什麼是「模型式設計 」？

例如，電阻器、電晶體、電機械致動器與馬達、熱液壓泵浦與閥門、電熱磁鐵、光纖、具有化學物質流動的燃燒引擎，甚至包括神經元突觸和人類心臟等生物系統，都可能屬於研究對象。為了使系統能夠可靠運作或符合設計要求，通常會採用反饋控制（類比、數位或兩者兼具），以監控輸出與輸入指令之間的關係，並確保符合系統的運作要求。

透過模型式設計 進行的模擬研究必須有明確目的，或是需解答的一系列具體目標或問題。例如，模擬可用於驗證系統設計，並在建構前優化硬體與軟體的實作，藉此避免可能耗費高昂成本的實體原型反覆測試。 其他用途可能包括行為敏感度分析、應力水準分析及功能安全故障（失效）分析，或是元件公差的統計變異性分析，並針對可靠性方面與預期性能進行驗證，以進行良率分析並降低保固成本，同時需權衡零件尺寸縮小與組裝成本的影響。

要實現模型式設計 的目標，必須具備以下三項關鍵要素：

1. 能夠進行特定裝置特性分析或自訂模型開發的建模工具，以及硬體描述語言（HDL），可協助工程師跨越「模型缺口」的鴻溝。在系統實作中整合模擬模型，即可產生被視為「虛擬原型」的可執行規格。
2. 設計知識以及對模擬目標的透徹理解。無論是基於應用理論的知識，還是實務經驗所形成的對系統行為的預期，都能在很大程度上消除實作過程中的低效現象。透過模擬所提出的問題，必須與所採用模型的精確度相符；否則，不必要的複雜性可能會阻礙專案進度。
3. 一款穩健且可靠的模擬器。在此，所謂「穩健」是指該模擬器通常能提供結果，以利進行設計故障排除；而所謂「可靠」則是指所提供的結果始終能被信賴，確信其確實反映了系統的狀態。 

模型式設計 可實現由 V 圖所描述的設計流程。 在流程的每個階段，都會使用適合該階段抽象程度的模型來表示系統元件並模擬設計。這些模型初期可能具有較高的抽象程度，用以建模宏觀行為，藉此探索整體概念與概念架構。但在需要探討更具體問題的不同設計階段中，隨著所研究設計逐漸定案，模型也會隨之變得更為詳細，直至整個系統能以適當精度的模型呈現，以驗證該設計是否適合投入生產。

將「模型式設計 」流程中的「實作與專案測試」部分獨立出來，並闡明建構可信賴模型的迭代過程，或許有所助益。在評估觀測行為與模擬行為之間的符合度之前，必須先進行模型驗證。模型驗證是指確認虛擬原型是否在指定的精度範圍內準確地代表系統模型。在理解並掌握這一點後，觀測行為與模擬行為之間的一致程度，便是模型驗證步驟的核心所在。 建立一個可接受且有效的模型，是一個迭代的過程。

一般而言，系統中的所有模型在導入更複雜的系統設計之前，確實都應分別進行特性分析、驗證與確認。

隨著設計工程師面臨日益增大的壓力，必須在更短的時間內以越來越低的製造成本，推出品質更佳的設計產品，因此確認設計穩健性的需求，如今已不僅限於驗證系統的標稱性能，更延伸至元件公差、良率及製造選項等領域。 同樣的準則也適用於現有的設計平台——這些平台通常會透過新增或更新功能，或提升效能特性而重複使用。為此，必須善用「模型式設計 」與模擬技術，以協助開發出穩健且不受公差影響的系統；在進行實體原型製作之前，即可針對這些系統確定良率、執行敏感度與應力分析，並識別關鍵零件。以下是「模型式設計 」的幾項關鍵優勢：

• 減少昂貴的硬體迭代。設計人員可以在系統建構之前驗證其設計並優化硬體與軟體的實作，或針對現有設計進行驗證與優化，從而避免可能耗費高昂成本的實體原型迭代。
• 提升功能安全性。透過實體系統的虛擬原型所產生的「虛擬煙霧」，意味著能夠高效且安全地進行嚴苛且全面的測試。這包括在感測器訊號錯誤、電壓下降或其他故障情況下，偵測潛在的嵌入式軟體故障，藉此對間歇性轉向穩定性情境進行合理性檢查。
• 縮短新產品開發週期的上市時間。模型式設計 方法論能極為有效地大幅縮短新設計的上市時間，並提供額外的關鍵彈性，以滿足客戶的性能要求。
• 降低保固間接成本。針對名義特性系統進行模擬固然非常有用，但若在組件具有指定公差的系統上進行模擬，則能進行極具價值的統計分析及最壞情況分析（WCA）效能評估。設計人員藉此可預測製造良率、預計有多少單位能通過最終品質保證檢驗並出貨，或是有多少單位可能在實際使用中發生故障。 WCA 模擬資訊有助於規避財務障礙，並及早做出設計變更決策，從而避免昂貴的保固召回。 

模型式設計 首先且最重要的是需要「模型」。 新思科技 SaberRD和 SaberEXP 模擬產品提供 ASML，使設計工程師能夠逐步達成其模擬目標。這些函式庫涵蓋多種混合技術，可組建實體設備、待控制的系統以及反饋元件。 那些允許進行專用元件特性分析或自訂模型開發的建模工具，以及高階數位邏輯語言（HDL），能協助工程師跨越模型缺口。這有助於使用者解決建模問題，並提升 新思科技 工具使用效率，使其更輕鬆地：

• 對元件模型（雙極性電晶體、MOSFET、IGBT、二極體、電池等）進行特性分析
• 驗證／確認現有模型
• 建立新模型
• 探究限制條件與邊界條件
• 縮小自上而下與自下而上設計方法之間的差距
• 在虛擬硬體上執行從高階到詳細層級的嵌入式程式碼

SaberRD 與 SaberEXP 提供廣泛且自動化的分析功能，以確保設計的穩健性，協助設計人員充分發揮早期產量、應力及故障分析所能帶來的顯著效益。這些工具能協助識別系統中的關鍵部分，包括過載的元件，或是最可能對性能造成負面影響的元件。

模型式設計 的「虛擬製造」技術，不僅能極其有效地揭示因公差問題所導致的潛在產量問題，還能透過辨識那些無需嚴格公差規格的零件，從而大幅節省成本，使昂貴且公差範圍較窄的零件僅在關鍵用途處進行設計。

例如以下這些 ECU 模擬器： 新思科技 Silver 以及 Virtualizer™ 等 ECU 模擬器，可進行真實的軟體測試，藉此在設計週期的早期階段（即在硬體尚未存在或尚未定案之前），或作為重複使用設計平台中軟體更新與驗證的一部分，及早識別並解決軟體錯誤。