實現極致性能的工程學應關注更多細節
上網時間 : 2007年01月30日
對於工程師總是能在解析度、絕對精確度與功耗等特性方面，將一項設計的性能推到極致的做法讓我感到著迷。設計人員必須瞭解和分析每一個錯誤和缺點的來源，接下來就要設法解決每個問題，然而卻不能過度影響到其他因素。儘管這種極度關注細節的作法會讓我愈來愈不能肯定是否很快地便能隨時看到這些新產品問世，然而這或許可稱作是一種‘終極現場調查’(extreme scene investigation)吧！
大約25年前，我第一次碰到這類工程問題，那是在Jim Williams所寫的一篇論文中。Jim Williams目前是Linear Technology公司的專任科學家。Jim Williams當時在該論文中討論了一個精密天平的構造，這種天平是營養實驗室用來測量新生兒的重量、嬰兒吃的每一點食物，以及他們的‘排泄物’。該天平必須達到0.1oz的解析度和卓越的絕對精密度。儘管還有待努力，但這些技術規格是可以被達成的。然而，隨後你也增加了另外兩項指標：即該天平必須採用單一標準的現成元件，同時，一旦開始使用後就不再需要校準。
Jim的論文討論到他如何揭開在元件、電路和系統中每項錯誤的潛在根源，以及由於雜散電流和電磁場引起的錯誤；他隨後透過仔細的工程學，從方法學上依序克服了這些問題。當時的高解析度A/D轉換器是昂貴且特別稀有的珍品；在其他各種有限的工具中，簡單易用的電壓參考IC也很欠缺。當他以實例來舉證如何實現目標時，他採用了一個標準的能帶參考，使其更為成熟後並加以測試，以找到最低漂移的驅動電流值，並以此驅動電流值來執行。
對我來說，對於工程設計中各種細節的極度關注與一款成功的設計都是一種藝術，如同Samuel Florman於1976年出版的暢銷書書名：‘工程學存在的快感’(existential pleasures of engineering)。在克服了第一級的錯誤根源後，緊接著還必須努力克服第二級和第三級的錯誤來源；但是，現在的許多設計中，對於克服這種挑戰顯然不抱奢望或認為沒必要。然而，對於有此需要的設計來說，那就是一項可享受到令人振奮感覺的終極工程學。
舉例來說，在美國Draper實驗室開發超高精密度導彈制導迴轉儀時，工程師採用了極其精密的微型球軸承，當然，這是為了使迴轉儀羅盤的摩擦力降到最低。但是殘餘的摩擦力仍然太大了，所以他們讓整個迴轉儀裝置漂浮在一種高密度流體之中，使迴轉儀處於懸浮狀態，因而減少了輪子對軸承的影響。
那麼，這種結果就夠好了嗎？還沒結束呢！由於該流體的密度會隨著溫度而變化，因此他們必須讓整個裝置保持在特定溫度下，以消除另一個殘餘的錯誤來源。
然而，目前大部份的工程設計並不會涉及或是積極追求這樣的終極性能。相反地，現在的設計工程師們必須在整體性能、功率、成本、尺寸和上市時程等諸多因素中，作出更為細緻微妙的平衡折衷。事實上，在許多應用中，並不存在著超越某一項技術指標的作法，畢竟當你必須達到某一項產業標準要求時(如 IEEE 802.n資料傳輸率)，如果你超越這個速率，但並不會因此而帶來什麼好處，那麼無止境地追求終極性能或許是不必要的做法。但是，如果真的有一個極致的性能目標時，有時候想像一下該如何去設計並實現這種追求極致的產品也是不錯的，因為它意味著更多的工程訓練與實踐。
作者：Bill Schweber
