В 1992 году Асад М. Мадни возглавлял подразделение BEI Sensors and Controls. Продуктовая линейка выглядела внушительно — датчики и системы инерциальной навигации самых разных типов, — но список заказчиков был предельно узким: аэрокосмическая отрасль и оборонная электроника, и почти ничего больше.
Источник изображения — spectrum.ieee.org
И у него была проблема. Холодная война закончилась, оборонная промышленность США обвалилась, и надежд на быстрое восстановление заказов не было. BEI требовалось срочно найти и удержать новых клиентов — иначе подразделение просто нечем было бы загружать.
Условие выживания: отказаться от того, что работало
Цена вопроса оказалась высокой. Чтобы получить этих заказчиков, нужно было отказаться от механических инерциальных систем, на которых держался бизнес, в пользу новой и непроверенной кварцевой технологии; миниатюризировать кварцевые датчики; и превратить производителя нескольких десятков тысяч дорогих сенсоров в год в производителя миллионов дешёвых. Каждый пункт по отдельности выглядел рискованным, а вместе они означали полную перестройку компании.
Мадни возглавил этот аврал — и результат превзошёл любые ожидания. Им стал GyroChip, недорогой инерциальный датчик, который первым в мире попал в серийный автомобиль. Именно он позволил системам электронной курсовой устойчивости (ESC) определять начало заноса и подтормаживать колёса, не давая машине опрокинуться.
Масштаб эффекта измеряется не в единицах проданной продукции. По данным Национальной администрации безопасности дорожного движения США (NHTSA), за пятилетие с 2011 по 2015 год, когда ESC ставилась уже на все новые автомобили, эти системы спасли 7000 жизней только в Соединённых Штатах.
GyroChip позволил автомобильным системам курсовой устойчивости распознавать занос и предотвратил бесчисленное количество опрокидываний. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Автомобилями дело не ограничилось. Тот же датчик стал сердцем систем стабилизации множества коммерческих и частных самолётов, а также американских систем наведения ракет. И даже слетал на Марс — в составе ровера Sojourner миссии Pathfinder. За разработку GyroChip и за другие заслуги в развитии технологий и научном руководстве Мадни получил Медаль почёта IEEE за 2022 год — высшую награду организации.
Художник, ставший инженером
Инженерия не была первым выбором. Мадни хотел стать художником-живописцем, но экономическое положение семьи в Мумбаи (тогда — Бомбее) в 1950-х и 1960-х годах развернуло его к технике, а конкретно к электронике: подростка захватили новинки вроде карманного транзисторного радиоприёмника. В 1966 году он переехал в США, чтобы учиться электронике в RCA Institutes в Нью-Йорке — школе, основанной ещё в начале XX века для подготовки радистов и техников.
«Я хотел быть инженером, который изобретает, — говорит Мадни. — Тем, кто делает вещи, в итоге влияющие на человечество. Потому что если бы я не мог повлиять на человечество, карьера казалась бы мне пустой».
После двухлетней программы по электронной технике в RCA Institutes он поступил в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA), где в 1969 году получил степень бакалавра по электротехнике, а затем магистра и доктора философии. Диссертационное исследование строилось на цифровой обработке сигналов и рефлектометрии в частотной области применительно к анализу телекоммуникационных систем.
Учёба шла параллельно с работой, и работа была разной: преподаватель в Pacific States University, специалист по управлению запасами у беверли-хиллзского ритейлера David Orgell, инженер в Pertec, где он проектировал компьютерную периферию. Такой разброс — обычная история для студента-иммигранта, но именно он дал то, чего не даёт учебная программа: понимание, как устроены производство, логистика и продажи.
Systron Donner: анализатор спектра, которого до этого не было
В 1975 году, только что обручившись и по настоянию бывшего однокурсника, Мадни подал заявку на работу в микроволновое подразделение компании Systron Donner. Первым заданием стала разработка первого в мире анализатора спектра с цифровой памятью.
Деталь, которая многое говорит о подходе: до этого он ни разу не держал в руках анализатор спектра — приборы были слишком дорогими, — но знал теорию достаточно, чтобы убедить работодателя. Полгода он проработал в отделе испытаний, набирая практику на реальных инструментах, и только потом взялся их перепроектировать.
Проект занял два года и, по его словам, принёс три значимых патента, с которых начался подъём «к большим и более интересным вещам». Он же дал ему понимание разницы между тем, что значит обладать теоретическим знанием, и тем, что значит вывести технологию на рынок так, чтобы она приносила пользу другим.
Дальше были десятки радиочастотных и микроволновых систем и измерительных приборов для американских военных — в том числе анализатор линий связи и подключённых к ним антенн, созданный для ВМС; он же лёг в основу докторского исследования. Мадни быстро перешёл в управление и в итоге стал председателем совета директоров, президентом и генеральным директором Systron Donner, но, как вспоминают бывшие коллеги, лабораторию он так и не покинул: его техническая подпись стоит на каждом проекте, к которому он подключался.
Что представлял собой инерциальный блок в начале 1990-х
Чтобы понять масштаб перемены, которую принёс кварцевый датчик, стоит вспомнить, как выглядели инерциальные измерительные блоки (IMU) того времени. IMU измеряет несколько параметров объекта: кажущееся ускорение (то, что не связано с гравитацией), угловую скорость вращения вокруг оси и иногда ориентацию в трёхмерном пространстве.
В начале 1990-х типичный IMU использовал для измерения угловой скорости механические гироскопы. Блок из трёх высокоточных гироскопов с вращающейся массой был размером примерно с настольную духовку-тостер и весил около килограмма. Варианты на кольцевых лазерных или волоконно-оптических гироскопах были компактнее, но любые высокоточные оптические и механические гироскопы тех лет стоили тысячи долларов за штуку.
К этому добавлялись подвижные механические части, которые изнашиваются и тем самым ограничивают надёжность, — и становится ясно, почему такой блок в принципе не мог попасть в массовый продукт. Именно в таком состоянии отрасль подошла к 1990 году, когда Systron Donner продала свои оборонно-электронные направления компании BEI Technologies — публичному спин-оффу BEI Electronics, которая, в свою очередь, отпочковалась от почтенной фортепианной фабрики Baldwin Piano.
Ещё одна деталь объясняет масштаб задачи: в инерциальной технике цену считают за ось. Для полного описания вращения в пространстве нужны три канала, поэтому даже относительно недорогой по меркам оборонки датчик превращался в спецификации автомобиля в тройную сумму — а автопром считает себестоимость узла центами.
Кварцевый камертон вместо вращающейся массы
Незадолго до сделки Systron Donner лицензировала у группы американских изобретателей патент на принципиально иной датчик угловой скорости. Тогда это была, по словам Мадни, немногим больше чем бумажная концепция, но компания начала вкладывать в неё часть исследовательского бюджета.
Идея была элегантной. В основе — крошечный двусторонний вибрирующий камертон, вырезанный из кварца по обычным технологиям обработки кремниевых пластин. Зубцы камертона отклоняются под действием силы Кориолиса — инерциальной силы, возникающей, когда объект сопротивляется уходу из своей плоскости вращения. А поскольку кварц пьезоэлектрик, изменение действующих на него сил меняет электрический заряд; эти изменения и пересчитываются в угловую скорость. Никаких вращающихся масс, никакого износа.
Выбор кварца был не только физическим, но и производственным. Этот материал десятилетиями обрабатывала часовая индустрия, а изготовление камертонов по технологиям кремниевых пластин означало групповую обработку: множество элементов на одной пластине вместо штучной механической сборки. Именно это открывало дорогу к миллионным тиражам — механический гироскоп «пластинами» не изготовишь.
Этот кварцевый камертон реагирует на инерциальные силы и составляет сердце GyroChip. Источник изображения — spectrum.ieee.org
Работа продолжилась и после перехода подразделений Systron Donner под крыло BEI. К началу 1990-х компания выпускала около 10 000 кварцевых гироскопических датчиков в год для одного закрытого оборонного проекта. Но с распадом Советского Союза и стремительным сжатием американского оборонного рынка стало ясно, что заказчиков — по крайней мере надолго — не будет ни у новых миниатюрных сенсоров, ни у традиционных механических, составлявших основу бизнеса подразделения.
«У нас было два варианта, — вспоминает Мадни. — Либо мы торчим в песке и тихо умираем, что было бы обидно, потому что этой технологии больше нет ни у кого. Либо мы находим, где ещё её можно применить».
Охота за рынком: от NASA до автопрома
Началась охота. Мадни вместе с исследовательской и маркетинговой командами объезжал все конференции по датчикам, до которых мог добраться, и разговаривал со всеми, кто использовал инерциальные сенсоры, — промышленность, коммерческие применения, космос, без разбора. Аргументы были простыми: цена, точность, надёжность — и дорожная карта, по которой устройства становились меньше и дешевле буквально за несколько лет.
Заинтересовалось NASA: кварцевые датчики в итоге отправились на Марс в составе ровера Sojourner миссии Pathfinder и попали в системы, позволявшие астронавтам маневрировать в открытом космосе без страховочного троса. Boeing и другие производители самолётов и авионики тоже начали присматриваться.
Марсианский эпизод заслуживает пояснения: Sojourner стал первым марсоходом в истории, а там, где нет ни спутниковой навигации, ни оператора в реальном времени, инерциальный датчик превращается из вспомогательного в основное средство счисления пути. Требования к нему при этом жёстче автомобильных — по массе, энергопотреблению и стойкости к перегрузкам при посадке.
Но самый большой потенциальный рынок был очевиден — автомобильный. В конце 1980-х автопроизводители начали ставить базовые системы контроля тяги на дорогие модели. Такие системы следили за положением рулевого колеса, положением дроссельной заслонки и скоростями отдельных колёс и могли вмешаться в работу двигателя и тормозов, если, скажем, одно колесо начинало вращаться быстрее другого.
Чего они не умели — так это распознавать ситуацию, когда направление реального поворота автомобиля не совпадает с поворотом руля. А это ключевой признак неустойчивого заноса, который легко заканчивается опрокидыванием. Отрасль об этом знала: опрокидывания давали заметную долю смертей в ДТП. Поставщики автомобильной электроники, в том числе Bosch, работали над компактными и надёжными датчиками угловой скорости, преимущественно кремниевыми, но до серийной готовности не довёл никто.
Разница между двумя системами принципиальная: контроль тяги отвечает на вопрос «не буксует ли колесо», а курсовая устойчивость — на вопрос «едет ли машина туда, куда её направляет водитель». Ответ на второй вопрос невозможно получить без измерения скорости поворота вокруг вертикальной оси, а меряет её именно датчик угловой скорости. Отсюда и жёсткое требование к цене: без дешёвого сенсора вся электронная архитектура ESC остаётся дорогой опцией для люксовых моделей.
«Мы должны уронить цену с 1800 до 25 долларов»
Мадни решил, что этот рынок BEI может выиграть. В партнёрстве с франкфуртской Continental Teves компания взялась уменьшить размер и стоимость кварцевых устройств и наладить их выпуск в объёмах, немыслимых для оборонки, — с прицелом на миллионы штук в год.
Разворот из оборонного сегмента в одну из самых конкурентных массовых индустрий требовал перемен и от компании, и от её инженеров. Формулировка задачи звучала жёстко.
«Я сказал ребятам: „Нам придётся это миниатюризировать. Нам придётся уронить цену — с 1200–1800 долларов за ось до 100, потом до 50, потом до 25. Нам придётся продавать сотни тысяч штук в месяц, а затем миллион и больше в месяц“».
Из этого следовало, что в конструкции кварцевого датчика угловой скорости не должно остаться ни одного лишнего компонента. Менять предстояло и производство, и цепочку поставок, и даже управление продажами.
Источник изображения — spectrum.ieee.org
«Я сказал инженерам, что в устройстве не может быть ничего, кроме абсолютно необходимого, — вспоминает Мадни. — Некоторые упирались: они привыкли к сложным конструкциям, и простой дизайн их не интересовал. Я пытался объяснить, что прошу их сделать нечто более трудное, чем всё сложное, что они делали раньше». Часть ведущих конструкторов компанию всё же покинула.
«Совет директоров спросил меня, что я делаю, — это же были одни из наших лучших людей. Я ответил, что вопрос не в том, лучшие они или нет: если человек не собирается адаптироваться к текущим задачам, какая от него польза?»
Те, кто был готов меняться, получили неожиданную командировку: их отправили к швейцарским часовщикам учиться работе с кварцем — часовая индустрия обращалась с этим материалом уже десятилетиями. Другим организовали обучение у специалистов автопрома, чтобы понять, как устроены его процессы и требования.
Лёгким этот переход не был. «У нас на спине много шрамов. Мы прошли через адский процесс, — говорит Мадни. — Но за время моей работы BEI стала крупнейшим в мире поставщиком датчиков для автомобильных систем устойчивости и предотвращения опрокидывания».
Лосиный тест 1997 года, который изменил рынок
Взрывной рост спроса на системы курсовой устойчивости случился в конце 1990-х — и толчком к нему стал один инцидент. В 1997 году автомобильный журналист испытывал новый Mercedes на полигоне и выполнял так называемый elchtest, «лосиный тест»: резкий объезд препятствия на обычной скорости, имитирующий встречу с выбежавшим на дорогу лосем. Автомобиль опрокинулся.
Скандал получился громким, и Mercedes вместе с конкурентами ответил на него массовым внедрением систем стабилизации. Спрос на GyroChip взлетел. Благодаря соглашению с Continental Teves BEI много лет удерживала крупную долю автомобильного рынка.
Монополией это не было: немецкая Bosch запустила производство кремниевых МЭМС-датчиков угловой скорости в 1998 году. Но калифорнийская компания оставалась единственным производителем, работавшим на кварце, а кварцевые сенсоры тогда были точнее кремниевых. Сегодня баланс сместился: большинство производителей автомобильных датчиков угловой скорости используют кремний — технология созрела, и такие сенсоры дешевле в производстве.
Boeing 737 и возвращение оборонных заказов
Пока автомобильное производство набирало обороты, Мадни искал следующие рынки — и нашёл ещё один крупный в авиации. В начале и середине 1990-х Boeing 737 оказался фигурантом серии катастроф и инцидентов, связанных с неожиданным отклонением руля направления. Часть отказов удалось проследить до блока управления приводом, в котором использовалась технология демпфирования рыскания.
Сами датчики рыскания прямо обвинены не были, но блоки управления компании всё равно пришлось перепроектировать. BEI убедила Boeing использовать свои кварцевые датчики во всех выпускаемых 737 и дооснастить ими уже эксплуатируемые машины. Вскоре сенсор приняли и производители самолётов малой авиации. А затем вернулись и оборонные заказы.
Итог этой работы виден сегодня повсюду: электронные датчики угловой скорости стоят практически в каждом транспортном средстве — наземном, воздушном или морском. Дорогу к этому проложила именно кампания по их миниатюризации и удешевлению.
Продажа компании и вторая карьера
К 2005 году портфель технологий сделал BEI привлекательной целью для поглощения. Помимо датчиков угловой скорости, компания заработала репутацию на разработке беспрецедентно точной системы наведения для космического телескопа «Хаббл». Подразделение сенсоров и систем управления выросло в отдельную компанию BEI Sensors & Systems, где Мадни занимал посты генерального и технического директора одновременно.
«Мы не искали покупателя, у нас всё шло отлично, и мы хотели расти дальше. Но нас хотели купить несколько компаний, и одна из них, Schneider Electric, была неотступна. Они не сдавались, и нам пришлось вынести сделку на совет директоров».
Сделка закрылась в середине 2005 года. После короткого переходного периода Мадни отказался от руководящей должности в Schneider Electric и в 2006 году официально вышел на пенсию — точнее, ушёл только из индустрии, немедленно перейдя к плотной академической работе.
Он был почётным профессором шести университетов, среди которых Технический университет Крита, Университет Техаса в Сан-Антонио и новозеландский Университет Уаикато. В 2011 году Мадни присоединился к кафедре электротехники и вычислительной техники UCLA как distinguished scientist и адъюнкт-профессор — и считает этот университет своим домом. Он бывает в кампусе еженедельно, встречаясь с аспирантами, которые занимаются сенсорикой, обработкой сигналов, применением ИИ в проектировании датчиков и сверхширокополосной высокоскоростной измерительной техникой. К настоящему моменту под его руководством работали 25 аспирантов.
Наставник, который требует «executive summary»
Чему именно он учит, лучше всего видно по рассказам самих учеников. Седжо К. Лонаппан, ныне главный системный инженер SILC Technologies, вспоминает: научный руководитель требовал от каждого писать краткое резюме проекта, выходящее за пределы технологии и объясняющее картину целиком.
«В академических исследованиях легко утонуть в деталях, в мелочах, которые кажутся впечатляющими самому исследователю, — говорит Лонаппан. — А профессору Мадни важно влияние того, что мы делаем, за пределами инженерного и научного сообщества: применения, новые горизонты».
С. К. Рамеш, профессор и бывший декан факультета электротехники и информатики Университета штата Калифорния в Нортридже, добавляет к портрету другую черту — упрямый оптимизм. «Для него дело не только в инженерии. Дело в том, чтобы конструировать будущее, показывать, как изменить жизнь людей. И его не смущают трудности».
Пример он приводит характерный. Группа студентов хотела превратить игровую гарнитуру в интерфейс «мозг — компьютер» для управления инвалидной коляской. Невролог, с которым посоветовались, просто рассмеялся: снимать мозговые волны такой гарнитурой и мгновенно превращать их в команду движения невозможно. «А профессор Мадни посмотрел на это как на задачу: как мы решим проблему — и даже если не решим, по пути чему-нибудь научимся».
Яннис Филлис, профессор Технического университета Крита, вспоминает первую встречу с коллегой. «Этот человек много знает об инженерии, но у него широчайший круг интересов. Когда мы впервые встретились на Крите, я станцевал сольный зейбекико — танец с корнями из Древней Греции. Он засыпал меня вопросами: почему так, почему этак. Ему любопытно общество, поведение людей, окружающая среда — и, если брать шире, выживание нашей цивилизации».
Наследие: инерциальные датчики в кармане у каждого
Продолжение этой истории сегодня лежит в кармане практически у любого человека. Инерциальные МЭМС-датчики — акселерометры и гироскопы — стоят в смартфонах, беспилотниках, роботах-пылесосах, шлемах виртуальной реальности и носимой электронике; на них держатся поворот экрана, стабилизация видео, шагомер и навигация там, где не ловится спутниковый сигнал. Все эти применения возможны ровно по той же причине, по которой GyroChip попал в автомобиль: датчик угловой скорости перестал быть прецизионным прибором за тысячи долларов.
Показателен и обратный урок. Кварц выиграл первый раунд, потому что был точнее кремния, но проиграл длинную дистанцию: кремниевые МЭМС догнали его по характеристикам и оказались дешевле в массовом производстве. Технологическое преимущество в таких отраслях редко бывает вечным — устойчивым оказывается только умение вовремя перестроить и продукт, и производство под новый рынок.
Итог, который измеряется в спасённых жизнях
Мадни шёл в инженерию с намерением повлиять на человечество и считает, что в каких-то отношениях это удалось.
«Космические применения расширили наше понимание Вселенной, и мне посчастливилось приложить к этому руку, — говорит он. — Мой скромный вклад в автомобильную безопасность оказался ответственен за спасение миллионов жизней по всему миру. А мои технологии сыграли роль в обороне и безопасности страны. Это была самая благодарная карьера».
История GyroChip интересна не только как биография. Это редкий задокументированный пример того, как конверсия оборонного производства сработала: технология, созданная для закрытого военного проекта тиражом в десять тысяч штук, за считаные годы подешевела в десятки раз и стала обязательным элементом безопасности массового автомобиля. Ключевым решением при этом оказалась не новая физика, а управленческая воля — требование выбросить из конструкции всё лишнее и переучить команду под совершенно другой рынок.
