自動車メーカーは、ますます急速に変化する市場で競争力を維持するために、チップと電子回路の設計スケジュールを加速させていますが、自動車の製造に使用するツール、サプライ チェーン、および方法論にギャップが生じています。
CAD ソフトウェアを使用して次の新しい自動車の 3D ルックを作成する方法や、開発者が次の自動車用チップの PPA を最適化するのにシミュレーション ソフトウェアがどのように役立つかを想像するのは簡単ですが、これらすべての要素を安全なシステムに統合するのははるかに困難です。 XNUMX年以上乗れる車。
このプロセスの最初のステップは、サプライ チェーンを同期させ、同時に実行できることと連続して実行する必要があることなど、さまざまなステップを定義することです。 これにより、自動車 OEM とそのサプライヤーは、仮想プラットフォームを使用してソフトウェアを開発し、モデリングとシミュレーションをさらに深めることができます。 これは、チップの世界ではおなじみの概念であり、通常、実際のハードウェアが利用できない場合に、ダミー ブロックを代わりに使用します。 次に、ハードウェアが利用可能になると、開発者はモデルに戻ってクリーンアップします。 しかし、自動車のような安全性が重要な市場では、厳格な安全基準に従って更新と改善の一貫したストリームを認定する必要があるため、これまで行われたことはありません。
「これは非常に厄介なことですが、変わりつつあります」と、ハイブリッドおよび仮想システム担当副社長の David Fritz 氏は述べています。 Siemens Digital Industries Software. 「OEM は現在、Tier 1 および Tier 2 のサプライヤーと請負業者に、HIL (Hardware-in-the-Loop) とも呼ばれるハードウェア モジュールのソフトウェア バージョンを提供することを要求しています。 これにより、OEM は実際のハードウェアなしで仮想プラットフォームを使用して設計できます。 これは設計プロセスをスピードアップするだけでなく、エコシステムをひっくり返します。 サプライチェーンはこれに慣れていません。」
新しいデザイントレンド
自動車の設計は、家電の設計よりもはるかに時間がかかります。 新しいモデルがリリースされるまでには何年もかかる可能性があり、それは過去よりも改善されていますが、自動車メーカーが急速に進化する自動車市場で競争力を維持するには十分ではありません. その結果、OEM は EV、SDV、およびその他の新しい車両の設計プロセスをさらにスピードアップしたいと考えているため、プロジェクトのスケジュールには並列タスクと順次タスクの両方が含まれるようになりました。
「エンジニアリング グループとその経営管理チームは、収益性と競争力を高める確実な方法として、テスト、品質、性能評価を設計プロセスの初期段階に移行するという『シフト レフト』のマントラを採用しています」と、シニア プロダクト マーケティング マネージャーの David Vye 氏は述べています。 RF/マイクロ波製品については ケイデンス. 「シフトレフトへのプレッシャーにより、技術者は並行設計活動と納期遅延の原因となる設計の非効率性を削減することで、設計サイクルを短縮する必要があります。 チームが他のチームが設計作業を開始するのを待っているとき、設計者が分析の専門家がデータを提供するのを待っているとき、ばらばらのツールがポイント ツール間で設計データを転送するためにかなりのエンジニアリング時間を必要とするときに、製品の遅延が発生します。 これは、チップと IC のパッケージング チームの間で発生する一般的な問題です。」
ただし、安全性が最優先事項である自動車では、これははるかに困難です。 設計チームは、デバイスを電子パッケージに挿入することによる電気的および熱的影響と、その結果としての性能偏差にますます関心を持つ必要があります。 これは、仮想プロトタイピングやその他のシステムレベルの分析およびシミュレーション ツールが適している場所です。
従来、ソフトウェア開発者はコーディング プロセスを終了してから、電子制御ユニット (ECU) または ADAS 端末。 このハードウェアまたは類似のハードウェアが利用できない場合、ソフトウェア開発者は放置されます。 対照的に、HIL (Hardware-in-the-Loop) リアルタイム シミュレーションでは、ハードウェア仕様を実際のハードウェアであるかのようにテストおよび検証できるため、開発を継続できます。
これをさらに一歩進めると、OEM は Tier 1 および Tier 2 のサプライヤーと請負業者に、ECU および ADAS デバイスの実際のハードウェア設計を組み込んだソフトウェア モジュールを提供するよう要求するようになります。 このアプローチを使用すると、OEM は完全な仮想プロトタイプを作成でき、少なくとも理論上は、完全な自動車設計をテストおよび検証できるはずです。
「これまで開発者は、特定の機能に対応するために新しい ECU を追加していました」 シノプシス. 「検証が完了すると、ECU は車両の残りの部分や、CAN や LIN などの通信ネットワークを備えた他の ECU に統合されます。」
しかし、リフトをシフトしてそのスケジュールを早めることは、消費者向け電子機器では十分に困難であり、安全性が最も重要な関心事である自動車では、はるかに困難です。 しかし、この全体的な設計サイクルは遅すぎて、より便利で安全な機能を求める顧客の要求に応えるには遅すぎます。
「その結果、自動車 OEM はソフトウェア定義の自動車に移行しています」とセルゲッティ氏は述べています。 「このアプローチには、中央計算を備えたゾーン コントローラー、イーサネットベースの通信、安全かつ確実に複数の機能を並行して実行できる新しい自動車用ソフトウェア プラットフォームなど、新しい E/E アーキテクチャが必要です。 さらに、アーキテクチャは、ソフトウェアのアップグレードと更新を簡単にサポートし、車両のメンテナンスを簡素化し、OEM の新しい収入源を可能にする必要があります。 デジタル ツインを使用してこれらのより複雑なシステムを検証するシミュレーションは、機械やハードウェアを含む物理システムの開発をソフトウェア開発から分離するために不可欠になっています。 シミュレーションを使用することで、開発者は物理的なテストベンチとラバ車が利用可能になる前に十分に検証できます。 また、シミュレーションはより高い可視性と制御を提供し、多数のテスト シナリオを並行して実行するために簡単に展開できるため、効率も向上します。 その結果、開発がより早く簡単になり、新機能の検証と展開が迅速になり、ソフトウェアの品質が向上します。」
図 1: 車両の複雑さは、自動車の設計を困難にします。 出典:ケイデンス
SoCからデジタルツインまで
仮想プロトタイピング は複雑なプロセスであり、多くの利点がありますが、実装は困難な場合があります。 たとえば、ECU が最終生産で問題なく機能することをどのように判断しますか? さらに重要なことは、タイミング、レイテンシ、データ フロー、エラー修正などを考慮して、すべてのコンポーネント (SoC、ECU、ADAS、および CAN バスなどの内部プライベート ネットワーク) が適切に連携するようにするにはどうすればよいでしょうか?
車両内の何億行ものコードは、エラーなく実行する必要があります。 すべてがリアルタイムで動作しているときに、ソフトウェアの誤動作が発生した場合はどうなりますか? これは、高速道路を最高速度で移動する車両にどのような影響を与えるでしょうか? 信頼できるテストと検証が重要です。 しかし、さまざまなサプライヤーの ECU が正常にテストされたとしても、それらを統合すると、別のレベルの複雑さが追加されます。
「ECU を個別にテストすることは始まりにすぎません」と Fritz 氏は述べています。 「発見と修正に最も時間がかかる微妙な問題は、すべての ECU が相互に接続され、同時に動作するようになって初めて明らかになります。 この同時操作は、ECU を接続するネットワークに負荷をかけます。 ネットワーク帯域幅の制限により、遅延が発生します。 遠距離でのアービトレーションと送信時間により、レイテンシが追加されます。 刺激を使用するには、システム全体を同期させ、コンテキストに基づいて各 ECU の出力を評価する必要があります。 そこで登場するのがシナリオです。シナリオはシステムに現実的な刺激を与え、システム内の ECU の総出力をシステム レベルで評価できます。 たとえば、車両は街灯柱に衝突しますか? 最終的なシナリオは、一緒に動作する ECU などの個々のコンポーネントすべての動作に基づいて評価されます。」
最初に、モデリングとシミュレーションは SoC とシステム オン モジュール (SoM) から始まり、ECU と ADAS が含まれます。 Tier 1 または Tier 2 のサプライヤーがこれらのコンポーネントの多くを設計およびテストしますが、OEM は仮想プロトタイピングによってすべてのコンポーネントが問題なく機能する車両を確実に提供する最終的な責任を負っています。 最大の課題は、これを最大の効率で実行し、安全性と信頼性の要件を満たす方法です。
ほとんどの OEM は、自動車用 SoC の設計と選択に精通しています。 次のステップは、継続的なプロセスである ECU と ADAS の最適化です。
「自動車の電子制御ユニット (ECU) は、モデリング ツールを使用して PCB を設計すると、小型化と軽量化の恩恵を受けることができます」と Cadence の Vye 氏は述べています。 「これにより、細線多層基板、ブラインドおよび埋め込みビア、マイクロビア、基板に埋め込まれたパッシブおよびアクティブ コンポーネント、折り畳んで自動車のハウジング内の特定のボイドやスペースを対象とするリジッド フレックス基板で PCB が小型化されます。車。 メカニカル CAD (MCAD) ツールとの統合により、ハウジングと PCB の生産的な ECU 共同設計が保証されます。」
PCB、SiP、および SoC ファブリックで作成された自動車用 ECU は、車内の過酷な熱および電磁動作条件にも対応する必要があります。 「ECU間およびECU内のデータレートも劇的に上昇しているため、信号、電力、および熱の完全性を慎重に分析する必要があります」と彼は言いました。 「ECU 内の SiP および PCB 設計におけるメモリと CPU 間のギガヘルツ通信、または ECU 間のネットワーク通信はすべて、信号、電力、およびグランドを結合してシミュレートできるシグナル インテグリティ (SI) 解析の恩恵を受けます。」
全体像を見ると、自動車業界は非常に直線的なモデルからより協調的なモデルへと移行しており、そこでは OEM とサプライヤーとの相互作用と関与が変化しています。 Synopsys の Serughetti 氏は、OEM が半導体やソフトウェアと深く関わっており、それによって新しいエコシステムが形成されていると述べています。
「仮想車両ビジョンにより、この統合と相互作用が可能になります。 仮想車両を確立するためのテクノロジは、複数の側面で拡張可能である必要があります。 重要なのは、さまざまなサプライヤーの仮想 ECU を統合する必要があるプログレッシブ ビルドのスケーラビリティです」とセルゲッティ氏は述べています。 「仮想車両インフラストラクチャを使用して、SoC から ECU、仮想車両に至るまで、この垂直統合を促進できます。 実際、OEM に多くの価値を提供します。 このインフラストラクチャを使用して、ECU が要件を満たしていることを確認できます。 このようにして、サプライヤーはスタンドアロンでもシステム全体のコンテキストでも、非常に早い段階で ECU を統合して検証することができます。 このプロセスは、別の ECU を既存のシステムに追加できるプラグ アンド プレイ システムに少し似ていますが、異なる ECU やソフトウェア モジュールを評価することもできます。」
複数の専門家によると、今日、OEM が市販品を購入して車両全体の仮想プロトタイピングを行うことができる包括的なツールはありません。 これには、個々のコンポーネントまたはモジュールのモデリングと、これらの個々のコンポーネントの仮想車両への統合が必要です。 最も可能性の高いシナリオは、個々のコンポーネントをモデル化するために、さまざまなモデリング/シミュレーション ツールが使用される可能性があるということです。 これはモデルのタイプ (表現の完全性と正確性) に依存し、それ自体は検討中の検証ユース ケースによって決まります。
たとえば、ビークル ダイナミクスのシミュレーションには、ECU ソフトウェアのシミュレーションとは異なる要件があります。 同様に、非常に正確なモデルが (物理レベルまで) 必要な場合、単純な機能的動作を提供するだけの非常に高レベルのモデルとは異なるテクノロジが必要になる場合があります。
「モデルはサプライ チェーンのさまざまな部分からもたらされ、さまざまな部分でさまざまなツールが使用されます」とセルゲッティ氏は述べています。 「つまり、鍵は車両レベルにあります。 テクノロジは、ユーザーが個々のコンポーネント モデルと関連するシミュレーション テクノロジを組み合わせて仮想車両を構築できるようにする必要があります。 Functional Mock-up Interface (FMI) のような標準は、ここで重要な役割を果たします。」
[FMI は動的シミュレーション モデルを交換するための標準です。 この無料の標準は、ZIP ファイルとして配布される XML ファイル、バイナリ、および C コードの組み合わせを使用して動的モデルを交換するためのコンテナーとインターフェイスを定義します。 Version 3.0 2022年XNUMX月発売】
デジタルツイン
最終的に、OEM はデジタル ツイン (DT) のようなものを使用することになります。これは、自動車業界では比較的新しく、まだ進化しています。 自動車業界では、DT についてさまざまな意見があります。
「『ロード・オブ・ザ・リング』の逆の状況です」と、Frank Schirrmeister のソリューションおよびビジネス開発担当副社長は述べています。 アルテリスIP. 「おそらく、それらすべてを支配する XNUMX つのシミュレーションは存在しないでしょう。 開発チームは、プロジェクト中にさまざまなスコープをシミュレートするためにさまざまなツールを使用します。 ユーザーが実際にシミュレートできる範囲と複雑さは、シミュレーションの忠実度などの側面に大きく依存するため、「分割統治」アプローチは死んでいません。 影響を受けるドメイン — エレクトロニクス、メカニックなど。 使用モデルのタイプ — アーキテクチャ分析、電力、コスト、およびその他の特性の最適化、機能検証、ソフトウェア開発など。 および他の多くの。
プロジェクトのさまざまな段階で設計のシミュレーションを可能にする開発プラットフォームを「デジタルツイン。 '
「定義には、多くの場合、シミュレーション、エミュレーション、および FPGA ベースのプロトタイピングが含まれます」と Schirrmeister 氏は述べています。 「しかし、その目的は、さまざまな種類の刺激がより適している可能性がある予知保全などの側面の製品ライフサイクルにまで及びます. 製品のライフ サイクル中に特定された欠陥が、試作段階のデジタル ツインで再現されたケースを見てきました。」
OEM にとって車両はシステムのように見えるかもしれませんが、より正確にはサブシステムのシステムです。 「これらのサブシステムの多くは、ヘテロジニアスな電子モジュールの形で提供されます。これは、より小さなフットプリントでより優れたセンシング、計算、および通信パフォーマンスをサポートする半導体および統合テクノロジの基礎となる進歩のおかげで、継続的に進化しています。 これらの非常に複雑なモジュールは、以前の世代の EDA よりも計算能力が高く、統合された特殊な設計、分析、および実装ツールに依然依存しています。 デジタル ツインのコンテキスト内で設計内解析と設計プラットフォームの相互運用性を採用することで、OEM は車両全体の機能を実用的なレベルでシミュレートできるようになります。」
安心・安全を考えた設計
デジタル ツインと、自動車内のすべてのコンポーネントの多くの機能と相互作用のソフトウェア シミュレーションが進化し続け、自動車向けの究極の仮想プロトタイピング ソリューションになるにつれて、自動車の設計プロセスで見逃すことのできない重要な要素は、機能の要件です。安全性とサイバーセキュリティ。
Thierry Kouthon 氏、テクニカル プロダクト マネージャー、セキュリティ IP ラムバス 包括的なセキュリティ アプローチを使用することの重要性を指摘しました。 「Rambus の CryptoManager Root of Trust (RT-640) は、ASIL-B 認定のセキュリティ プロセッサです。 ASIL-B認証レベルとは、ICに故障が発生しても、一定確率以下であればRT-640が設計通りに機能することを意味します。 選択された整合性レベル、ASIL-B によって確率が決まります。 CryptoManager Root of Trust (CMRT) が予測どおりに動作することを確認するために、主に XNUMX つのツールを使用しました。 最初のツールは、すべての障害を検出する際のシステムの有効性を測定する診断範囲の結果を提供しました。 Diagnostic Coverage は、CMRT のすべてのコンポーネントを考慮し、適切な安全メカニズムがそれらの障害を検出できるかどうかを測定します。 XNUMX 番目のツールは障害キャンペーンを提供し、回路の正確な表現を使用して CMRT の機能を完全にエミュレートできます。 CMRT の障害を人工的にシミュレートし、適切に処理されているかどうかを検出します。 これらのツールの両方を使用することで、監査人に設計の実行可能性を示すことができます。」
機能安全と ISO 26262 コーソンは、地理的条件に応じて、自動車の設計ではメーカーが機能安全を達成するシステムを構築する必要があると述べました。これは、自動車で複雑な電子システムを使用する際の障害リスクを軽減することを目的としています。
「自動車用途に使用される半導体は、温度、湿気、振動などの環境問題に直面しています」と Kouthon 氏は述べています。 「さらに、製造業者は、形状が縮小した、より複雑な IC を設計しています。 これらすべての要因により、障害のリスクが高まります。 機能安全はこれらのシステムの特性であり、ISO 26262 規格で説明されている方法を使用して評価できます。 機能安全は、自動車の乗客や車両の近くにいる他の人を危険にさらすリスク、および事故に起因する他の車両、沿道の資産、および近くのインフラストラクチャへの損害のリスクを軽減するために不可欠です。 機能安全は、製造物責任に関連するため、ヨーロッパやその他の地域では実質的な法的影響があります。 多くの司法制度では、製造者は、製造時に存在する科学技術の状態に基づいてシステムが過失を防止できなかったことを証明できる場合にのみ、製造物責任を回避できます。 ISO 26262 規格では、物的損害の可能性と乗員の危険に基づいて、車両機器の故障のリスク レベルの XNUMX つのカテゴリ (A から D までの範囲で、D が最高、A が最低) を軽減するための安全度水準を導入しています。」
ISO 26262 への準拠は、OEM による最新の車両の製造方法に大きな影響を与えます。 「彼らは、車両内の電子機器の故障確率が ISO 26262 規格によって確立されたしきい値を下回ることを保証するために、エラー修正スキーム、テスト シーケンス、冗長性、および他の多くのメカニズムを設計に導入する必要があります。 そうしないと、車両のリコールや法的措置につながる可能性があります」と彼は言いました。
Arteris IP の Schirrmeister 氏も同意見です。 「開発者は、シナリオ、消費電力、熱効果などの定義されたケース全体で、安全性、セキュリティ、機能性を含むさまざまな側面をシミュレートおよびテストします。 繰り返しになりますが、XNUMX つのツールですべてをカバーすることはできず、検証などの特定の使用モデルであっても、チームは必要な忠実度に応じてさまざまなツール (ソフトウェア ベースのシミュレーション、エミュレーション、プロトタイピングなど) を使用します。 そのため、ユーザーは、メモリへのアクセスを単一の透過的なトランザクションとして抽象化するモデルや、NoC の特定のパフォーマンス側面をモデル化するモデルなど、さまざまな忠実度のモデルを提供するよう IP ベンダーに依頼しています。」
その他の課題と今後
仮想プロトタイピングが成熟するにつれて、OEM はソフトウェアの再利用と更新から生じる課題にも対処する必要があります。 車両に新しい特徴や機能が追加されると、実績のある既存のソフトウェア コードを再利用することが有益になります。 このコードは、ECU や ADAS など、車両全体に拡散している可能性があります。 元のコードの更新がある場合は、変更を全体に適用することが重要です。 今後数年間で、今日の数百万行のコードは何倍にも増えるでしょう。 すべての変更を追跡する負担を想像してみてください。 さらに、アップデートは路上を走る車両に無線で送信されます。 簿記が正しく行われない限り、その結果は考えられません。
自動車業界は、正当な理由から動きの遅い業界です。 消費者向け製品とは異なり、自動車は長い間路上を走っています。 リストの最上位に位置する機能安全など、多くの考慮事項を設計プロセスに入れる必要があります。 ソフトウェアと電子機器を追加すると、設計がさらに複雑になります。 一方では、OEM は設計プロセスを加速したいと考えていますが、他方では、オールインワンの既製の仮想プロトタイピング設計ツールが利用可能になるには時間がかかる場合があります。
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