ベータ版の提供を既に始めていることについても触れた。

コンセプトを具現化する新製品や事例が続々お目見え

Truchard氏に続いてステージに上ったEric Starkloff氏は、グラフィカルシステム開発のコンセプトを具現化する新たな製品や、既存製品を応用した事例を次々に発表していった。なお同氏は、前述の通り、ナショナルインスツルメンツでテスト/産業組み込み分野の製品マーケティング担当バイスプレジデントを務めている。

先にTruchard氏が例に挙げた高周波システム開発の領域では、テスト/計測を加速する新製品を発表した他、グラフィカルシステム開発の事例などを紹介した。

新製品は、計測周波数の上限が14GHzと高いベクトル信号アナライザ(VSA)「NI PXIe-5665」である。同社従来機の上限周波数は6.6GHzだったので、2倍以上に向上した。変調解析の帯域幅は最大50MHz。3次相互変調歪み(TOI)が24dBmと、高い線形性を確保した他、±0.10dBの振幅確度と0.33%の変調精度(256値のQAM変調信号に対して)も実現している。この新型機の特長の1つは、計測速度が非常に高いことだ。ステージでは、Agilent Technologiesの箱型計測器で26.5GHzに対応するシグナルアナライザの「N9030A PXA」と速度を比較するデモを披露してみせた(図5)。

図5 高周波計測の所要時間が大幅に短い 新型機のNI PXIe-5665とAgilent TechnologiesのN9030A PXAを使って、隣接チャネル漏洩電力比(ACPR)を同一条件で計測し、所要時間を比較した。その結果、NIの新型機が29msで済んだのに対し、AgilentのN9030A PXAは431msを費やしており、新型機の方が約15倍も高速だった。さらに、NIの新型機では、ACPRの計測時に必要なFFT処理や平均値処理を、構成モジュールに内蔵したFPGAを使ってハードウェア上で実行する試みも披露し、所要時間を1.7msまで短縮できることも見せた。約250倍の高速化に相当する。
高周波アプリケーションにグラフィカルシステム開発を適用した事例として紹介されたのは、NI製品を使って構築した高周波送受信システムで、次世代の無線通信規格「LTE Advanced」の基地局を模擬するものだ。8×8チャネルのMIMO(Multiple Input Multiple Output)を適用している。システム全体の開発にかかった工数はわずか6人月だという。MIMO信号の複雑な復調アルゴリズムなどを設計する工程の短縮に、LabVIEWが大きく貢献した。設計を担当した同社のエンジニアは、「8×8チャネルもの複雑なMIMO復調アルゴリズムを、もしテキストベースのHDL/RTLで記述すれば、その規模は100ページも及ぶだろう。今回はLabVIEWとアドオンのLabVIEW FPGAモジュールを使って記述したので、数十個のグラフィカル関数ブロック(VI)を組み合わせるだけで済んだ」と語っていた。

パワーコンバータの開発に向けた最高速HILシミュレータが登場

この他に基調講演のステージで注目度が高かったのが、スマートグリッドをはじめとするエネルギー関連アプリケーションのデモや事例である。中でも、スマートグリッドに太陽光発電や風力発電といった再生可能エネルギーを取り込む際にカギになる、パワーコンバータの開発にグラフィカルシステム開発のコンセプトを適用した事例が興味深かった(図6)。ナショナルインスツルメンツが米国立再生可能エネルギー研究所(NREL:National Renewable Energy Laboratory)と共同で進めているプロジェクトだ。

図6 パワーコンバータにグラフィカルシステム開発を適用 再生可能エネルギー源が出力する直流電力を三相交流電力に変換するインバータの開発に、グラフィカルシステム開発のコンセプトを適用した。左下にあるのが、試作の工程で使ったHILシミュレータのシステム。NIのリアルタイムコントローラ「NI CompactRIO」にパワースイッチの制御アルゴリズムを搭載し、その制御対象となるインバータの動作をPXIシステムでリアルタイムに模擬している。右下のケースに収まっているのは、量産向けの実装例で、インバータのコントローラにNIシングルボードRIOの新機種を用いている。

この事例では、再生可能エネルギー源が出力する直流(DC)電力を三相の交流(AC)電力に変換して電力網に流し込む、大電力インバータの開発にグラフィカルシステム開発の手法を適用した。具体的にはこうだ。設計の工程では、LabVIEWとLabVIEW FPGAモジュール、LabVIEW Real-Timeモジュールを活用し、インバータのパワースイッチング素子(IGBT)の制御アルゴリズムをグラフィカルに記述して、リアルタイムコントローラに実装した。ここでリアルタイムコントローラとして用いたのは、NIの「CompactRIO」である。それもNIがこの基調講演のステージで発表したばかりの新機種で、Intelのデュアルコアプロセッサ「Core i7」を採用し、極めて高い処理性能を達成した製品だ。

試作の工程では、このコントローラを、NIのPXIシステムを使って構築したHIL(Hardware in the Loop)シミュレータに接続して、制御アルゴリズムを検証した。このHILシミュレータは、再生可能エネルギー源とインバータ、三相交流システムからなる系の動作をリアルタイムに模擬することが可能だ。NIによると、1秒当たり300万サイクルの速度でシミュレーションを実行できるという。インバータ用のHILシミュレータとしては、市場で最も高速だと主張する。全ての演算とシミュレーションをPXIシステムが内蔵するFPGAに実装したハードウェアで実行することで可能になったと説明した。従来は、このような高速のパワースイッチングをリアルタイムにシミュレーションすることは極めて難しかったという。

さらに、こうして検証したインバータの量産に向けて、最終製品にそのまま組み込める小型・低コストのコントローラ「NIシングルボードRIO」の新機種「NI sbRIO-9605/06」も用意した。400MHz動作のプロセッサと、FPGAを搭載する他、量産システムへの組み込みに最適化したNI独自のRIOメザニンコネクタ(RMC)を備えることが特長だ(図7)。

図7 シングルボードRIOの歴代最小品が登場 「NI sbRIO-9605」の外観である。10.3cm×9.65cmと小さく、ナショナルインスツルメンツがこれまで製品化してきたシングルボードRIOの中で最小サイズだという。256Mバイトの不揮発メモリと、128MバイトのDRAMを搭載する。

このようにNIWeek 2011では、基調講演でのスピーチやデモを通して、グラフィカルシステム開発の展望と、それを具現化するハードウェア/ソフトウェア製品の進化が明らかになった。ムーアの法則を追い風に、テクノロジの進展は今後も続く。その恩恵を受けることで、ナショナルインスツルメンツが次の25年のビジョンとして掲げるグラフィカルシステム開発はますます適用範囲を広げていくだろう。かつての夢物語が現実になる日は、そう遠くないかもしれない。

 

EETIMES Japan の記事を許可を得て掲載しております。

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