「モデルベース設計 」とは何ですか？

例えば、トランジスタ、電気機械式アクチュエータやモーター、熱水力ポンプやバルブ、電熱磁石、光ファイバー、化学物質の流動を伴う内燃機関、さらにはニューロンのシナプスや人間の心臓といった生物学的システムまでもが、研究対象となり得る。システムが確実に、あるいは設計通りに動作するためには、通常、フィードバック制御（アナログ、デジタル、あるいはその両方）が用いられ、出力と入力指令、およびシステムの動作要件を監視する。

モデルベース設計 を用いたシミュレーション研究には、目的、あるいは達成すべき具体的な目標や解明すべき課題のリストが不可欠です。例えば、シミュレーションを活用することで、システムの設計を検証し、構築前にハードウェアおよびソフトウェアの実装を最適化することができ、多額の費用がかかる可能性のある実機プロトタイプの反復試作を回避できます。 その他の目的としては、挙動の感度分析や応力レベル・機能安全上の故障（不具合）分析、あるいは部品の公差による統計的ばらつきや、信頼性に関する期待性能との照合による検証などが挙げられます。これらは、歩留まり分析を可能にし、保証コストを削減することを目的としていますが、その一方で、部品の小型化や組立コストとのバランスも考慮する必要があります。

モデルベース設計 の目標を達成するためには、以下の3つの重要な要素が整っている必要があります：

1. 特定のデバイスの特性評価やカスタムモデルの開発を可能にするモデリングツールや、ハードウェア記述言語（HDL）を活用することで、エンジニアは「モデルの空白」という障壁を乗り越えることができる。システム実装におけるシミュレーションモデルの統合により、仮想プロトタイプとして認識される実行可能な仕様が実現される。
2. 設計に関する知識と、シミュレーションの目的に対する徹底した理解。応用理論の知識や実務経験に基づくシステム挙動への予測は、実装プロセスにおける非効率性を大幅に解消するのに大いに役立つ。シミュレーションを通じて導き出そうとする問いは、採用したモデルの精度と整合していなければならない。そうでなければ、不必要な複雑さがプロジェクトの進捗を妨げる恐れがある。
3. 堅牢かつ信頼性の高いシミュレータ。ここでいう「堅牢」とは、シミュレータが概して設計上のトラブルシューティングを可能にする結果を提供できることを意味し、「信頼性が高い」とは、提供される結果がシステムの状態を正確に反映しているという確信を持って、常にその結果を受け入れることができることを意味する。 

モデルベース設計 Vダイアグラムで記述される設計フローを実現します。 プロセスの各段階において、そのフェーズに適した抽象度のモデルが、システムコンポーネントの表現や設計のシミュレーションに使用されます。これらのモデルは、当初は抽象度が高く、一般的な概念や概念アーキテクチャの検討を目的としてマクロな挙動をモデル化している場合があります。しかし、より具体的な課題が検討される設計フェーズに移行するにつれて、検討中の設計が具体化していくにつれてモデルも詳細化され、最終的にはシステム全体が、本番環境での設計を検証するのに適した精度のモデルとして表現されるようになります。

モデルベース設計 フローのうち、実装およびプロジェクトテストのセクションを分けて、信頼性の高いモデルを構築するための反復プロセスを説明しておくと役立つかもしれません。観測された挙動とシミュレーションされた挙動の整合性の質を評価する前に、モデルの検証が必要です。モデルの検証とは、仮想プロトタイプが、指定された精度の範囲内でシステムモデルを正しく表現していることを確認することです。これを理解した上で、観測された挙動とシミュレーションされた挙動の一致度こそが、モデル妥当性確認ステップの本質となります。 許容可能かつ妥当なモデルの構築は、反復的なプロセスである。

一般的に、システム内のすべてのモデルは、より複雑なシステム設計に組み込まれる前に、個別に特性評価、検証、および妥当性確認を行うべきである。

設計エンジニアは、より高品質な設計を実現し、市場投入を早めるとともに、製造コストをますます低減するというプレッシャーにさらされています。そのため、設計の堅牢性を確認する必要性は、もはやシステムの公称性能の検証にとどまらず、部品の公差、歩留まり、製造オプションの影響といった分野にまで及んでいます。 この基準は、機能の更新や新規機能の追加、あるいは性能の向上を伴って再利用されることが多い既存の設計プラットフォームにも同様に当てはまります。これを支援するためには、モデルベース設計 およびシミュレーション技術を活用し、堅牢で公差の影響を受けないシステムの構築を促進することが不可欠です。これにより、物理的なプロトタイプ作成に先立ち、歩留まりの算出、感度解析や応力解析の実施、および重要部品の特定が可能となります。モデルベース設計 の主な利点は以下の通りです：

• 高コストとなるハードウェアの試作を繰り返す必要がなくなります。設計者は、システムの構築前にその設計を検証し、ハードウェアおよびソフトウェアの実装を最適化することができます。また、既存の設計についても同様の検証を行うことで、多額の費用がかかる可能性のある物理プロトタイプの試作を繰り返すことを回避できます。
• 機能安全性を向上させます。物理システムの仮想プロトタイプから生成される仮想スモークにより、徹底的かつ広範囲にわたる試験を効率的かつ安全に実施することが可能になります。これには、センサー信号の誤動作、電圧降下、その他の障害状況が発生した場合に、組み込みソフトウェアの潜在的な不具合を検出することが含まれ、間欠的なステアリング安定性シナリオの妥当性チェックが可能となります。
• 新製品開発サイクルにおける市場投入までの期間の短縮。「モデルベース設計 」の手法は、新設計の市場投入までの期間を大幅に短縮するのに非常に効果的であり、顧客の性能要件を満たすための重要な柔軟性をさらに高めることができます。
• 保証関連の諸経費の削減。公称特性を持つシステムに対するシミュレーションも非常に有用ですが、部品に公差が割り当てられたシステムに対するシミュレーションを行うことで、極めて貴重な統計分析や最悪ケース解析（WCA）による性能評価が可能になります。これにより、設計者は製造歩留まり、最終品質保証検査に合格して出荷される台数、あるいは現場で使用中に故障する可能性のある台数を予測することができます。 WCAシミュレーション情報は、財務上の障害を回避し、早期に設計変更の決定を下すのに役立ち、それによって高額な保証によるリコールを回避することができます。 

モデルベース設計 何よりもまず「モデル」が必要です。 シノプシス SaberRDおよびSaberEXPシミュレーション製品は、設計エンジニアがシミュレーション目標を段階的に達成できるようにするASMLを提供します。これらのライブラリは、さまざまな混合技術を網羅しており、物理プラント、制御対象のシステム、およびフィードバック要素の組み立てを可能にします。 特定のコンポーネントデバイスの特性評価やカスタムモデルの開発を可能にするモデリングツール、およびHDLを活用することで、エンジニアはモデルの空白という大きな隔たりを乗り越えることができます。これにより、ユーザーはモデリング上の課題を解決し、 シノプシス 以下の作業を容易にすることで、ライブラリ開発におけるツール活用の効率を向上させます：

• 素子モデル（BJT、MOSFET、IGBT、ダイオード、電池など）の特性評価を行う
• 既存モデルの検証・妥当性確認
• 新しいモデルを作成する
• 制約や境界条件を調査する
• トップダウン型とボトムアップ型の設計手法間の隔たりを縮める
• 仮想ハードウェア上で、高レベルから詳細な組み込みコードを実行する

SaberRD および SaberEXP は、設計の堅牢性を確保するための広範かつ自動化された一連の解析機能を提供し、設計者が初期段階での歩留まり、応力、および故障解析から得られる大きなメリットを最大限に活用できるよう支援します。これらのツールを使用することで、過負荷状態にあるコンポーネントや、性能に最も悪影響を及ぼす可能性の高いコンポーネントなど、システム内の重要な部分を特定することが可能になります。

モデルベース設計 の「仮想製造」技術は、公差の問題に起因する歩留まりの潜在的な問題を明らかにする上で極めて有効であるだけでなく、厳しい公差仕様が問題とならない部品を特定することで大幅なコスト削減を実現し、高価で公差範囲の狭い部品は、その使用が不可欠な場合にのみ設計されるようにすることができます。

次のようなECUエミュレータ シノプシス Silver や Virtualizer™などのECUエミュレータは、ハードウェアがまだ存在しない段階や最終決定前の設計サイクルの早い段階で、あるいは再利用された設計プラットフォームにおけるソフトウェアの更新および検証の一環として、ソフトウェアのバグを早期に特定・解決するための本格的なソフトウェアテストを可能にします。