自動車向け仮想化とは何か？

かつてはソフトウェアハイパーバイザーや初期段階のチップレベルのプロトタイピングに重点が置かれていたが、現代の自動車向け仮想化技術は大幅に拡大している。現在では、エレクトロニクスのデジタルツイン（eDT）とマルチフィジックス のシステムシミュレーションを結びつけ、シリコンの原子レベルから、道路上での車両の巨視的な物理的性能に至るまで、連続した仮想スレッドを確立している。

現代の自動車は、ソフトウェアによって定義され、高度に接続されたインテリジェントなプラットフォームです。この現実が、エンジニアリング上の深刻なボトルネックを生み出しています。高度なソフトウェアスタック、AIによる知覚アルゴリズム、安全機能には膨大な演算能力が必要ですが、それらを支える物理的なプラットフォーム（カスタマイズされたシステムオンチップ（SoC）や車体構造など）の納入には、18～24か月を要する場合があります。

自動車分野における仮想化は、大規模な「シフト・レフト」戦略を推進することで、この乖離を解消します。これにより、開発の終盤段階で行われるリスクの高い実機テストを、予測可能でスケーラブルかつ自動化された仮想イテレーションに置き換えます。主な推進要因は以下の通りです：

• 並行開発スケジュール：オペレーティングシステムの移植、ドライバの開発、およびアプリケーション層ソフトウェアのテストを、シリコンおよびシャーシの開発と並行して行う。
• 包括的なマルチフィジックス および安全整合性：単一の相互接続されたフレームワーク内で、構造的安全性（衝突解析、騒音・振動・不快感（NVH）、耐久性など）と、車両の挙動制御電子システムを併せて検証します。
• プログラムリスクの軽減：ハードウェアのサプライチェーンが設計を確定する前に、重大な統合上の不具合、構造上の弱点、またはリアルタイムのタイミング上の不具合を早期に発見する。
• 極端なテストのスケーリング：物理的に再現することが危険であるか、あるいは再現に法外なコストがかかるような、まれな運用上のエッジケース、極端な気象条件、あるいは高速衝撃といった状況においても、継続的インテグレーション／継続的デプロイメント（CI/CD）パイプライン内で、自動化された回帰テストベースのテストワークフローを動的に実行すること。

1. モデルベースシステムズエンジニアリング（MBSE）とシステムアーキテクチャ

現代の車両仮想化の基盤は、デジタルシステムモデルにあります。MBSEは、文書中心の追跡手法を超え、システムアーキテクチャフレームワークを用いて、車両全体にわたる機能的および物理的な関係を定義します。システムモデルをシミュレーションソルバーに直接連携させることで、エンジニアは設計要件が実世界の性能パラメータ（電気自動車のバッテリー航続距離やゾーンコントローラ間の通信など）に正確に反映されることを保証できます。

2. シリコンおよびECUレベルのプロトタイピング（eDTs）

仮想プロトタイプは、自動車用SoCやコンピューティングプラットフォームの実行可能なソフトウェアモデルとして機能します。これにより、チームは、チップのハードウェアインターフェースを正確に再現した仮想環境上で、オペレーティングシステム、ミドルウェア、安全モニターなどの実際の生産用ソフトウェアを実行することが可能になります。 シノプシス Virtualizer™ ツールスイートは、ハードウェア（SoC またはマイクロコントローラユニット（MCU））のソフトウェアモデルの開発を可能にします。

仮想ECU（vECU）は、物理的なテストベンチが整備される前に、マルチECU間のネットワーク通信やタイミングプロファイルを検証するための、早期のソフトウェア・イン・ザ・ループ（SiL）テストを可能にします。

さらにこれを発展させると、 シノプシス 電子システムとその環境を仮想的に表現した「eDT（電子デジタルツイン）」の開発が可能になります。実世界のデータ、高度なモデリング、シミュレーションを統合することで、eDTはエンジニアリングチームに対し、ダイナミックかつインタラクティブな環境を提供し、車両ライフサイクル全体を通じて「シフトレフト」を実現し、自動車用ソフトウェアの設計、開発、検証を加速させます。 eDTは、シリコン、ECU（ゾーンコントローラー、中央演算装置など）、車載ネットワーク、クラウドにまたがって展開されるため、ソフトウェア定義車両（SDV）プラットフォームは、初回から高品質な製品を実現し、リコールを削減し、量産開始（SOP）を早め、ライフサイクルコストを大幅に低減しながら、継続的に進化させることができます。

3. ハードウェア・ソフトウェア協調設計 (Silicon)

協調設計 仮想化されたソフトウェア環境を、シリコンに近い速度で動作を再現できる高速エミュレーション・プラットフォームと連携させます。これにより、エンジニアリング・チームは、テープアウトのかなり早い段階で、割り込み処理、メモリ割り当て、ハードウェア・アクセラレータの応答といった複雑なマイクロアーキテクチャ間の相互作用を検証することが可能になります。

4.マルチフィジックス および構造シミュレーション（物理ベースのデジタルツイン）

真のエンドツーエンドの仮想化により、デジタルプラットフォームは、自動車が物理的な世界の中で動作していることを確実に認識できるようになります。高精度な物理ベースのモデルにより、仮想環境が拡張され、以下のような巨視的な挙動を捉えることが可能になります：

• 構造力学および衝突解析：明示的な有限要素法（FEA）を用いて、衝突シナリオにおける衝撃力、構造的健全性、材料の変形、および乗員の安全性を再現する。
• 流体力学および熱工学：空力特性、空力音響、熱管理アプリケーションなど、車両の外部特性を評価する。
• 電磁気学および光学：ECU/PCBレベルにおけるパワー・インテグリティ 、熱信頼性、信号伝送、およびEMI/EMC（放射および伝導）のシミュレーションを行うほか、システム全体を視野に入れたパワー・エレクトロニクス およびRF（アンテナ/レーダー）の設計もサポートします。モーションブラー、グレア、悪天候など、変動する環境条件下におけるセンサー（カメラ、レーダー、ライダー）の挙動をシミュレーションし、知覚スタックが物理的な入力を安全に解釈できるようにします。

自動車業界における仮想化戦略のメリット

• 市場投入までの期間の短縮：ハードウェアの立ち上げと物理的検証を数ヶ月から数週間に短縮し、SOPのスケジュールを大幅に短縮します。
• 大幅なコスト削減：高価で開発後期段階の実車プロトタイプや破壊試験への依存を排除します。
• 機能安全とコンプライアンスの強化：ヒューズ ISO 26262 安全上重要なソフトウェア工学と、自動化された構造および衝突安全性のシミュレーションを融合させます。
• 継続的改善：クラウドベースのスケーラブルなアーキテクチャをサポートし、フリートへの展開前に、包括的なシステムレベルのデジタルツインを用いて、OTA（Over-the-Air）アップデートを徹底的にテストすることができます。

シノプシス 半導体設計と物理システムエンジニアリングの間に従来存在していた隔たりを埋める、比類のないエンドツーエンドの自動車向け仮想化エコシステムを提供します。中核となるエレクトロニクスの専門知識を、最先端のマルチフィジックス 機能にまで拡張することで、 シノプシス ソフトウェア定義車両のライフサイクル全体を網羅する、一貫性のあるエンジニアリングの枠組みを提供します。そのフローの一例を以下に示します：

シリコンおよび演算レベルにおける自動車向け仮想化

• アーキテクチャの検討と仮想プロトタイピング ：シノプシス Platform Architect™ やVirtualizer™ 開発者キット（VDK）、 Silver™ SiLソリューション、eDTプラットフォームといったソリューションにより、OEMやティア1サプライヤーは、仮想化されたSoCやゾーンコントローラの設計、構成、最適化が可能になります。これにより、チームはハードウェアが実在する数ヶ月前から、システムレベルのソフトウェア全体を検証し、量産レベルのソフトウェアを開発することができます。
• ハードウェア支援型検証：ZeBu®エミュレーション・プラットフォームは、仮想シリコンと並行してソフトウェア・スタックを実行するために必要な大規模な処理能力とスループットを提供し、シリコンの実行速度に近い速度で、エッジケースにおけるタイミング上の不具合やバグを検出します。
• 自動車向けIP：機能安全認証を取得した包括的なシリコンIP ポートフォリオ（ARCプロセッサおよびセキュリティモジュールを含む）は、集中型コンピューティングアーキテクチャ上で重要度の異なるワークロードを分離するために必要な、自動車用安全完全性レベル（ASIL）BおよびASIL Dの基盤を提供します。

システム全体および車両レベルにおける自動車用仮想化

• システムアーキテクチャと安全性解析： Ansys System Architecture Modeler™ (SAM)などのクラウド・ネイティブ アーキテクチャ・プラットフォームは、シームレスな MBSE ワークフローを実現し、システム設計要件、安全性解析、サイバーセキュリティ、および組み込みソフトウェアの間に明確なデジタルトレーサビリティを確立します。
• 物理ベースのデジタルツイン： シノプシス システムレベルのソフトウェア検証と高精度な車両シミュレーションを結びつけ、真のハードウェア／ソフトウェア協調設計 を実現します。高度な物理ベースのソルバーと統合ツールを活用することで、エンジニアは、車両ダイナミクス、空力特性、先進運転支援システム（ADAS）センサー、バッテリーシステム、その他の重要な車両領域と相互作用しながら、ソフトウェアの挙動を正確にモデル化する全車両デジタルツインを作成できます。 この仮想環境により、物理的なハードウェアが利用可能になる前に、早期の設計、検証、性能最適化、およびシステムレベルの検証が可能になります。
• 環境センサーのシミュレーション：ツール間の緊密な連携により、ADASおよび自動運転スタックの高精度な閉ループテストが可能になります。実在または仮想（物理ベース）のセンサープロファイルが仮想環境に直接統合され、現実の環境上の危険要因を忠実に再現した条件下でコードの性能を検証します。

この統合されたシリコンからシステムまで フレームワークを通じて、 シノプシス 世界の自動車業界が、エンジニアリングの複雑さを軽減し、信頼性を最適化し、より安全でソフトウェア定義された次世代のモビリティを自信を持って展開できるよう支援します。

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自動車用半導体、ソフトウェア、電子機器の仮想化

車両全体の開発に向けた物理ベースのシミュレーション

現代のエンジニアリングチームが、衝撃力をモデル化するために明示的な動力学をどのように活用しているかを実例でご覧になりたい方は、Ansys の「LS-DYNA 自動車衝突シミュレーション」をご覧ください。これらの動画では、仮想構造試験によって実車の変形を再現し、破壊試験用の物理プロトタイプにかかるコストを削減する方法を紹介しています。