數位孿生如何推動汽車產業創新

自首款三輪汽車問世以來，當代汽車已經走過漫長的道路。現今消費者為滿足忙碌、片刻不停的生活方式，期待更先進的功能，像是：媒體與娛樂選項、連線服務，以及智慧便利性等。半導體在賦予這些智慧功能上扮演關鍵角色。即便是最基本款的汽車也依賴 超過100顆微晶片來驅動各項功能，如氣候控制或自動空調系統；而擁有更先進技術的豪華車則常常需要超過150顆晶片。此外，如自駕車(AVs)之類的趨勢將很快成為常態；光是AVs全球市場預計至2023年將成長到6240萬單位。

然而，消費者需求不斷擴大，這就意味著汽車製造商和設計師需要挑戰更大的複雜性、創新和安全要求。為了滿足當今和未來汽車的演進需求，設計師需要在晶片設計過程的早期就採取或部署強大技術，以操作複雜的系統，同時不在安全性或效率上妥協。其中一項基礎技術就是數位孿生，這是一個能帶來多項優化的概念，包括更快速的上市時間、硬體和軟體更緊密的整合、提升產品質量，以及降低運營成本。

繼續閱讀，了解更多關於數位孿生的基礎知識、它們如何運作、為何此概念對新思科技涉足的電子設計自動化(EDA)和汽車產業至關重要，以及汽車產業的未來市場趨勢。

電子系統開發的數位孿生是什麼？又是如何運作呢？

韋氏字典(Merriam-Webster)將孿生定義為「兩個密切相關或彼此相似的人或事物」。在技術領域，數位孿生也是相同的概念。作為一個相對較新的術語，數位孿生是指實體系統和程式的數位副本。基本上，數位孿生是一個正在開發中的物體或系統的虛擬模型或代表，可幫助設計者或開發者在最終確定產品或系統前可以針對其決策先進行微調。

NASA在1960年代首次創造這個術語並付諸實踐，在地球上創建能與太空中的系統相匹配的實體系統。如今，數位孿生在醫療保健和建築到零售和汽車領域等多個產業和工程學領域中廣泛被運用，以優化系統或產品的設計和性能。

當談到數位孿生時，值得關注的是它可以在硬體和軟體層面上使用。在汽車產業中，可針對整輛車包含軟體、電子系統、晶片系統(SoCs)或幾乎任何其他零組件，都可以創建數位孿生。不論使用對象或運用領域為何，數位孿生通常以相近的方式創建：運用正在研究的產品或系統配備感測器，產生對其性能至關重要的數據，然後將這些數據轉發給處理系統，並應用在虛擬副本，即數位孿生。

從數位孿生收集到的洞見(insight)讓設計師能夠探究性能相關的問題、測試新功能，並在設計和製造過程中優化不同的產品元素。

汽車產業中的數位孿生

現代車輛包含超過1億行程式碼，軟體成為促成多數車輛特性或功能的關鍵之一。軟體內容數量的增加意味著系統效能的驗證變得更具挑戰性。汽車設計師不僅需要提升軟體品質和完整性，還需要改進虛擬軟體測試和安全性，以確保正常運作。

在這種情況下，數位孿生有不同的使用案例。「軟體優先」(software-first)的數位孿生技術透過在開發過程中以獨特的方式模擬開發過程中的每個步驟，以辨識並預防任何可能發生的失敗，解決了軟體對於驗證、測試和確認活動所帶來的影響。數位孿生還可以強化供應鏈上的軟體協作，並成為一套可操作的標準或工具，讓一家公司的系統可以被另一家公司採納當做子系統來使用。這也使得公司的數位孿生與客戶的數位孿生之間能夠無縫整合，從而促進不同領域之間的互動協作。

數位孿生對於「車輛電子/電機(E/E)系統」驗證也很有價值，允許早期的硬體和軟體整合以及前期測試，為加速汽車設計開創新途徑。這有助於減少在設計不足或過度設計上所花費的資源，並節省潛在的召回成本。數位孿生還提供公司產品從個別組件到完整系統的可擴展性。例如，在電子供應鏈中，這可能從個別的硬體IP開始到SoC，然後到電子子系統，最終到整個系統。

總體而言，這個概念為汽車行業帶來廣泛的好處，包括更早的開發和測試、提升生產力和性能、在公司內部和跨公司之間的協作提升，以及更快交付成本更低、更安全的系統。

展望未來

隨著高度自主和先進駕駛輔助系統(ADAS)成為汽車產業在短期和中期的主要重點之一，數字孿生使用案例可望持續發展以支援這些系統。其中的應用可能包括：

• 架構探索：為了推動自動駕駛和ADAS的設計，將需要新型、更強大的系統單晶片(SoCs)。半導體廠商需要在開發早期即進行架構探索，以滿足日益增加的OEM工作量。專門為架構探索設計的數位孿生可以幫助改善協作。
• 在晶片可用之前進行開發：透過使用虛擬原型、仿真、現場可編程閘陣列原型(FPGA)和混合數位孿生，半導體公司可以在晶片確實可以用之前，提早進行軟體開發、硬體和軟體整合，以及SoC驗證等工作。
• 空中下載技術(over-the-air; OTA)加速測試和驗證：電子控制器(ECU)開發商可以重複使用半導體模型或建立更抽象的模型，像是主機擴充，來加速測試和驗證工作。也可以將ECU整合到車輛模型，增加車輛動力學、傳感器和交通模擬來解決系統整合問題；同時也可以持續用於測試和驗證需要透過OTA軟體更新交付給車輛的軟體。

這些只是數位孿生未來幾年內將在汽車產業中發揮的眾多作用的部分例子。數位孿生能夠為汽車製造商、設計師和OEM帶來顯著的好處，成為促成這個產業眾多進展的關鍵推手。儘管新思科技已經提供一系列廣泛支持數位孿生的解決方案，並且與生態系統合作夥伴有許多合作，但我們將在這個領域持續發展和創新，以支持汽車產業及其新興應用。

新思科技提供一系列廣泛的虛擬原型技術，以支援汽車電子系統開發中的數位孿生，包括：

• Synopsys Silver 用於軟體迴圈(software-in-the-loop)
• Synopsys Virtualizer Development Kit (VDK) 用於虛擬硬體和虛擬硬體迴圈(virtual-hardware-in-the-loop)
• Saber用於電力電子和機電設計及模擬

也可將這些技術和相關模型整合，建立一個虛擬車輛開發平台。

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