모델 기반 설계 란 무엇인가요?

예를 들어, 저항기부터 트랜지스터, 전기기계식 액추에이터 및 모터, 열수력 펌프와 밸브, 전기열자석, 광섬유, 화학 물질 흐름이 발생하는 연소 엔진, 심지어 신경 세포 시냅스나 인간의 심장과 같은 생물학적 시스템까지 연구 대상에 포함될 수 있다. 시스템이 안정적으로 또는 설계된 대로 작동하도록 하기 위해, 일반적으로 피드백 제어(아날로그, 디지털 또는 둘 다)를 사용하여 출력과 입력 명령, 그리고 시스템 작동 요건을 모니터링한다.

모델 기반 설계 를 통한 시뮬레이션 연구에는 반드시 목적이나, 달성하고자 하는 구체적인 목표 목록, 혹은 해결해야 할 질문들이 있어야 합니다. 예를 들어, 시뮬레이션을 활용하면 시스템 설계를 검증하고, 실제 제작에 앞서 하드웨어 및 소프트웨어 구현을 최적화함으로써 비용이 많이 들 수 있는 물리적 프로토타입의 반복 제작 과정을 피할 수 있습니다. 그 밖의 목적으로는 행동 민감도 또는 응력 수준 분석, 기능 안전 결함(고장) 분석, 부품 공차의 통계적 변동 분석, 신뢰성과 관련된 예상 성능에 대한 검증 등이 있으며, 이를 통해 수율 분석을 수행하고 보증 비용을 절감할 수 있습니다. 이 모든 과정은 부품 크기 축소 및 조립 비용과의 균형을 고려하면서 이루어집니다.

모델 기반 설계 의 목표를 달성하기 위해서는 다음 세 가지 핵심 요소가 갖춰져야 합니다:

1. 특화된 장치 특성 분석이나 맞춤형 모델 개발을 가능하게 하는 모델링 도구와 하드웨어 기술 언어(HDL)는 엔지니어들이 ‘모델 공백의 격차’를 극복할 수 있도록 돕습니다. 시스템 구현 과정에서 시뮬레이션 모델을 조합함으로써, ‘가상 프로토타입’으로 알려진 실행 가능한 사양을 얻을 수 있습니다.
2. 설계 지식과 시뮬레이션 목표에 대한 철저한 이해. 적용된 이론에 대한 지식이나 실무 경험을 바탕으로 한 시스템 동작에 대한 기대는 구현 과정에서 발생하는 비효율성을 크게 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 도출하고자 하는 질문은 사용된 모델의 정확도와 일치해야 하며, 그렇지 않을 경우 불필요한 복잡성으로 인해 프로젝트 진행이 지체될 수 있습니다.
3. 견고하고 신뢰할 수 있는 시뮬레이터입니다. 여기서 ‘견고하다’는 것은 시뮬레이터가 일반적으로 설계상의 문제 해결에 도움이 되는 결과를 제공할 수 있음을 의미하며, ‘신뢰할 수 있다’는 것은 제공된 결과가 시스템의 상태를 정확히 반영하고 있으므로 항상 확신하고 받아들일 수 있음을 의미합니다. 

모델 기반 설계 V-다이어그램으로 설명되는 설계 흐름을 가능하게 합니다. 프로세스의 각 단계에서는 해당 단계에 적합한 추상화 수준의 모델을 사용하여 시스템 구성 요소를 표현하고 설계를 시뮬레이션합니다. 이러한 모델은 초기 단계에서는 일반적인 개념 및 개념적 아키텍처 탐색을 목적으로 매크로 수준의 동작을 모델링하는 높은 추상화 수준을 가질 수 있습니다. 그러나 보다 구체적인 질문이 제기되는 다양한 설계 단계에 접어들면서, 검토 중인 설계가 구체화됨에 따라 모델도 점차 상세해지며, 최종적으로는 전체 시스템이 양산용 설계를 검증하기에 적합한 정확도를 갖춘 모델로 구현됩니다.

모델 기반 설계 의 흐름에서 구현 및 프로젝트 테스트 단계를 분리하여, 신뢰할 수 있는 모델을 구축하기 위한 반복적 과정을 설명하는 것이 유용할 수 있습니다. 관측된 동작과 시뮬레이션된 동작 간의 일치 정도를 평가하기 전에 모델 검증 단계가 필요합니다. 모델 검증이란 가상 프로토타입이 지정된 정확도 범위 내에서 시스템 모델을 올바르게 표현하고 있는지 확인하는 과정입니다. 이를 이해하고 인식한 후, 관측된 동작과 시뮬레이션된 동작 간의 일치 정도를 확인하는 것이 모델 검증 단계의 핵심입니다. 수용 가능하고 유효한 모델의 개발은 반복적인 절차입니다.

일반적으로 시스템에 포함된 모든 모델은 보다 복잡한 시스템 설계에 도입되기 전에 개별적으로 특성 분석, 검증 및 타당성 검증을 거쳐야 합니다.

설계 엔지니어들은 더 우수한 품질의 설계를 더 빠르게 시장에 출시하고 제조 비용을 지속적으로 절감해야 한다는 압박을 받고 있는 가운데, 설계의 견고성을 확인해야 할 필요성은 이제 명목상 시스템 성능 검증의 범위를 넘어 부품 공차, 수율, 제조 옵션 등이 미치는 영향과 같은 영역으로까지 확대되고 있습니다. 이 같은 기준은 업데이트된 기능이나 새로운 기능, 또는 향상된 성능 특성을 적용하여 재사용되는 기존 설계 플랫폼에도 동일하게 적용됩니다. 이를 지원하기 위해서는 설계 기반 시뮬레이션( 모델 기반 설계 ) 및 시뮬레이션 기술을 활용하여, 물리적 시제품 제작 전에 수율을 산정하고, 민감도 및 응력 분석을 수행하며, 핵심 부품을 식별할 수 있는 견고하고 공차에 영향을 받지 않는 시스템을 구축하는 것이 필수적입니다. 설계 기반 시뮬레이션( 모델 기반 설계)의 주요 이점은 다음과 같습니다:

• 비용이 많이 드는 하드웨어 반복 작업을 줄여줍니다.설계자는 시스템을 구축하기 전에 시스템 설계를 검증하고 하드웨어 및 소프트웨어 구현을 최적화할 수 있으며, 기존 설계를 대상으로 이를 수행함으로써 잠재적으로 비용이 많이 드는 물리적 시제품 반복 작업을 피할 수 있습니다.
• 기능 안전을 향상시킵니다.물리적 시스템의 가상 프로토타입에서 생성되는 가상 스모크를 통해, 공격적이고 광범위한 테스트를 효율적이고 안전하게 수행할 수 있습니다. 여기에는 오류가 발생한 센서 신호, 전압 강하 또는 기타 오류 상황 발생 시 잠재적인 임베디드 소프트웨어 오류를 탐지하여, 간헐적인 조향 안정성 시나리오에 대한 정상성 검사를 수행하는 것이 포함됩니다.
• 신제품 개발 주기의 시장 출시 기간 단축. ‘모델 기반 설계 ’ 방법론은 신제품설계의 시장 출시기간을 대폭 단축하는 데 매우 효과적이며, 고객의 성능 요구 사항을 충족하기 위한 추가적이고 중요한 유연성을 확보할 수 있게 해줍니다.
• 보증 관련 간접비 절감.공칭 특성화 시스템에 대한 시뮬레이션도 매우 유용하지만, 구성 요소에 허용 오차가 지정된 시스템에 대한 시뮬레이션을 수행하면 귀중한 통계 분석과 최악의 경우 분석(WCA)을 통한 성능 평가를 수행할 수 있습니다. 이를 통해 설계자는 제조 수율, 최종 품질 보증 검사를 통과하여 출하될 수 있는 제품 수, 또는 현장에서 고장 날 가능성이 있는 제품 수를 예측할 수 있습니다. WCA 시뮬레이션 정보는 재정적 난관을 우회하고 설계 변경 결정을 조기에 내리는 데 도움이 되어, 결과적으로 막대한 비용이 드는 보증에 따른 리콜을 방지할 수 있습니다. 

모델 기반 설계 무엇보다 먼저 “모델”이 필요합니다. Synopsys SaberRD 및 SaberEXP 시뮬레이션 제품은 설계 엔지니어가 시뮬레이션 목표의 각 단계를 차근차근 진행할 수 있도록 지원하는 ASML을 제공합니다. 이러한 라이브러리는 다양한 혼합 기술을 아우르며, 물리적 설비, 제어 대상 시스템 및 피드백 요소의 조립을 가능하게 합니다. 특화된 소자 특성 분석이나 맞춤형 모델 개발을 가능하게 하는 모델링 도구와 HDL은 엔지니어들이 모델 공백의 격차를 극복할 수 있도록 지원합니다. 이는 사용자가 모델링 문제를 해결하는 데 도움을 주며, Synopsys 다음과 같은 작업을 용이하게 함으로써 라이브러리 개발을 위한 툴 활용 효율을 높여줍니다:

• 소자 모델(BJT, MOSFET, IGBT, 다이오드, 배터리 등)을 특성 분석한다.
• 기존 모델 검증/확증
• 새 모델 만들기
• 제한 사항 및 경계 조건 조사
• 탑다운 및 바텀업 설계 방식 간의 격차를 줄인다
• 가상 하드웨어에서 고수준 코드부터 세부적인 임베디드 코드까지 실행하기

SaberRD와 SaberEXP는 설계의 견고성을 보장하기 위해 광범위하고 자동화된 분석 기능을 제공함으로써, 설계자들이 초기 수율, 응력 및 결함 분석을 통해 얻을 수 있는 상당한 이점을 실현할 수 있도록 지원합니다. 이 도구들을 통해 과부하가 걸린 부품이나 성능에 가장 큰 악영향을 미칠 가능성이 높은 부품을 포함하여 시스템의 핵심 부분을 식별할 수 있습니다.

모델 기반 설계 의 “가상 제조” 기법은 공차 문제로 인해 발생할 수 있는 수율 문제를 파악하는 데 매우 효과적일 뿐만 아니라, 엄격한 공차 사양이 필요하지 않은 부품을 식별함으로써 상당한 비용 절감을 실현할 수 있습니다. 이를 통해 고가의 좁은 공차 부품은 사용이 필수적인 경우에만 설계에 반영되도록 할 수 있습니다.

다음과 같은 ECU 에뮬레이터 Synopsys Silver 및 Virtualizer™과 같은 ECU 에뮬레이터를 사용하면, 하드웨어가 존재하거나 최종 확정되기 전인 설계 주기의 초기 단계에서, 또는 재사용되는 설계 플랫폼에서 소프트웨어 업데이트 및 검증의 일환으로 소프트웨어 버그를 조기에 식별하고 해결할 수 있는 본격적인 소프트웨어 테스트가 가능합니다.