数字双胞胎破译

自从2016年西门子收购了导师图形,一个新的短语变得更加常见的半导体产业,数字的双胞胎。是什么,在半导体行业将产生何种影响,尚不明朗。

事实上,许多业内人士都抓狂了。最初的反应是该行业创造了现在称之为数字双胞胎在过去的30年。在某些方面,他们是正确的。

可以找到合适的定义从一篇论文从航空,航空航天和国防工业:

• 数字双是一个数字表示当前状态的产品或系统在任何给定的时间点上。
• 数字线程是一个数字记录的所有国家制造产品或系统随着时间的推移,从概念到处理。

在半导体行业的背景下,弗兰克Schirrmeister,高级组的产品管理和营销总监节奏,定义了术语适用于仿真产品。“数字双是一个数字表示产品或系统的开发代表一个功能正确,产品或系统的可预测性和可再生的表示在适当的精确度进行验证,性能分析和系统验证任务。”

许多添加另一个重要的区别。“从概念上讲,它还集成了系统的实际运行数据,”罗兰Jancke说,头的设计方法弗劳恩霍夫IIS /东亚峰会。“从而模型改进,操作策略调整。数字双学习在整个生命周期和手,知识在真实世界的双胞胎。”

此外,有些事情是更好的在虚拟世界中。“使用数据和模拟的结合可以提高监测通过添加虚拟传感器,“Sameer kh补充道,主任系统和数字双胞胎有限元分析软件。“例如,这使您能够添加温度探讨IC没有物理方法来测量它。”

这可能听起来很熟悉的人在半导体领域。“你把芯片的行为,无论是功能,热,机械、CFD-all各种流程的芯片,是整个EDA产业的目的,”乔说Sawicki,执行副总裁,导师IC EDA导师,西门子业务。“提供数字双胞胎行为是这样做,它可以模拟,验证,你可以预测设备的产量。”

其他人也同意。“你想设计的电子系统,或者你想开发软件系统,你想验证软件与现实世界的关系在实际环境中,也许使用FPGA原型?”马克•Serughetti问商业拓展部的高级主管和产品营销汽车解决方案Synopsys对此。“关键是数字的双胞胎是意味着结束。”

数字双范围
数字双的概念被用于几乎从第一集成电路芯片设计。”计划和开发一个模型代替实际的电路,并确保两个显示相同的行为刺激相同的信号,”弗劳恩霍夫的Jancke说。“你甚至可以开发软件使用模型和信任,它将在硬件上运行。这些原则是不可避免的在设计今天的multi-billion-transistor设计。”

为什么我们现在听到这个术语数字双是因为增加的EDA和半导体行业的范围。“在最高水平,考虑到飞机的范围,“Schirrmeister说。“数字双数字版本的设计,这个系统,我可以用真实的数据和做一些有意义的分析。”

汽车一直在使用数字双胞胎很多年了。“他们一直在做它在机械领域,现在他们正在看他们如何在电子产品领域,“Serughetti解释道。“最终,电子系统不是独立于机械系统,因为你正试图控制的东西。你必须把机械双电子双胞胎一起一起一起twin-all当您构建的软件系统”。

汽车工业应该以半导体产业为向导。“他们需要建立一个类似半导体行业所做的方法,“Serughetti补充道。“他们想建立一个虚拟开发过程和表示。在这种情况下SystemC-level。”

得到正确的抽象可能会非常棘手。说:“这一切都取决于富达Schirrmeister。“如果系统完全模拟所有的细节,你可以不会,你会得到完全相同的结果作为物理系统。如果不是这样,你仍然可以做一些有意义的分析在系统层面看数字双真正的数据意味着什么。”

“我们经常谈论混合模拟上运行,它汇集了RTL模拟盒子在并行工作虚拟样机这有一个非常不同的抽象层次,“Serughetti说。“你把虚拟样机的不一定是你正试图验证。如果你用RTL模型和车辆模拟使用它,它不会工作,因为它是太慢了。你需要一个不同的模型。”

这一趋势复苏是一个术语,失宠几年前。”芯片,它的意思电子系统级(ESL)模型需要足够抽象,能够集成到一个更大的系统环境模拟、“Jancke说。“然后整体概念可以验证,控制算法和操作策略可以开发甚至失败场景运行之前真正的硅谷”。

数字双胞胎可以很抽象。“我可以建立一个完整的数字双产品,像iPhone SDK,“Schirrmeister说。“这是一个数字。我可以做软件开发和应用数据从一个真正的设计,看看我得到一个电话在玩愤怒的小鸟,一个日历invite-will实际上做错了。”

获得的价值
很少有意义的价值来自于提高已经存在的功能。只有当一个全新的功能是提供变得真正有趣的行业。

“如果你正在做一个网络芯片,你可以通过它运行包一整天,”Sawicki说。“很容易在你的数字验证环境。同样的事情对于一个CPU。我可以启动一个操作系统,运行应用程序,就足够了。但是当你谈论一些针对激光雷达阵列,运行一些成像,其他传感器运行和制动系统,人们非常感兴趣的是抓我们的数字处理元素的双胞胎,这样他们可以做的更重要的验证。这开始找到你找不到的问题没有?有大量的工程被赌。”

数字双管理所有数据。”的数据量,你必须看看变得如此之大,你不能理解一个物理系统,“Serughetti说。“这就是为什么你需要数字的双胞胎。在数字环境中你有更多的设施综合数据模拟,等等。”

Schirrmeister表示同意。“我们增加了水平范围,没有人可以理解在他们的头。这涉及到特定的任务,他们会习惯。我构建的是一个特定的子集和一个非常具体的忠诚与特定的接口进入现实世界和这样做的方式比在现实世界中容易得多。”

需要的业务价值是显而易见的。说:“我们将使用它进行故障预测,ANSYS的kh。“使用模拟,我们可以预测稳态温度或行为这将意味着失败。它还支持“如果”分析,可以用来执行优化。鉴于目前的操作条件,采用离线数字双我们可以预测和优化物理设备的行为。”

不仅仅是模拟
仿真模型是数字形式之一的孪生兄弟,但数据也可以是数字的双胞胎。“模拟是当你想看到的行为,“Serughetti说。“想象一下我的人正试图与聚合数据连接在车里。我的数字双不需要机械或行为信息,它可能只需要知道如何相互联系的。所以有一个数字的概念双重满足一定目标。”

它还可以被限制在一个特定的设计流程的一部分。“你会满意图纸相关基于数据,你不需要一个从模拟数字的洞察力,“kh说。“这可能是因为它很简单。纯数据可能让你60%的精度水平的预测,并可能适合某些情况下。但当你需要更多的洞察力和物理,当仿真数字双胞胎进来。”

账单的材料(BoM)代表另一种类型的数字的双胞胎。“战斗机上的集成来自1600家供应商的200000个部件使用3500集成电路和200独特的软件,芯片有超过2000万行”Schirrmeister说。“有汽车的工具,你可以看一下零件编号。从VIN号码,我想确认如果汽车这个特殊的芯片,有三个供应商,比其他人更失败吗?这是我可以做在我的数字分析双运用真正的数据。”

扩展到生产
正在使用的一些概念。“你也可以考虑一个数字双胞胎在制造过程中,“Serughetti说。“双发挥作用的问题是如何优化生产过程。”

这是一个专注的DVCon主旨演讲由弗拉姆号Akiki,电子行业战略的副总裁西门子PLM软件。“当我们考虑第一次对一个设计的概念,想象的重要性有一个相当于第一次对半导体生产设备。看着7海里时,300毫米设施成本超过15美元b,在你身体真的想实现,你最好有一个很好的虚拟数字模型的设施将建和优化。”

图1:数字双胞胎的概念延伸到生产。来源:西门子

Akiki指出阶段之间的界限是模糊和溶解。他认为,设计生产能力变得更加敏感和潜在的成本与使用特定功能有关。

在许多情况下,设备在生产上也可以受益于一个数字的双胞胎。“我们已经建立了一个数字双plasma-enhanced化学气相沉积(PECVD) ", " kh说。“我们需要一个详细的计算流体动力学(CFD)的热分析设备的扩充的控制。当新蒸汽注入,温度可以改变在晶片的表面,所以它是重要的调节和监控。这是一个应用程序,一个数字的双胞胎,本质上关注的是晶片的表面温度模型的一些外部输入。”

构建数字双
大多数模型为芯片设计直接建造在产品的发展道路。作为一个行业我们理解与整合不同的模型相关的问题,尤其是当他们使用不同的抽象或者物理。“没有一个齐次平台或环境,“kh指出。“有一个解决方案和系统的异构性。基于仿真的数字双胞胎融入任何操作平台的存在。对于一个工厂来说,这可能是一个制造执行系统(MES),等等。这可以很难找出哪一个融入。有一些集成工作需要。”

它是更加困难当模型必须来自多个来源。“几个模型从不同的供应商在多种语言使用不同的模拟原则必须集成到一个高效的仿真模型,“Jancke补充道。“这姿势严格要求各个部分之间的接口和总体框架。”

一些公司帮助创建数字双胞胎。“我们创建虚拟原型几个半导体公司,“Serughetti说。“然后我们去他们的客户和他们的系统有不同的定义,这是SoC,单片机和董事会组件。他们想要的工具,使他们能够独立创建它。但它确实需要很多的专业知识将这些模型和仿真在一起。”

模型可用性是一个问题。“虚拟原型是时间的问题,”Sawicki说。“这不是关于时钟周期;它是关于当你可以得到模型。当你建立一个模型,有足够的精度在整个系统运行有价值,它是到目前为止的过程不再帮助你。RTL可能不是自然行为级仿真,但当你需要模拟它。仿真允许你能够得到一个有意义的数字模拟的系统”。

模型的维护是另一个问题。“直到我们有一个流有一个金色的输入模型,所有的数据都自动的我将有一些恶劣的影响,早期表示,“Schirrmeister说。“我永远不会更新虚拟平台保持与实际实现同步。我需要自动创建实际的双胞胎这一切在数字双体现在实际的双胞胎。数字双可能没有正确的忠诚,它可能不是在同步。如果我更新一些寄存器,数字双胞胎可能打破,因为软件不能运行。所以我需要去高级建模。挑战性的问题仍然存在。”

这可能不是一个问题对于某些行业最感兴趣的数字的双胞胎。“他们可能使用基于模型的系统工程(MBSE),用于需求工程过程映射到实际的模拟文物,然后一路回系统,“kh说。“我们如何确保被传播到任何更改要求,这样生成的模型是有效的?我不认为你必须解决整个问题为了得到数字双胞胎。你需要建立这些系统级模型作为工程和验证阶段的一部分,你在哪里将芯片与软件相结合,与热models-whatever在系统得到的信息来满足原始需求。”

kh在模型方面也有一些好消息。“渐渐地,随着模型开始流链,你会看到更多的采用,并最终(模型)可能会要求。大公司可能要求他们的供应商生成twinable模型。它是未来,但最初的成功往往是设备制造商,可以提取他们的商业模式添加服务他们的客户。”

结论
EDA行业可以两种方式中的一种方法。它可以假设我们知道所有的答案,努力把现有解决方案进入其他行业,也可以听取他们的意见,了解他们的具体需求,也许创造一些更好的模型开发流。

“我们正在许多相同的技术,已经被使用在集成电路方面,应用他们上游系统上下文,“Akiki说。“这不仅仅是连接数字双胞胎和数字线程进入数字织物,虽然能够把上游专业知识并将其部署到一个系统被证明是强大的。有一些扭转技术,也正在发生,我们看着某些问题行为模型从系统的角度来看,应用程序的SoC发展尤其因为它涉及到诸如功能安全。”

我们都需要学习。“一些原则仍然需要引入集成电路设计的世界里,如改进的仿真模型从野外数据,”指出Jancke。“我们也看到价值在便携式刺激从概念层面通过测试设备的电路设计,只有少数的名字。”

理解数字双胞胎的关键是应用程序的数据。“每一个问题有一组特定的技术和能力,已建成多年来,我们可以借鉴,“kh说。“我们需要能够迅速捕捉真实数据和使用它来验证。”