在這種新的形式下，系統思維和軟硬件的緊密結合對創(chuàng)新者的脫穎而出起到了決定性的作用。即使在產品交付到消費者手中之后，也必須保證這些產品可以不斷更新和優(yōu)化，這就要求傳統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鏈解決方案專家可為產品設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)性和復雜性。所以在重新思考產品策略和側重點之前，首先需要了解這一科技變革的基礎。

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目，約每隔18個月便會增加一倍，導致產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)電力電子技術的革命，即利用半導體器件切換高電壓和大電流。

這一革命影響了我們如何控制和轉換電力，小到iPhone充電器，大到在電網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，這也為眾多應用帶來了益處，例如磁盤驅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，半導體材料、加工方法和制造與包裝技術就在不斷進步。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)、新的轉換器拓撲結構和變頻傳動裝置使用的矢量控制和直接轉矩控制，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。設計師只需幾美元就可以通過電子系統來記住車內座椅的位置，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)動機進氣量的質量流量傳感器的數據，設定汽車的空燃比;也可以使用曲軸位置傳感器和發(fā)動機轉速值來計算汽車的最佳點火時間點。以往進行這種復雜響應的傳統模擬控制設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。而數字化的設備則容易量產，甚至可通過微調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濟性和汽車總體性能領域取得的某些重大進展可謂功不可沒。

軟件可以實現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)的目的是釋放車內氣壓，而且也有助于達到最佳的關門效果，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。由于燃料經濟性標準的改變，汽車行業(yè)正在用電力取代發(fā)動機驅動的機械和液壓負載。例如，皮帶驅動的液壓泵轉向會持續(xù)消耗發(fā)動機的功率，但電動助力轉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，都依賴于復雜的電力電子器件。

很多在不久前我們還無法想象的應用，現在已經通過軟件控制的電力電子器件得以實現。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的空調。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、起落架收放和制動等關鍵子系統中，波音用電動子系統取代了傳統的液壓和氣動系統。類似于汽車中的助力轉向，飛機中的這些子系統僅在需要時才會消耗發(fā)動機的功率。而且，電氣系統的重量也小于遍布管線的液壓系統。

由于787中配備了這些電動系統，它可以加入許多通過軟件控制的新功能，例如自動滾轉和偏航補償?？湛鸵矊350 XWB進行了同樣的設計，其中基于軟件的飛行包線保護系統可防止飛行員錯選危險的飛行設置。隨著設計人員不斷開發(fā)出更多的線控系統功能，在汽車等領域的消費者產品中很快將會出現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，這也促使設計師相繼推出越來越多可幫助我們測量現實和數字世界的傳感系統。正如我在《哈佛商業(yè)評論》中提到的那樣，其結果就是推進更多的傳感器的生產，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商不斷學習新的技術，所以現在他們可以以極低的成本在各種設備中加入傳感功能，例如汽車的后視、側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備的爆炸式發(fā)展。我們每天都會看到創(chuàng)新應用的出現，但毫無疑問，最好的應用還未來臨。

提高虛擬化程度

在運動控制和傳感方面，軟件的開發(fā)變得越來越復雜，工程師們采用了更加先進的控制設計，包括實時軟件開發(fā)和在系統設計中發(fā)揮關鍵作用的模擬工具。為了了解軟件專家如何在復雜的狀況下使用所有這些新技術，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，讓產品設計師在更高、更創(chuàng)新化的水平提出概念，而不用過多地關注細節(jié)。提高虛擬化可讓他們使用各種組件來開發(fā)產品，可以定制和快速部署這些組件，這些組件也可以被單獨、反復地應用到其他系統中。

所以，如果一位設計師的產品需要連接互聯網、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計。iPad就是一個很好的例子，它為那些以計算機為系統控制器的硬件制造商提高了抽象度?，F在各種新的銷售點系統或遠程控制系統都在使用iPad，這也在部分程度上表明虛擬化的便利和優(yōu)勢。

在復雜度不斷上升且比較狹窄的一些領域，我們也看到了這樣的趨勢。半導體公司現在有“設計代工”合作伙伴來定制工作流程，簡化芯片設計，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的必要性。因此，這些企業(yè)可以更高效地生產聯網的可穿戴設備、車載信息服務系統、聯網的恒溫器和其它硬件。可以說在更高的抽象度環(huán)境下，只要真正地了解了數字世界與現實世界是如何融合在一起，幾乎任何人都可以開發(fā)出一種新的數字產品。

對于產品設計的意義

我在《哈佛商業(yè)評論》中寫到過，根據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對這一趨勢將對它們的供應商網絡所產生的影響，但產品設計師必須認識到，對于他們所做的的設計來說，軟件就像產品本身一樣重要。

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與汽車控制或動力傳動系統之間設立了虛擬防火墻。隨著長期聯網的系統越來越多，設計師從一開始就需要考慮安全的問題。