자동차 가상화란 무엇인가?

과거에는 소프트웨어 하이퍼바이저나 초기 칩 수준 프로토타이핑에 중점을 두었던 현대 자동차 가상화 기술은 크게 확장되었습니다. 오늘날 이 기술은전자 장치 디지털 트윈 (eDT)과 전자-기계 통합( Multiphysics ) 시스템 시뮬레이션을 연결하여, 실리콘의 원자 수준부터 도로 위 차량의 거시적 물리적 성능에 이르기까지 연속적인 가상 연결 고리를 구축하고 있습니다.

현대 자동차는 소프트웨어로 정의되고 초연결된 지능형 플랫폼입니다. 이러한 현실은 엔지니어링 측면에서 심각한 병목 현상을 초래합니다. 첨단 소프트웨어 스택, AI 인식 알고리즘, 안전 기능 등은 막대한 연산 능력을 필요로 하지만, 이를 뒷받침하는 맞춤형 시스템 온 칩(SoC)이나 차체 구조와 같은 물리적 플랫폼의 납품에는 18~24개월이 소요될 수 있습니다.

자동차 가상화는 대규모 “쉬프트 레프트(shift left)” 전략을 추진함으로써 이러한 괴리를 해소합니다. 이는 후기 단계의 고위험 물리적 테스트를 예측 가능하고 확장 가능하며 자동화된 가상 반복 과정으로 대체합니다. 주요 동인은 다음과 같습니다:

• 병렬 개발 일정: 운영 체제 이식, 드라이버 개발, 애플리케이션 계층 소프트웨어 테스트를 칩 및 섀시 개발과 동시에 진행합니다.
• 포괄적인 차량 제어 시스템( Multiphysics ) 및 안전 무결성: 단일하고 상호 연결된 프레임워크 내에서 차량의 주행 제어 전자 시스템과 함께 구조적 안전성(충돌 분석, 소음·진동·불쾌감(NVH), 내구성 등)을 테스트합니다.
• 프로그램 위험 완화: 하드웨어 공급망에서 설계가 확정되기 전에 중대한 통합 오류, 구조적 취약점 또는 실시간 타이밍 오류를 사전에 파악합니다.
• 극한 테스트 확장: 물리적으로 재현하기에는 위험하거나 비용이 지나치게 많이 드는 드문 운영 에지 케이스, 극한 기상 조건 또는 고속 충돌 상황에서도 지속적 통합/지속적 배포(CI/CD) 파이프라인 내에서 자동화된 회귀 테스트 기반 워크플로를 동적으로 실행합니다.

1. 모델 기반 시스템 공학(MBSE) 및 시스템 아키텍처

현대적인 차량 가상화의 토대는 디지털 시스템 모델에서 시작됩니다. 문서 중심의 추적 방식을 넘어, MBSE는 시스템 아키텍처 프레임워크를 활용하여 차량 전체에 걸친 기능적 및 물리적 관계를 정의합니다. 시스템 모델을 시뮬레이션 솔버에 직접 연결함으로써, 엔지니어들은 설계 요구 사항이 실제 성능 매개변수(예: 전기차 배터리 주행 거리 또는 구역별 컨트롤러 간 통신)에 명확하게 반영되도록 보장할 수 있습니다.

2. 실리콘 및 ECU 수준 프로토타이핑 (eDTs)

가상 프로토타입은 자동차용 SoC 및 컴퓨팅 플랫폼의 실행 가능한 소프트웨어 모델 역할을 합니다. 이를 통해 개발 팀은 칩의 하드웨어 인터페이스를 정밀하게 재현한 가상 환경에서 운영 체제, 미들웨어, 안전 모니터를 포함한 실제 양산용 소프트웨어를 실행할 수 있습니다. Synopsys Virtualizer™ 툴 스위트는 하드웨어(SoC 또는 마이크로컨트롤러 유닛(MCU))의 소프트웨어 모델 개발을 가능하게 합니다.

가상 ECU(vECU)는 물리적 테스트 벤치가 구축되기 전에 다중 ECU 간 네트워크 통신 및 타이밍 프로파일을 검증하기 위한 초기 소프트웨어-인-더-루프(SiL) 테스트를 가능하게 합니다.

이를 한 단계 더 발전시키면, Synopsys 전자 시스템과 그 환경을 가상으로 표현한 eDT(전자 디지털 트윈)의 개발을 가능하게 합니다. 실제 데이터, 첨단 모델링 및 시뮬레이션을 통합한 eDT는 엔지니어링 팀이 “시프트 레프트(shift left)”를 실천하고 차량 수명 주기 전반에 걸쳐 자동차 소프트웨어의 설계, 개발 및 검증 과정을 가속화할 수 있는 역동적이고 상호작용적인 환경을 제공합니다. eDT는 실리콘, ECU(구역별 컨트롤러, 중앙 컴퓨팅 장치 등), 차량 네트워크 및 클라우드를 아우르므로, 소프트웨어 정의 차량(SDV) 플랫폼이 초기부터 높은 품질을 유지하며, 리콜을 줄이고, 양산 개시(SOP)를 앞당기며, 수명 주기 비용을 획기적으로 절감하면서 지속적으로 발전할 수 있습니다.

3. 하드웨어·소프트웨어 공동 설계 (실리콘)

공동 설계 가상화된 소프트웨어 환경을 실리콘에 가까운 속도를 재현할 수 있는 고속 에뮬레이션 플랫폼과 연결합니다. 이를 통해 엔지니어링 팀은 테이프아웃 훨씬 이전에 인터럽트 처리, 메모리 할당, 하드웨어 가속기 응답과 같은 복잡한 마이크로 아키텍처 상호작용을 검증할 수 있습니다.

4. Multiphysics 및 구조 시뮬레이션 (물리 기반 디지털 트윈)

진정한 종단 간 가상화는 디지털 플랫폼이 차량이 물리적 세계에서 작동한다는 사실을 인식하도록 보장합니다. 고성능 물리 기반 모델은 가상 환경을 확장하여 다음과 같은 거시적 거동을 포착합니다:

• 구조 역학 및 충돌 분석: 명시적 유한 요소 해석(FEA)을 통해 충돌 시나리오에서 발생하는 충격력, 구조적 무결성, 재료 변형 및 승객 안전 프로파일을 재현합니다.
• 유체역학 및 열역학: 공기역학, 공기음향학, 열 관리 응용 분야 등 차량의 외부 특성을 평가합니다.
• 전자기학 및 광학: ECU/PCB 수준 전력 무결성, 열 신뢰성, 신호 전송 및 EMI/EMC(방사 및 전도) 시뮬레이션을 수행하며, 동시에 전체 시스템 맥락에서 전력 전자 및 RF(안테나/레이더) 설계를 지원합니다. 모션 블러, 눈부심, 악천후와 같은 변동이 심한 환경 조건 하에서 센서(카메라, 레이더, 라이더)의 동작을 시뮬레이션하여, 지각 스택이 물리적 입력을 안전하게 해석하도록 보장합니다.

자동차 가상화 전략의 이점

• 시장 출시 기간 단축: 하드웨어 시동 및 물리적 검증 과정을 몇 달이 아닌 몇 주 단위로 단축하여 SOP 일정을 대폭 단축합니다.
• 대폭적인 비용 절감: 고비용이 드는 후기 단계의 실물 차량 시제품 및 파괴 시험 방식에 대한 의존을 없애줍니다.
• 기능 안전성 및 규정 준수 강화: 퓨즈 ISO 26262 안전이 중요한 소프트웨어 공학을 자동화된 구조 및 충돌 안전성 시뮬레이션과 결합합니다.
• 지속적인 개선: 차량 군에 배포하기 전에 포괄적인 시스템 수준의 디지털 트윈을 통해 OTA(Over-the-Air) 업데이트를 철저히 테스트할 수 있는 클라우드 기반 확장형 아키텍처를 지원합니다.

Synopsys 반도체 설계와 물리적 시스템 엔지니어링 간의 오랜 격차를 해소하는, 타의 추종을 불허하는 종단간(end-to-end) 자동차 가상화 생태계를 제공합니다. 핵심 전자 기술 전문성을 최고 수준의 소프트웨어 정의 차량( Multiphysics ) 역량까지 확장함으로써, Synopsys 이 회사는 소프트웨어 정의 차량(SDV)의 전체 라이프사이클을 아우르는 일관된 엔지니어링 프로세스를 제공합니다. 대표적인 워크플로 예시는 아래와 같습니다:

실리콘 및 컴퓨팅 수준에서의 자동차 가상화

• 아키텍처 탐색 및 가상 프로토타이핑: 다음과 같은 솔루션 Synopsys Platform Architect™ 및 Virtualizer™ 개발자 키트(VDK), Silver™ SiL 솔루션, eDT 플랫폼과 같은 솔루션은 OEM 및 1차 공급업체가 가상화된 SoC와 존 컨트롤러를 설계, 구성 및 최적화할 수 있도록 지원합니다. 개발 팀은 하드웨어가 실제로 제작되기 수개월 전부터 전체 시스템 수준의 소프트웨어를 검증하고 양산 등급의 소프트웨어를 개발할 수 있습니다.
• 하드웨어 지원 검증:ZeBu® 에뮬레이션 플랫폼은 가상 실리콘과 함께 소프트웨어 스택을 실행하는 데 필요한 방대한 규모와 처리량을 제공하여, 실리콘 실행 속도에 가까운 속도로 극한 상황에서의 타이밍 오류와 버그를 발견합니다.
• 자동차용 IP: 포괄적이고 기능 안전성 인증을 받은 ‘ 실리콘 IP ’ 포트폴리오(ARC 프로세서 및 보안 모듈 포함)는 중앙 집중식 컴퓨팅 아키텍처에서 중요도가 서로 다른 워크로드를 분리하는 데 필요한 자동차 안전 무결성 수준(ASIL) B 및 ASIL D의 기반을 제공합니다.

전체 시스템 및 차량 차원의 자동차 가상화

• 시스템 아키텍처 및 안전 분석: Ansys 와 같은 클라우드 네이티브 아키텍처 플랫폼은 System Architecture Modeler™(SAM)을 통해 원활한 MBSE 워크플로를 지원하며, 시스템 설계 요구사항, 안전 분석, 사이버 보안 및 임베디드 소프트웨어 간의 명확한 디지털 추적성을 확보합니다.
• 물리 기반 디지털 트윈: Synopsys 시스템 수준의 소프트웨어 검증과 고충실도 차량 시뮬레이션을 연결하여 진정한 하드웨어/소프트웨어 통합( 공동 설계)을 가능하게 합니다. 엔지니어들은 첨단 물리 기반 솔버와 통합 도구를 활용하여, 차량 역학, 공기역학, 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 센서, 배터리 시스템 및 기타 핵심 차량 영역과 상호작용하면서 소프트웨어 동작을 정확하게 모델링하는 전체 차량 디지털 트윈을 생성할 수 있습니다. 이 가상 환경을 통해 실제 하드웨어가 준비되기 전에도 초기 설계, 검증, 성능 최적화 및 시스템 수준의 검증을 수행할 수 있습니다.
• 환경 센서 시뮬레이션: 심층적인 툴 통합을 통해 ADAS 및 자율주행 스택에 대한 고충실도 폐쇄 루프 테스트가 가능합니다. 실제 또는 가상 (물리 기반) 센서 프로파일이 가상 환경에 직접 통합되어, 실제와 같은 환경적 위험 요인에 대한 코드 성능을 테스트합니다.

이러한 통합된 ‘ 실리콘에서 시스템까지 ’ 프레임워크를 통해, Synopsys 전 세계 자동차 산업이 엔지니어링의 복잡성을 줄이고, 신뢰성을 최적화하며, 차세대 안전성이 강화된 소프트웨어 정의 모빌리티를 자신 있게 도입할 수 있도록 지원합니다.

살펴보기 다음의 전체 범위 Synopsys 자동차 솔루션의 전체 범위:

차량용 반도체, 소프트웨어 및 전자 장치의 가상화

전체 차량 개발을 위한 물리 기반 시뮬레이션

현대 엔지니어링 팀이 명시적 동역학을 활용하여 충격력을 모델링하는 방법을 실제로 확인해 보시려면, ‘Ansys ’의 LS-DYNA 자동차 충돌 시뮬레이션 영상을 시청해 보세요. 이 영상들은 가상 구조 시험을 통해 실제 차량의 변형 현상을 재현함으로써, 파괴적인 물리적 시제품 제작에 드는 비용을 절감하는 방법을 보여줍니다.