Scrum für Hardwareprodukte (längerer Artikel mit vielen Verweisen)

Die Entwicklung von Hardware wird von Teams als aufwändiger gesehen als die Entwicklung von Software. Während neue Software schnell getestet und schnell angepasst werden kann, würde die ständige Produktion von Bauteilen schnell ins Geld gehen. Kann man Hardware überhaupt agil entwickeln? In diesem Beitrag gibt es die Verweise zu ein paar Artikeln im Netz.

Ich muss zugeben, dass meine Noten im Studium in den Hardwareprojekten nicht so gut waren. Wenn ich Schaltungen aufbauen wollte, die ich nicht genau verstanden hatte, gab es Fehler. Ich musste oft lange suchen, um die Fehler zu finden und zu reparieren. Und dann trat gleich der nächste Fehler auf! Sobald ich aber mit Software hantierte, sah die Situation schon anders aus. Das machte Spaß. Schnell war getestet und die neue Funktionen ausprobiert. Die Programmierung von FPGAs und PICs gefielen mir. Das Erstellen, Ändern und Testen von Hardware kostete mich einfach mehr Zeit.

Was ist Hardware? Was ist der Unterschied zu Software?

Unter Hardware verstehe ich in diesem Artikel physische Bauteile oder ganze Anlagen, die aus einem oder mehreren Materialien hergestellt wird und deren Herstellung Zeit braucht. Das Testen von Hardware ist aufwändiger, weil bestimmte Eigenschaften oder ein bestimmtes Verhalten nicht so einfach getestet werden können.

Kann man Hardware überhaupt agil entwickeln? Dazu würde ich mir zunächst das Unsicherheitsprofil ansehen. Wenn man erkennt, dass weder die Anforderungen noch das technische Konzept klar sind, würde eine agile Arbeitsweise helfen, um schneller ans Ziel zu kommen.

Neil Johnson beschreibt in einem Beitrag den Unterschied zwischen einer wasserfallartigen und eine agilen Hardwareentwicklung /1, Figure 2/. Beim Wasserfall arbeitet man sich durch die verschiedenen Projektphasen, von der Spezifikation über Design und Verifikation zur Software (in der Hardware) und der Physik des Produktes. In einer agilen Arbeitsweise gehe ich in einer Iteration alle Phasen durch. Aber die Entwickler beschränken sich auf bestimmte Teile des Produktes. (Agile Softwareentwickler arbeiten ähnlich.)

Der Begriff Scrum kommt aus der Hardwareentwicklung

Der maßgebliche Artikel von Takeuchi und Nonaka über Produktentwicklung, der zur Prägung des Namens "Scrum" führte, beschrieb die Hardwareentwicklung bei Honda (PKW) und Canon (Kamera). Die Teams in diesen Firmen waren interdisziplinär und autonom. Sie bewegten sich als ganzes Team über das Spielfeld der Produktentwicklung ("moving the scrum downfield", /2, S. 4/). Wenn sich Anlagenbauer und andere Hardwareentwickler dafür entscheiden, Scrum bei sich einzuführen, gehen sie damit zu Ursprüngen von Scrum zurück.

Takeuchi und Nonaka nennen sechs Eigenschaften, die erfolgreiche Produktentwicklungsteams auszeichnet:

• Integrierte Instabilität: Die Unternehmensführung gibt keine detaillierten Pläne, sondern sinnvolle aber sportliche Ziele aus und lässt zur Umsetzung viel Freiheit.
• Selbstorganisierte Projektteams: Die Teams fangen praktisch bei Null an und verhalten sich wie ein Startup-Unternehmen. Sie sind autonom. Ein Team entwickelt sich, indem die Mitglieder ihre einzelnen Kompetenzen an die anderen weitergeben.
• Überlappende Entwicklungsphasen: Statt in festen abgegrenzten Phasen zu arbeiten, gehen die einzelnen Entwicklungsphasen ineinander über.
• Multilernen: Durch den direkten Kontakt zum Markt lernt das Team, was ein Produkt gut macht. Es fängt an zu experimentieren, bis es die Marktwünsche bedienen kann. Das Wissen verbreitet sich über die verschiedenen Ebenen (Person, Team, Abteilung, Unternehmen) und über die verschiedenen Fachgebiete.
• Sanfte Steuerung: Die Unternehmensführung überlässt die Projektteams nicht einfach sich selbst. Durch die Zusammenstellung der Teams, Rhythmen und andere Mechanismen wird Chaos vermieden.
• Wissenstransfer: Das neue Wissen und die neue Erfahrungen wird an den Rest der Organisation weitergegeben, z. B. indem Projektteams aufgelöst und die Mitglieder auf neue Teams verteilt werden.

Wer Anlagen oder Hardware baut, kann sich von diesen sechs Eigenschaften inspirieren lassen. Gehen wir nun von den allgemeinen Eigenschaften zu konkreten Praktiken.

Test Driven Development kommt aus der Hardware

Nancy Van Schooenderwoert beschreibt in einem Beitrag bei InfoQ die Ursprünge von Test-first, einer wichtigen agilen Arbeitsweise /3/. In den den 1970er Jahren haben Ward Cunningham und Kent Back an damals neuen Mikroprozessoren geforscht. Um zu verstehen, was die Maschinen machen, haben sie immer erst Tests formuliert.

Scrum in Hardware Guide und eXtreme Manufacturing (XM)

Joe Justice und das Team von Wikispeed haben praktisch gezeigt, wie man Hardware mit strengen Auflagen an das Ergebnis entwickeln kann. Wikispeed baut verkehrssichere Autos. Jede Woche gibt es eine neue Version. Joe und die Wikispeed-Teams benutzen Scrum, XP und objektorientierte Architektur. Die Arbeit wird nach Scrum organisiert:

• Die Rollen von Scrum
• Arbeiten in Sprints/Iterationen
• Arbeit sichtbar machen
• Velocity messen
• Stetig verbessern

Von XP werden User Storys, Pairing und Swarming sowie TDD genutzt. Aus der objektorientierten Architektur werden die folgenden Prinzipien übernommen:

• Modulare Komponenten
• Verträge (für die Schnittstellen; contract first)
• Design Muster
• Wiederverwendung und Vererbung

Joe Justice und Fabian Schwartz haben mittlerweile die erste Version des Scrum in Hardware Guides veröffentlicht: https://www.scruminc.com/scrum-in-hardware-guide/

Aber wie geht das genau? Peter Stevens hat ab Juni 2013 zehn Xtreme Manufacturing Prinzipien genauer beschrieben /4/. Diese zehn Prinzipien sind:

1. Optimize for Change: http://www.scrum-breakfast.com/2013/06/xm-principle-1-optimize-for-change.html
2. Object-Oriented, Modular Architecture: http://www.scrum-breakfast.com/2013/06/xm-principle-2-object-oriented-modular.html
3. Test Driven Development (Red, Green, Refactor): http://www.scrum-breakfast.com/2013/06/xm-principle-3-test-driven-development.html
4. Contract-First Design: http://www.scrum-breakfast.com/2013/06/xm-principle-4-contract-first-design.html
5. Iterate the Design: http://www.scrum-breakfast.com/2013/06/xm-principle-5-iterate-design.html
6. Agile Hardware Design Patterns: http://www.scrum-breakfast.com/2013/06/xm-principle-6-hardware-design-patterns.html
7. Continuous Integration Development: http://www.scrum-breakfast.com/2014/07/xm-principle-7-continuous-integration.html
8. Continuously Deployed Development: http://www.scrum-breakfast.com/2014/07/xm-principle-8-continuously-deployed.html
9. Scaling Patterns: http://www.scrum-breakfast.com/2014/07/xm-principle-9-scaling-patterns.html
10. Partner Patterns: http://www.scrum-breakfast.com/2014/07/xm-principle-10-partner-patterns.html

Es lohnt sich die einzelnen Beiträge zu lesen. Im Artikel zum 7. Prinzip erfährt man zum Beispiel, dass Wikispeed eine Simulationssoftware benutzt, um das Verhalten der Hardware bei Unfällen zu simulieren. Wie das Ergebnis aussieht, kann man sich zum Beispiel auf den Folien von Joes Vortrag auf der REconf 2017 ansehen /5, Folie 8/.

Auch im Hardware Product Backlog stehen User Storys

Ich habe Hardware-Projekte gesehen, bei denen die wichtigsten Bauteile der Explosionszeichnung als Backlog Items genutzt wurden. Joe schreibt im o. g. Vortrag, dass die Anforderungen als User Storys formuliert werden. Sie sollen beschreiben, welche Erwartungen Investoren, Anwender und Leute, die die rechtlichen Anforderungen prüfen müssen, an das Ergebnis haben /5, Folie 11/.

Eric Morrow nennt im Wikispeed-Blog ein Beispiel für eine User Story: "Als Anwender kann ich mit einem Auto fahren, das weniger als 100 g Kohlendioxid pro 100 km produziert, um etwas gegen den Klimawandel zu tun." /6/

Bei Wikispeed sind die einzelnen Teams sog. Build Servers, die sich um 1 von max. 10 Modulen insgesamt kümmern. Damit mehrere Teams sich um die gleichen Ziele kümmern, gibt es noch andere Anforderungsdokumente, die auf max. 1 Seite die Marktziele und Beschränkungen auflisten /5, Folie 26/.

"Bei uns geht das aber nicht."

In mehreren Vorträgen listet Joe sechs Gründe auf, warum man angeblich nicht agil arbeiten könne /7, Folie 15/:

1. "Unser Produkt ist so kompliziert, dass wir genaustens planen müssen."
2. "Die Qualitätsanforderungen sind so hoch, dass wir einem festen, genau dokumentierten Ablauf folgen müssen."
3. "Wir haben schon so viel Geld in Maschinen und Werkzeuge gesteckt."
4. "Die Module sind so eng verzahnt, dass wir sie nicht in jeder Iteration ändern können, ohne das Ganze zu ändern."
5. "Unsere Lieferanten sind nicht agil."
6. "Wichtige Schritte in unserem Prozess brauchen länger als eine Iteration."

Hinter den ersten beiden Punkten steckt ein falsches Verständnis von Agilität. Die Punkte 3 und 4 sind einfach Hindernisse, die sprintweise angegangen werden. Die letzten beiden Punkte erfordern Kreativität und Zusammenarbeit. Joe hat zum Beispiel für viele Produkte, die angeblich lange Lieferzeiten haben, Lieferanten gefunden, die innerhalb eines Sprints liefern können /7, Folien 16-23/.

Es gibt also viele Ideen und Experimente für eine agile Hardwareentwicklung.

Zu diesem Beitrag gibt es eine Fortsetzung.

Ihr wollt mehr über Scrum wissen? Wir haben eine Übersichtsseite zu Scrum, über die man sich in die wichtigsten Artikel in diesem Blog einlesen kann.

Anmerkungen und Verweise

• /1/ Neil Johnson: Agile hardware development – nonsense or necessity?, Onlinebeitrag in EE Times, erschienen am 10. Oktober 2011, abrufbar unter https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1279137
• /2/ Takeuchi, Hirotaka, and Ikujiro Nonaka: The new new product development game, Harvard Business Review (1986).
• /3/ Nancy Van Schooenderwoert: Yes, Hardware Can Be Agile!, Onlinebeitrag bei InfoQ, erschienen am 18. März 2015, abrufbar unter https://www.infoq.com/articles/hardware-can-be-agile
• /4/ Peter Stevens: Extreme Manufacturing Explained, Blog Scrum Breakfast, erschienen am 03. Juni 2013, abrufbar unter http://www.scrum-breakfast.com/2013/06/extreme-manufacturing-explained.html
• /5/ Joe Justice: Scrum: Disrupting the Automotive Industry, Vortrag auf der REconf 2017, gehalten am 29. März 2017, Folien abrufbar über die Webseite der REconf https://www.hood-group.com/reconf/archiv/reconf-2017/agenda/#2308-mittwoch-29-mrz-2017
• /6/ Eric Morrow: TDD for Hardware, Wikispeed Blog, erschienen am 21. Juli 2013, abrufbar unter http://wikispeed.org/2013/07/tdd-for-hardware/
• /7/ Joe Justice: Scrum for Full Scale Manufacturing, Vortrag auf dem AgileCamp Silicon Valley 2015 (https://agilecampsiliconvalley2015.sched.com/), gehalten am 25. September 2015, Folien abrufbar unter https://de.slideshare.net/AgileCampSV/agilecamp-2015-scrum-for-full-scale-manufacturing-joe-justice