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日経テクノロジーonline SPECIAL

5G開発動向レポート~テストの標準化で競争力を向上

2020年のサービス開始を見据えて、第5世代移動体通信(5G)に対応する端末や基地局の開発がいよいよ始まった。高度で複雑な無線技術を多数投入し、しかも応用機器の利用シーンが多岐にわたるため、高品質な通信を保証するためのテストでは、手法や環境の整備戦略を一新して臨む必要がありそうだ。そして、製品に競争力を生み出すため、プラットフォームベースのテストアプローチによるテストの標準化が欠かせなくなってくる。

 5Gは、2020年のサービス開始に向けて着実に準備が進んでいる。対応する半導体デバイスの開発は終盤に入り、いよいよ端末や基地局などの製品開発と製造体制の構築を進めるフェーズへと突入している(図1)。

図1 5Gの評価・テストに関連して生まれる市場機会
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 5Gで採用される無線通信技術は、過去に類を見ないほど高度である。ビームステアリング技術を駆使する大規模MIMOや広大な帯域幅を持つミリ波無線通信など、1つだけでも革新的な技術を多数併用する。このため、高品質な製品を開発し、生産することは容易ではない。高品質を保証するための製品開発や製造で行うテストにも、複雑で高度な技術が求められる。

 高精細な動画を鑑賞できるスマートフォンから、工場設備の稼働状況や農地の作物の生育状況を監視するIoT端末、さらには遠隔医療用のロボットなど、想定される5Gの応用は、これまでの移動体通信技術とは比べものにならないほど多様である。この点も、テストの難易度を高める要因になる。IoTは、ニッチな応用の集合体であり、応用の多様さへの対応は5G関連機器の開発・製造で無視できない宿命でもある。多様な利用シーンそれぞれに沿ったテストを適切に行う必要がある。

5G関連製品の競争力向上にはテスト戦略の一新が必須

 5Gに投入される要素技術が高度で複雑なこと、また5Gの応用機器が多様なことで、製品の開発・製造におけるテストは、これまでの世代とは異次元の困難を抱えることになるだろう。前世代までと同様の心構えでテストの手法や環境を整備してしまうと、とてもサービス開始までの製品投入に間に合わない可能性がある。さらに、テスト環境には、当然のように高い費用対効果や効率性も求められる。5G関連製品の市場価値を高めるためには、テスト戦略を一新し、テスト手法の開発や環境の整備のコンセプトを抜本的な見直す必要がある。

 一般に、工業製品を上市すると、時間が経つにしたがって、製品の品質は向上していく。バグや欠陥が修正され、同時に生産も安定して、成熟度が上がっていくからだ。では、じっくりと時間を掛けて品質を向上させてから市場投入すれば製品の価値が高まるのかといえば、そうではない。時間が経つにつれて、競合が増え、強力な他社製品が次々と登場してくるからだ。品質向上に、むやみに時間を費やすのは得策ではない。

 品質の向上と競合の動向のうち、競合の動向はコントロールすることができない。より価値の高い製品を投入するには、いかに早期に製品を高品質化するかに掛かっているのだ。ここで重要になるのが、製品の開発・製造におけるテストの効率化である。

 ただし、テストの効率化に向けた手法や環境を整備することは、実際には、それほど簡単ではない。多くのメーカーは、製品の開発から製造、出荷に至るフローの各工程の中で、機能や性能の向上につながる「要件定義」や「設計」「試作品の評価」といった機能や性能の向上につながりやすい工程に多くの時間を割く(図2)。その一方で、開発成果の確認と製造の品質保証に欠かせない「設計検証、妥当性検証」や「製造テスト開発」といったテストに関わる工程は、往々にしてなおざりにされる傾向がある。むしろ、他の工程で時間を費やした分の帳尻合わせにテスト開発がしわ寄せを受けることが多い。

図2 テスト開発は往々にしてなおざりにされる傾向がある
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 テストの高度化と複雑化、さらには多様な利用シーンへの対応が求められる5G関連製品では、こうしたものづくりの現状を踏まえたうえでの新たなテスト戦略が求められている。

そもそも開発・製造のテストには改善の余地が十分ある

 実は、現時点での無線通信関連機器の開発・製造で用いているテストの手法や環境は、必ずしも効率的なものとは言い難い。さらなる効率化に向けて、改善する余地がたくさんある。最大の改善ポイントが、製品の開発や製造で行われているテストの手法と環境が、工程ごと、部署や拠点ごと、製品ごとにバラバラな点である。テストが標準化されていないのだ。

 例えば、電子機器の開発・生産では、「設計・シミュレーション・プロトタイピング」「特性評価・検証・妥当性評価」「製造テスト」のそれぞれ工程で、テストの手法やそこで使われるツール・測定器などの環境が、個別に最適化されている。各工程でテストの目的が異なり、手法や環境に求める要件が違っているからだ。設計では柔軟性の高いプロトタイピングの手法が求められるが、製造ではスループットの最大化が重要といった具合である。しかも、各工程は別の部署が担当しており、それぞれの部署が地理的に離れている、人材交流がない、技術開発の文化が異なるといった理由で、テストの手法や環境が統一されにくい状況になっていることも多い。

 社内でテスト戦略が一貫していないことを問題視する意見は潜在的にあった。ナショナルインスツルメンツ(NI)がテスト部門のマネージャーに戦略的重要性の視点を聞いた結果、「複数部門・事業所をまたぐシステムの標準化」「構造化されたテストシステム開発工程の確立」「設計開発・製造間のテストの再利用」「一本化したテスト戦略の確立」「社内でのテストデータ管理」を課題として挙げる声が多かった(図3)。これらはすべて、標準化に関連した問題意識である。

図3 テスト部門のマネージャーが挙げる戦略的重要性の視点
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テスト標準化を推し進めて5G関連製品の競争力を向上

 5G関連製品の開発・製造におけるテストに対する困難な課題を解決するためには、テスト標準化を推し進める必要がある。標準化によって、同じテスト手法と環境をさまざまな工程、部署、製品で統一することで、これまで内在していたテストに関わる非効率を一掃。5G関連製品の競争力向上を図ることができる。

 テストの標準化は、2つの視点から進める必要がある(図4)。1つは「開発工程をまたいだ取り組み」。もう1つは、「拠点・製品をまたいだ取り組み」である。

図4 テスト標準化2つの視点
(上)開発工程をまたいだテスト標準化の取り組み、(下)拠点・製品をまたいだテスト標準化の取り組み
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 開発工程をまたいでテストを標準化すれば、上流で開発したテストを下流でも再利用できるようになる。これによって、飛躍的にテストの効率が上がり、ひいては製品の競争力向上につながる。各工程におけるテスト開発の工数が劇的に減少し、テストに用いるツールを統一することで工程間の相関取り工数、ヒューマンエラーによる品質への悪影響が低減するからだ。また、製造現場で発生した不良の原因を、開発に遡って究明できないといった不都合も起きなくなる。それぞれの工程を個別に最適化するのではなく、開発フロー全体を最適化する視点が重要になってくる。

 前述したように、現状では設計時、特性評価時、製造時と開発工程ごとに、使われているテストの手法や環境が異なっている。テストの目的が違うのだから使っているツールが違って当たり前と考える向きもあるかも知れない。ただし、これはそれぞれの工程のニーズにすべて応えることができるテスト環境がないと思い込んでいたからにすぎない。各開発工程のテスト目的のすべてを、統一した1つのテスト環境でカバーできれば、テスト標準化が実現する。

 こうした要求に応える解が、プラットフォームベースのテストアプローチである(図5)。その代表例であるNIのテストプラットフォームでは、ソフトウエアのプログラムによって、実施するテストを自在に開発・自動化できる「LabVIEW」と、専用測定器に匹敵する高精度・高角度の計測を可能にする「PXI」モジュールの組み合わせで、それぞれの開発工程の多様なニーズに柔軟に応えることができる。用意されているPXIモジュールの性能は5G関連製品の開発・製造でのテストに適用できるものであり、LabVIEWの柔軟性は5Gの複雑で多様なテストニーズにきめ細かく応えることができるものだ。

図5 5G関連製品の競争力向上を実現するプラットフォームベースのテストアプローチ
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 5Gの要素技術の研究では、NIのテストプラットフォームを基にしたソフトウエア無線技術(SDR)を活用して、複雑で高度な技術を試すプロトタイプを実現。大きな成果を出した。こうした研究時に培ったテストの技術資産を、製品の開発・製造に向けたテストに継承することもできる。

世界中の開発・製造現場にテスト環境を一括納入

 一方、拠点・製品をまたいでテストを標準化できれば、製品の仕向地や製品仕様の違いが大きくても、テスト効率を最大化できるようになる。

 5G関連製品は、仕向地の電波行政に応じてテスト仕様が微妙に変わったり、スマートフォンと工場や農地からデータを取得するIoT端末では機器仕様自体が変わったりする。こうした違いにも、テストを標準化することで、無闇にテストが煩雑化させることなく、最小限の変更で対応できるようになる。しかも、プラットフォームベースのテストアプローチを活用すれば、そうしたローカライズやカスタマイズにも簡単かつ最小限の投資で対応できる

 ただし、世界中に分散した開発現場や生産現場で行うテストを標準化する場合には、活用する技術を統一するだけではなく、資材調達も共通化しておく必要が出てくる。こうした要求に応えるため、NIは「ATE基本コンフィギュレーション」と呼ぶ、ATEの必須部材を一括提供するサービスを開始した。これは、PXIモジュールだけではなく、検査ステーションの構成要素となるラック、モニター、電源などを一括提供するサービスだ。必要な部材を一括購入することができ、組み上がったテストシステムを世界中の現場に納入する。

 また、NIは、「SystemLink」と呼ぶ、分散システムを管理するためのソフトウエアも合わせて提供している。ウエブ・アプリケーションからサーバーを介して、デバイスの管理、ソフトウエアの実装、データの通信を一括で調整するものだ。さらに、「TestStand」と呼ぶ、テストシステムの最上位層に位置するシーケンサーに当たるソフトウエアも用意しており、テストの標準化、効率の最大化を支援するソリューションを揃えている。

 5G関連製品の市場投入は、刻々と迫っている。競争力の高い製品を開発・製造できるテスト手法と環境を確実に整備しておきたいものだ。

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