Когда всё дело в количестве. Нелинейная арифметика больших партий электронных устройств

Мечта любого разработчика независимо от опыта и сферы деятельности — сделать проект для крупной компании, который выйдет в массовое производство. Даже если не получится разжиться с этого серьёзными дивидендами сразу, то впоследствии такой проект будет вашей визитной карточкой. Переход от макетного образца к изделию, выпускаемому серийными партиями очень сложный процесс, особенно для тех кто проходит его первый раз. Особенно для изделия, имеющего сложную электронную начинку. Вероятность успеха такого проекта сильно увеличивается в случае, если и проектировщик и инвестор хорошо осознают все шаги на предстоящем им пути.

Двигаясь от опытного образца к серийному изделию мы попадаем в область действия “нелинейной математики” с большим количеством факторов, которые необходимо учитывать чтобы правильно рассчитать объём вложений. Данный вывод кажется очевидным, но на практике я часто сталкиваюсь с любовью к недопустимым упрощениям в расчётах. В дальнейшем приводит к серьёзным финансовым проблемам, трениям в команде, зачастую финалом становится крах проекта.

На прошлой неделе я получил от заказчика просьбу рассчитать себестоимость изготовления опытной партии на сто изделий и стоимость выпуска из расчёта десяти тысяч изделий в год. Ну с сотней то я разобрался достаточно быстро хотя наверное тоже погорячился, а вот по поводу второй части сильно задумался. Дело усугублялось ещё и тем, что устройство не относится к числу элементарных и даже в минимальной комплектации содержит в своём составе 49 плат, почти половина из которых является активными содержит в своём составе микроконтроллеры. И это не считая покупных модулей.
Невозможно вычислить себестоимость производства 10 000 штук просто умножив стоимость образца на количество, а затем на коэффициент удешевления комплектации при закупке большими партиями. Даже с себестоимостью создания опытного образца мы ошиблись чуть ли не в два раза, правда во многом благодаря тому, что расчёты делали до обвальной девальвации.
В сжатые сроки мне предстоит подготовить материал, в котором придётся убеждать заказчика, что себестоимость одного макетного образца, опытной партии из сотни изделий и промышленного производства десяти тысяч изделий в год — совершенно разные вещи. Данная статья стала побочным итогом подготовки материала для моего общения с заказчиком.

Какие факторы необходимо принимать во внимание для того, чтобы рассчитать себестоимость изделия при производстве подобными тиражами? Как с одной стороны не испугать заказчика слишком высокой ценой, с другой не вводить его в заблуждение неоправданно низкой? Вклад буквально каждого лишнего цента в себестоимость одной платы, возрастает многократно при подобных объёмах и стремится к размеру моего сегодняшнего месячного дохода, поэтому данные вопросы имеют очень большое значение.

Пожалуй первое, что необходимо учесть — схема вашего опытного образца может более того, при правильном подходе даже должна весьма сильно отличаться от схемы серийного устройства. Как-то само собой обычно получается, что она представляет из себя изначально что-то вроде модного нынче термина — MVP.

Родимые пятна разработки.

Были времена, когда я первый раз взялся за устройство содержащее в себе с виду простую, но как выяснилось позже, достаточно каверзную аналоговую часть. Четырнадцать лет уже прошло, а как сейчас помню — была это микро АТС с питанием от телефонной линии. В те времена изготовить даже двухстороннюю плату стоило достаточно дорого и занимало много времени, поэтому прототипы паялись на макетках. Странно, но оставшиеся от этого слепыша куски до сегодняшнего дня пылятся на дне одной из моих коробок, а вот ни единого серийного экземпляра этого устройства у меня не сохранилось. Как вы наверное уже догадались, через некоторое время на макетке всё замечательно заработало, анонс устройства вызвал жгучий интерес у потенциальных продавцов и, несмотря на мои протесты, начальство приняло силовое решение об изготовлении опытной партии в сотню штук и немедленной передаче её в продажу. Однако при первом же включении вся партия собственных устройств начала глючить совершенно безбожным образом. Мы со старшим товарищем в смысле опыта в аналоговой схемотехнике и телефонии начали разбираться.
Вскоре всплыли очень любопытные вещи. Во-первых, я применил в схеме стабилитрон в режиме стабилизации микротока. Образец на опытной плате работал замечательно, а вот на партии пошёл жуткий разброс напряжения стабилизации в этом нештатном режиме работы. Во вторых, в процессе трассировки я разместил переходное отверстие в очень неудачном месте узла генератора микротока. Дело усугубилось несовершенством технологий производства печатных плат в те времена — переходные отверстия в данной партии плат имели аномально большое сопротивление. Результатом стал очень высокий уровень наводок в цепях аудиотракта.
К чему я рассказал эту байку? К тому, что разработка сегодня обычно ведётся в режиме “всё надо сделать вчера”. Пока энтузиазм заказчика не иссяк и вас не опередили конкуренты необходимо выдать на гора опытный образец, который можно продемонстрировать инвесторам и отправить на сертификацию. В ходе такой гонки очень трудно да и в большинстве случаев не слишком надо на первом этапе учесть абсолютно все нюансы. Особенно если тема сложная, устройство оригинальное, а разработчик не имеет богатого опыта в данной области.

Между лебедем и раком.

Прежде чем начинать разработку я всегда интересуюсь у потенциального клиента по какому параметру будем её оптимизировать. Минимальной себестоимости/технологичности изготовления конечного изделия, или времени/стоимости самой разработки?
Когда цель стоит в создании уникального устройства в единственном экземпляре, или в количестве нескольких штук, имеет смысл оптимизация по второму параметру. То же самое, если необходимо в самые сжатые сроки представить рабочий образец. В этих случаях оправдано использование готовых решений и модулей. Если образец пришёлся заказчику по душе и он готов приступить к производству изделия крупными партиями, то скорее всего придётся искать им замену.
Например, в моём случае, для образца вполне логично было использовать панельный компьютер вместо монитора и тонкого клиента, а для связи с ним применить готовый Ethernet модуль.

В ходе тестирования макетного образца часто выясняется, что ему не хватает каких-либо функций. Обратное тоже верно, ведь не редко во время изготовления прототипа устройства как заказчик так и разработчик пытаются закладывать избыточные возможности, поскольку заранее трудно предугадать, что потребуется допиливать по ходу испытаний. В ходе злополучной разработки уже упомянутой выше микро АТС мы пренебрегли этим правилом и заложили в схему весьма популярный в то время PIC микроконтроллер 16C622. У этого микроконтроллера был только один недостаток — в линейке микрочипа не существовало pin-to-pin совместимых с ним микроконтроллеров, имеющих больший объём памяти программ. По ходу работы над проектом выяснилось, что основываясь на нашем схемном решении можно реализовать большое количество удобных функций. Теоретически, если бы я не упёрся при написании кода в потолок памяти программ в два килослова. Произошло это быстро и программирование после этого превратилось в бесконечный процесс оптимизации кода с целью поиска порой всего нескольких лишних байт.
Таким образом, существует очень большая вероятность того, что принципиальная схема, даже хорошо работающего образца, будет подвергнута глубокой модификации в процессе перехода к серийному изделию.

Оптимизировать можно не только медицину, но и закупки!

В своё время, ещё в роли бренд менеджера мне приходилось участвовать в крупных проектах, правда не в роли разработчика, а со стороны поставщика компонентов, и с тех пор я зарубил себе на носу, что при объёмах выпуска порядка полумиллиона плат в год значение имеет всё! Самая несущественная мелочь.



Стоимость электронных компонентов находится в самой непосредственной связи с объёмом закупок, поэтому стоит подумать над тем как:

• Первой жертвой оптимизации логично становятся готовые модули. Если нужен Ethernet, то переходим на микроконтроллер его поддерживающий. Если без него можно обойтись, то на менее производительный и более дешёвый интерфейс.
• Далее микроконтроллеры. Выбираем самую младшую модель из линейки, которая удовлетворяет нашим требованиям. Обращаем внимание не упустили ли вы из виду появление новинок ориентированных на бюджетные решения. В крайних случаях бывает оправданным даже переход на другую архитектуру — например на PIC вместо ARM.
• Сокращаем бренды. Когда количество закупаемых вами в год микроконтроллеров достигает нескольких тысяч, не говоря уже о десятках тысяч, под вас регистрируется проект у производителя компонентов с планом графиком поставок, по которому вы можете получить существенные скидки, порядка 30-40 процентов от цены продукта. Если же речь идёт о сотнях тысяч в год, то вы с РЫНКА попадаете на БАЗАР. Тут уже всё индивидуально. Оперируя подобными объёмами вы можете выторговать очень существенные скидки, как у производителя так и у дилера, но этот увлекательный процесс становится больше похож на игру в покер. Порой приходится блефовать, менять несговорчивых, или не слишком чистоплотных партнёров, оптимизировать логистику. Ещё один шаг по сокращению издержек — привязать к поставке микроконтроллеров поставку дискретных компонентов. Скажем, если вы покупаете микроконтроллеры от STM, то логично будет закупить и диоды от этой же фирмы, включить их в проект и потребовать на них распространение скидки.
• Плюсы проектной работы — низкие цены и отсутствие необходимости выбирать партии в сотни тысяч штук за один раз, а можно распределить закупки на год с учётом сезонности. Особо настойчивые могут даже договориться о поэтапной оплате поставленного товара. Минус пожалуй один — составленного графика придётся придерживаться. Производитель учитывает ваши потребности в своих производственных планах, поэтому, просто отказаться от очередной партии поставок не получится — нарвётесь на штрафы. Не получится и в два раза нарастить объёмы на лето в связи с ажиотажным спросом. То есть, прикупить то лишние 10 тысяч микросхем вы скорее всего сможете но скорее всего уже на рынке и вряд ли на них получится распространить вашу проектную спец. цену. Так что, к составлению планов поставок необходимо подходить с очень большой серьёзностью.
• Последний этап оптимизации — на номиналах. Имеет смысл уменьшать их количество до минимума и по возможности избавляться от экзотики, ибо на большие объёмы можно получить большие скидки, да и работать с меньшим списком комплектации всегда проще. Например, в качестве всех подтягивающих и открывающих транзисторы резисторов можно применить десятикилоомные и без ущерба для работы схемы подсократить разнообразие танталовых конденсаторов. Часто это бывает выгодно даже когда в низковольтных цепях приходится применять более высоковольтные конденсаторы, чем это требует напряжение питания.

Китайская стена или родные берёзки?

В глобальном мире как производство так и продажа вашего товара может располагаться в любой точке, не только нашей необъятной Родины, но и по крайней мере пока, земного шара. Что для Вас выгодней, зависит от огромного количества факторов. Рассмотрим некоторые из них, смело исключив фактор геополитики.

Производство в России.

В России имеет смысл производить материалоёмкий продукт не требующий слишком высоких технологий. Несмотря на то, что в последнее время в России стали появляться современные производственные мощности, способные предложить не плохие цены на изготовление как металлических, так и пластмассовых изделий, культура производства на них пока существенным образом отстаёт от западных. Сегодня цены на услуги наших производителей низки как никогда, однако имеют устойчивую тенденцию к плавному но неуклонному росту.
Стоимость монтажа больших партий плат на данный момент не слишком отличается от китайской, но вот с закупкой электронных комплектующих не всё так радостно. Вам придётся иметь дело с отечественными дистрибьюторами, которые привыкли к внушительным нормам прибыли. Самостоятельная закупка комплектации за рубежом не слишком удачная идея, поскольку наши таможенные правила очень сильно запутаны. Комплектующие разделены на огромное число категорий, на каждую из которых придётся заполнять отдельную декларацию. Результат — прямые закупки компонентов для сколь-нибудь сложного изделия превращаются в сущий ад.

Производство за Рубежом.

В сегодняшних условиях это будет скорее всего Китай. Если ваш продукт ориентирован в первую очередь на экспорт, то не колеблясь следует выбирать этот вариант. В противном случае, нужно учитывать минусы данного решения. Предоплату за товар придётся производить не только с учётом цикла производства, но и с учётом логистики. Малоприятные сюрпризы способна преподнести таможня. Авиадоставка дорога, а морской путь занимает очень много времени. Для полноценного контроля за производством и качеством полученного изделия необходимо держать своего представителя на производстве. Китайские товарищи — люди со своеобразным менталитетом и его стоит учитывать при заключении контрактов. У Китайцев оптимизация сидит в крови глубже, чем у наших чиновников. Никогда нельзя быть уверенным на сто процентов, что они не подошли творчески к доработке схемотехники вашего изделия в очередной партии.

И нашим и вашим.

Для многих изделий он сегодня предпочтительней. Отельные виды операций выгоднее осуществлять в России, а другие в Китае.

• Разработку электронных устройств сегодня выгодней производить в России. После почти двукратной девальвации рубля труд наших инженеров дешёв как никогда, в то время как зарплаты китайских растут как на дрожжах. Кроме этого, процесс разработки российскими инженерами гораздо проще контролировать. Вы гарантированно получите полный пакет документации и риск того, что результаты разработки уйдут налево быстрее, чем вы выпустите свой продукт, в этом случае многократно ниже.
• Создание опытного образца и даже партии тоже зачастую проще организовать в России. Да, это будет несколько дороже чем в Китае, но с учётом логистики и при правильном подходе быстрее.
• Создание сколь нибудь сложной пресс формы и подгонку под неё вашей трёхмерной детали выгоднее заказать у китайцев. Получится дешевле, качественней и, скорее всего, быстрее.
• Производство металлических изделий и литьё пластмассы средней степени сложности при сегодняшнем уровне цен в России обойдётся даже дешевле, чем в Китае. Время изготовления с учётом доставки будет ниже.
• Изготовление печатных плат и их монтаж, с учётом закупки комплектующих в большинстве случаев выгодно осуществлять в Китае. При этом, крайне желательно производить выходной контроль качества продукции на территории производителя. На этапе наладки производства настоятельно рекомендую держать в Китае личного представителя, в дальнейшем допустимо этот процесс перевести на аутсорсинг и доверить одному из многочисленных российских представителей в этих краях.
• Окончательное тестирование, программирование, настройку плат лучше производить в России, как впрочем отвёрточную сборку и выходной контроль готовых изделий.

Сопутствующие затраты.

Планируя организацию производства не следует забывать о накладных расходах, непременно возникающих в ходе его подготовки.
Во-первых, это сертификация, которая занимает приличное время и деньги. Чем сложнее и дороже продукт, тем большие проблемы это может вызвать. Так в нефтяной отрасли стоимость сертификации и опытной эксплуатации зачастую значительно превышает стоимость самой разработки.
Во вторых, организация мероприятий по осуществлению контроля за выпускаемой продукцией. При больших объёмах производства достаточно сложного изделия обязательным является процесс тестирования, как минимум, каждой платы входящей в комплект, отдельно и выходной контроль готового изделия, в целом, с использованием специально разрабатываемого стендового оборудования. Рекомендуется, насколько это возможно. автоматизировать процесс настройки и регулировки, чтобы свести затраты дорогого нынче рабочего времени до минимума. Но не это главное. Автоматическое или чаще автоматизированное тестирование сводит до минимума влияние человеческого фактора на выпуск сложной продукции и упрощает ведение отчётности. Так, в случае, если приборы требуют проведения калибровки, в ходе операции автоматического тестирования в базу данных прописываются загруженные в память микроконтроллера константы и настройки для данного прибора. Вы всегда будете иметь уверенность в том, что все необходимые тесты были выполнены в полном объёме, а операция ремонта/поверки, замены отдельным модулей сильно упрощается. Если по результатам такой проверки процент брака превышает предварительную оценку, тогда корректируется технология производства и запускается очередная пробная партия устройств. И так в несколько итераций.

Тестирование — это вообще отдельный и очень серьёзный вопрос, чтобы познакомиться с ним чуть подробнее рекомендую прочитать очень неплохую статью, опубликованную на Хабре.
Ну и наконец, на финальном этапе вам понадобится организация сервисцентра и отвёрточной сборки.

Итог. Упёрлись в пирамиду.

Надеюсь, я смог убедить вас, что если даже вы не являетесь поклонником разработки изделия на основе теории MVP, то в эволюционном процессе “макетный образец -> опытная партия -> серийное производство” схемотехника устройства обычно претерпевает значительные изменения. Часто подобные метаморфозы происходят и с конструктивом изделия.
Процесс состоит из нескольких этапов в ходе которых обычно запускается несколько параллельных задач. Типичная пирамида организации выпуска нового электронного продукта средней степени сложности на базе контрактного производителя будет выглядеть примерно так:



Только учитывая необходимость всех приведённых на рисунке работ можно оценить как требуемый объём вложений в проект, так и время запуска массового производства. Принимая решение по исключению отдельных этапов из приведённого выше рисунка необходимо помнить, что цена исправления ошибок, сделанных на более высоких уровнях, растёт как минимум в геометрической прогрессии при опускании к основанию пирамиды. Практика показывает, что попытки сэкономить, скажем, на процессе разработки или опытной эксплуатации обходятся впоследствии очень дорого.

Затронутая мной тема слишком обширна, чтобы подробно осветить её в рамках одной статьи, поэтому моей целью было просто привлечь к ней внимание начинающих разработчиков и потенциальных инвесторов. Объяснить что нельзя просто прийти к контрактному производителю с работающим образцом и без хлопот и вложений получить серийный продукт.