硬體創業設計須知:如何避開地雷

隨著 IoT 浪潮的興起,以往以軟體為主流的創業圈也多了許多硬體新創的團隊。台灣有著三十年輝煌的電子業傳承,累積了大量的人才和技術,但由於缺乏宏觀的訓練,以及多年來代工導向的企業文化,使得許多原來在電子大廠練就一身武藝的高手,赤手空拳出來打天下時,反而走得跌跌撞撞。

接下來我想寫一系列的文章,聊聊硬體創業團隊可能會面臨的困難,和我經驗中的可能解決方法。

創業沒有捷徑,沒有保證班,更沒有公式。每個成功的創業者都是獨一無二的,因此沒有人能告訴你「怎麼樣做才能成功創業」。犯錯其實是創業過程中最好的學習,而這裡分享的,就是我所犯過的錯。

(我已經在2016年2月辭去原來的工作,加入AppWorks。雖然這不是我人生中第一次加入創業,但在這不惑之年放棄幾近退休的生活並展開這段全新的旅程,和我當年草創網京與藍牙奮戰時的心境,並無二致。)

硬體創業最大的不同:燒掉的是實體物品

硬體創業和軟體創業最大的不同,就是你最終一定得燒掉某些實質的、看得到摸得到的東西,然後把產品做出來。

軟體創業者如果把東西做壞了,燒掉的就是團隊的時間、精力、也許還有些雲端主機的費用,但是不會有任何的樹因你失敗而倒下。但硬體創業者如果把東西做壞了,你會為地球製造出一堆垃圾,而且,多半是很毒又不可回收的垃圾。

開出來不會動的IC和打出來不會動的電路板,對這個世界是沒有價值的,連拿去填海都要擔心汙染海洋。因此相較於碼農,硬漢其實是種比較不環保、對環境衝擊又大的生物。如何做個環保一點的硬漢,就是我們這次要聊的話題。

搞清楚你要做什麼東西

要避免做出沒有用的東西,第一件事就是要先搞清楚要做出什麼東西。在傳統製造業中,這個過程就是「規格制定」。

以前你有PM幫你訂規格,現在你要自己訂規格。以前你可以嫌PM沒有腦袋不會訂規格,現在你要對自己訂的規格負責。

當你有一個想法要變成產品時,在真正動手前,一定要先確定這個東西做不做得出來。沒有人可以保證什麼東西一定做得出來,但是很多時候你可以經由一些研究,確定某些東西大概不可能做得出來,或是在可控的資源之下能不能做出來。想做的東西不見得是實際的,因此經由feasibility study將想做的東西變成一個合理的規格,並將它做出來,是一個很重要的過程。

硬體設計開發流程。

硬體設計開發流程。

這是一個經過簡化的、典型的產品開發流程。在理想情況下,你應該可以順著每個階段的箭頭一路往右走,debug結束後產品就做出來了。

但世事難料,在我這麼多年的職業和創客生涯當中,我從來沒看過哪個產品可以從頭到尾,一路勇往直前走到底的。路上總是有一些大大小小的石頭,逼著我們把它們搬開、繞過它們、或是把它們炸了。

最常見的就是開始做設計之後,發現東西因為某些工程上的困難,甚至工程上的不可能,而設計不出來,只好回頭檢討規格。更慘一點的就是設計做完了,開始進入真正燒錢的實作階段 (板子送洗送打了,模具開下去等等),才發現產品實作有窒礙難行的地方,一樣得回頭找別的路走。

在這裡有一個非常重要的原則:絕對不要直接修改規格。任何牽動到規格變更的事,請你回到study那個階段,重新study一次。

做好study

制定規格之前,我們要做兩個很重要的study:requirement study(需求研究)和feasibility study(可行性研究)。

需求研究:客戶想要什麼

需求指的是你的目標客戶想要的是什麼,有些東西沒經過requirement study,你不會知道原來你夢想中的完美產品,在你認為的客戶眼中其實只是一團屎。

Requirement study可以幫助你在真正丟錢丟材料下去燒之前,先確定這樣做值不值得。

可行性研究:東西到底做不做得出來

如果requirement study是對你的客戶負責,那feasibility study就是對你自己負責。經由feasibility study,你可以在真正投入設計資源之前,先排除一些因為工程上的不可能所導致的失敗。

雖然所有的工程可行性問題通常會在設計階段浮現,但盡可能地在早期做好可行性評估,可以省下不少繞路的時間。

在產品設計前期做好可行性評估,就能避免很多錯誤的發生。

舉個例子來說,假設你的產品有電池,電池容量的估測,就是一開始最應該做的事。整個裝置的耗電基本上可以由主要元件的datasheet上得知,輔以基本的軟體行為模型,即使再複雜的動態系統也可以做初步的功耗評估,進而避免開出不可行的無厘頭規格。

比如說,你要做一個穿戴式裝置,要用1.2吋的OLED panel當做顯示器,可用的最大電池容量是120mAh。目標規格是這裝置要可以連續使用24小時,而且螢幕時時刻刻都得亮著,那我們就可以簡單算出:如果OLED panel的平均耗電高於5mA的話(OLED 面板的耗電是動態的,點亮的像素愈多,吃的電也愈多),這個系統是不可能做出來的。

通常查閱 datasheet 你可以知道你想用的OLED panel吃多少電;如果真的不知道的話,簡單做個實驗把它點起來,用電流表量一下也可以。

事實上在這個例子裡,有經驗的人可能知道,至少到目前為止,世界上還沒有只吃5mA的 OLED panel。這個尺寸的單色OLED面板,吃電的行情在25mA到50mA左右,因此簡單的估計就可以告訴你,這樣的裝置實務上是做不出來的。

而且,我們還沒計算系統中其它零件的功耗呢。有些東西的功耗小到可以忽略 ,如accelerometer(加速度感應器),通常在幾百個μA左右;但也有些東西胃口很大,像是GPS晶片,正在tracking的時候耗電10–20mA跑不掉。這些都可以透過先期調查得知。

千萬不要等到東西都設計好也做出來了,才發現你的OLED面板開著開著,三小時就把電池榨乾了。

處處是陷阱

在規格制定和設計的過程當中,處處是陷阱;事前的考慮越周詳,越能降低你可能掉進陷阱中死掉而要重頭來過的機率。

常見的陷阱有:

  • 電池容量和耗電:這我們已經在前面舉例說明過了,但也是我最常看到有人掉進去的洞。盡可能的精確估算,甚至做實驗,對於避免這個問題會有很大的幫助。

  • Layout和組裝密度:板子要做幾層?需不需要盲埋孔?全部的零件擠得進機構訂出來的板框嗎?雖然PCB layout並沒有真正非常系統化的方法可以做密度估計,但事前盡可能用placement等方式模擬,總比走線走到快完成時才發現最後2%的走線怎麼樣都走不完要好。

電路板的走線是門學問。
電路板的走線是門學問。
  1. 天線:RF的工程是門藝術,天線又是其中最難捉摸的一門。如果你的產品用到天線,請務必諮詢RF專家,避免犯一些RF設計上的天條,像是該接地沒接地,該挖開沒挖開等等。IoT的專案多半使用2.4GHz ISM頻段的天線,這是一種相對窄頻的天線,工作頻率是2402–2483MHz,頻寬不到 100MHz,算是很好掌握的,不難請教到有經驗的人。如果你要用到WCDMA或LTE的天線,那就是另一回事了,因為WCDMA或LTE都有很多工作頻段,天線的頻寬非常寬,相對來說設計難度是蠻高的。

GSM模組的天線設計例。
GSM模組的天線設計例。
  1. EMI(電磁干擾):並非只有RF產品才會有EMI的問題。現在Cortex-M的處理器隨便都可以跑上100MHz,這已經是FM廣播的工作頻率,理所當然也都進入各國EMI法規的管理範圍;而如果你有用到交換式DC-DC電源,現在很多小型化的交換式DC-DC都工作在1MHz甚至更高的交換頻率,電感的擺位或 layout不好的話,EMI的惡夢可能也會找上門。

  2. ESD(靜電放電):請記住,如果你的產品有任何裸露的金屬部份,不管它跟電路有沒有連接,在做ESD驗證時都會是槍靶。請你從一開始設計就要把這件事放在心上,而不要等到ESD打不過時才去想要怎麼加TVS二極體。

外包的美麗與哀愁

硬體是一個高度分工的產業,這對新創團隊來說是一個有點難度的進入障礙。你不太容易在一個兩三人的團隊中湊齊電路、機構、光學、軟體、製造甚至其它專業的人力,更不用說光是電路這一行又細分成RF、數位、電源、高速等一大堆不同的專業,就像軟體也分成firmware、app、網站、PC等不同領域。雖然張無忌學了九陽神功之後學什麼武功都很快,甚至可以在幾個時辰內就學會乾坤大挪移,但這種不世出的練武奇才畢竟是少數。

因此,當團隊缺乏需要的專業人才時,外包是一個必要的手段。我並不反對新創團隊使用外包資源,但有個「二不一沒有」的原則應該遵守:

  • 核心競爭力的部份不外包:核心競爭力應該就是你出來創業的重要原因之一,也是你相信你自己的產品比別人做得好的關鍵。因此這個部份理論上要自己做才做得好,否則出來創業的應該是你的包商,而不是你。

  • 開不出規格的東西不外包:要發工作出去,一份可以白紙黑字寫下來的規格是溝通的基礎,也是驗收的關鍵。如果你連規格都開不出來,你要怎麼告訴你的包商要做什麼呢?

  • 天下沒有白吃的午餐:不管你是濫用朋友、前同事、同學的資源,還是規規矩矩上分類廣告找承包商,該付的報酬還是要付。生意不是只做一次,台灣的業界是個很小的圈圈,一定遇得到。

如果你能做到以上三個原則,將設計工作發包出去,可以讓你專注在核心部份的研發,對團隊來說絕對是好事。

結語:謀定而後動

說了這麼多,其實只有一個原則:盡可能把時間花在事前的規劃、調查、研究,而不要事後去補救。事前的規劃越完整,動工之後的意外就越少。

「上醫醫未病,中醫醫欲病,下醫醫已病」,做產品設計也一樣。祝大家都做出自己驕傲,客戶喜愛的好產品。