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この資料は、2016年1月13日～15日に開催されたカーエレクトロニクス技術展でメンター・グラフィックスのブースで行ったプレゼンテーションをまとめたものです。
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メンター・グラフィックスが持つ自動車業界向けソリューションとテクノロジは、このように多岐にわたります。
自動車業界における幅広いソリューションポートフォリオと深い経験値でサポートをしています。
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まずは「クルマの電気アーキテクチャを設計段階から最適化する手法」について説明します。
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これは2013年のTHE HANSEN REPORTに掲載されたメルセデスベンツSクラスに関する数字です。
ECUの数は２００、ソフトウェアのコード数は6500万行、ネットワークは144、そしてワイヤリングは4293メートルにも及びます。
車両プラットフォームの検討と設計は、複数の異なるドメインから成り立っています。
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自動車の電気電子アーキテクチャは、１つのグループでは完結できません。
機能アーキテクチャに始まり、ソフトウェア、ネットワーク、システム論理回路、そしてワイヤハーネスのアーキテクチャです。
ワイヤハーネスは、最後に開発され、最初にインストールされる電気部品であるため、自動車の納品時期にも直接影響を及ぼす部分と言えます。
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しかし、最終段階でようやくプラットフォームを評価し、そこで問題見つかれば、前の工程へと戻らなくてはなりません。
現在の設計手法では、初期段階からコストが見積もれない、さらに設計期間の50%以上が、設計変更に費やされるという状況になっています。
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現在の電気アーキテクチャ設計では、ロジック、ネットワーク、ワイヤ、ハーネスごとに図面入力を行い、検図が行われます。まさに図面が神様になっています。
それに対して、メンター・グラフィックスが推進するフローは、データが神様となる開発フローとなります。
これにより企画段階から、ワイヤハーネスの量産、保守サービスに至るまで、共通のデータベースを使用することになります。
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データ中心のフローを可能にする技術が配線合成による自動化です。
設計IPや、新たな論理システムをすべて取込みます。
メカニカルな３次元モデルからフラット化した配置情報と配線情報のモデルをプラットフォームとし、設計IPや新たな論理システムをすべて取り込みます。
このプラットフォームに対して各デバイスや論理システムを自動配置していきます。
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そして合成エンジンを使って、すべてのワイヤリングシステムを合成します。
流用設計が行われる場合、この図で赤いワイヤで示されているように、差分を配線することができます。
オプション装備によってワイヤリングは異なりますが、そのすべてのワイヤリングシステムに対して自動合成を行います。
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また最新のモデルベースの技術を用いて抽象化すると、PCB実装のハードウェアやソフトウェアで実現される機能も、コンポーネントに紐付けさせることができます。
接続信号は、ネットワークのアーキテクチャとして紐付けします。
この割当てはユーザーがマニュアルで行うことも、ルールベースで自動的に割当てを行うことも可能です。
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このモデルベース設計では、PCBハードウェア、ソフトウェア、ネットワーク、そして電装システムといった、複数のドメインの総合的なエンジニアリングを行うことができます。
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プラットフォームとしてのワイヤ数やクラスタ数などの評価、ECUのCPU使用率の評価、ネットワーク負荷の評価、そしてECUのタスクマージンなどが、その指標の例です。
自動車の電気アーキテクチャ探索は、さまざまな意志決定の連続といえますが、このような総合的な指標を用いて、設計の早い段階から評価検討を行うことで、すべての工程において正しい意志決定が可能になります。
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図面中心のフローではなく、データ中心のフローにすることで、電気電子アーキテクチャの後工程、つまり量産のエンジニアリングやその先へとフローを進めることができます。
電気アーキテクチャの設計と、ワイヤ・ハーネス工場における製造能力やコストなどのモデルを統合し、製造プロセスやコスト、ドキュメントへと自動化します。
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その１つの例が、製造現場において重要な作業指示書です。
さまざまな工場の拠点に対して製造能力にあったプロセスを自動的に導きます。さらにその拠点で使われる言語を用いた作業指示書も自動合成します。
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データ中心のフローは、保守サービスドキュメンテーションにもつながっていきます。
この保守サービスドキュメンテーションは、ダイナミックに生成され、ネットワークを経由して配布されます。
VOLVOでは2800箇所のサービスセンターにスマートに配布されています。
オプション装備が複雑化することで、クルマ１台１台、異なるワイヤリングが行われています。車両識別番号を入力することで、該当する個別のクルマを特定し、サービスを行うのです。
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オプション装備が複雑化することで、クルマ１台１台、異なるワイヤリングが行われています。
スマートな保守サービスドキュメンテーションを使うと、車両識別番号を入力することで、該当する個別のクルマを特定し、サービスを行うことができます。
Capitalは電気電子アーキテクチャの定義、設計、製造、保守サービスまでを、共通のデータベース上で自動化させる、エンタープライズ型ソリューションです。
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続いて、「ISO26262認証コストを抑えた車載組込みシステム開発」について説明します。
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自動車の電気化、電子化はとどまるところを知りません。
「走る、止まる、曲がる」といった自動車の基本もソフトウェアで制御されているほか、インフォテイメント、デジタルクラスタ、ADASなど、ソフトウェアコードは１億行にもなると言われています。
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コックピットへの情報の集約、コンシューマ・エレクトロニクスとの統合、これらは、自動車をより快適で安全なものへと 革新させています。
同時に、従来は分かれていた複数のドメインが統合され 新たな課題も生まれているのです。
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メンター・グラフィックスでは、このような課題に対して、「Connected OS」を提案しています。
Linux、AUTOSAR、Nucleus RTOSをベースに、オートモーティブ向けのサウンドとビジュアル、ネットワークなどのスタックを提供しています。
またSysDKという、オートモーティブ・グレードのリファレンスデザインも用意しており、POC - プルーフ・オブ・コンセプトから量産開始までを加速します。
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オートモーティブ・オーディオの１つ、アクティブノイズ コントロールについて ご紹介しましょう。
エンジン音やロードノイズなど、自動車の室内はノイズであふれています。そのノイズと逆相の音をスピーカーから出し、クワイエットゾーンを作る というものです。
自動車の室内はヘッドフォンとは異なり、広い空間が対象になるため、数多くのマイクロフォンと数多くのスピーカーによって、広いクワイエットゾーンを作ります。
メンター・グラフィックスのANCは、エンジンの回転数などをリファレンスとすることで、高精度のノイズトラッキングを可能にします。
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オーディオだけでなく、例えばリアシート・エンタテイメントや、サラウンドビュー・モニターなど多くの映像情報を扱うようになりました。
カーナビとデジタルクラスタの情報共有、ヘッドアップディスプレイへの表示など、ビデオ処理では高速なネットワークが必要です。
Connected OSでは、車載イーサネット、Ethernet AVBのスタックを装備し、マルチディスプレイ、リモートレンダリングなどをサポートしています。
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ここでデジタルクラスタについて見てみます。自動車の機能安全の規格であるISO26262では、ASILを定めています。
機能集約したクラスタには、異なるASILや 認証の対象とはならない機能も含まれます。
例えばADASなどからのアラート表示には 高い安全レベルが求められますが、３次元処理のスピードメーターにはそれほど高い安全レベルが求められないかも知れません。
デジタルクラスタ全体で機能安全を認証するには、膨大な時間とコストを要します。
そこで機能安全に関する機能を分割し、必要な部分のみ 認証を受けます。
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その認証の際に助けとなるのが、SEooC という考え方です。これは、すでに安全認証されたコンポーネントを、再利用しようというものです。
コンポーネントの安全認証を受ける時、そのコンポーネントがどのように使われるか分かりません。そこでコンポーネントサプライヤは アウト・オブ・コンテキストで認証されたコンポーネントを、コンテキストに統合するためのパッケージを用意します。
例えば、メンター・グラフィックスの Nucleus SafetyCert というリアルタイムOSは、ISO26262のASIL-B安全認証を受けています。
そしてデジタルクラスタなどを開発するユーザーに対してセーフティーマニュアルなどをパッケージとして提供しています。
ユーザーは、自分のコンテキストで安全認証を受ける際に、コンポーネントとそのセーフティパッケージを用いることで、コストを抑えることができるのです。
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そして認証対象を絞った部分に対しては FFI - Freedom From Interferenceも重要なコンセプトです。
これは 安全認証の対象が、非対象部分から影響を受けないことを確実にするという考え方です。
具体的には、不正なポインターアクセスなどで メモリイメージが変更されないこと、正しくない割込みなどで時間遅延が発生しないこと、データの改ざんが無いことなどを保証することになります。
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他から受ける影響としてセキュリティも考慮する場合には、ARM 社のTrustZoneのようにハードウェア上で明確に分割することも考えなくてはなりません。
その際にマルチコアで異なるOSを実行するためには、メンター・グラフィックスが提供するハイパーバイザーとの組合せが必要になります。
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さらに仮想ECUを用いて故障注入を行い、ECUの振る舞いを観測することも機能安全を高める上で重要です。
仮想化すると ECUの振る舞いが決定的なものとなり１００％の再現性が得られます。１００％の再現性は特にマルチコア構成で故障注入を行う際には必須でしょう。
また非侵襲的なトレース技術を用いることで、トレースすることで タイミングが変わったり、振る舞いに影響を及ぼすことがありません。
Connected OSから仮想ECU、機能安全を含めた幅広いソリューションについてご紹介しました。
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続いてここからは「仮想化技術を駆使した機電一体開発とPCB設計製造」について説明します。
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クルマのモジュール開発では「機電一体」と呼ばれ、機械と電気を一体化してOEM に提供する方法が増えています。
例えばモーターはソフトウェアによって制御し、トルクや回転数などの特性の最大化を図ります。
その制御ECUとモーターを一体モジュールにすると、ECUと機械部品の間のワイヤが不要になります。また機械部品の品質のばらつきを、ソフトウェアで調整することができるといったメリットがあります。
一方で、機械部品の振動や電磁波など過酷な環境下でもECU動作を保証しなくてはならない、といった課題もあります。また大電流を扱うECUでは、自己発熱が増える中で信頼性を確保する必要もあります。
メンター・グラフィックスは、このような開発課題に対して、仮想化の技術を用いて、コンピュータ上で設計と解析を行う手法を推進しています。
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オレンジ色の部分、実機開発では、メカニカル解析やソフトウェア開発などを別々に行い、その後に統合を行い、テストフェーズへと入ります。テストは多くの労力と工数を要するフェーズです。
仮想化を行うことで、メカニカル開発と解析、ECU開発、ソフトウェア開発をコンピュータ上で同時に行い、システムとしてシミュレーションすることができます。
この結果、テストに要する労力と工数を削減することができます。
さらに、仮想化された環境では再現性が高く、実機では不可能だった様々な解析を行うことができます。例えば多様なパラメータをスイープさせさまざまなコーナー解析を行うことができます。
また、どのパラメータが、最も重要な性能指標に影響を及ぼすのか、あるいはワーストケースでのシステム耐性が保証されるか、などの解析が可能です。
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システムシミュレーションでは、さまざまなドメインを錬成させる必要があります。メンター・グラフィックスが持つ連成シミュレーションのコアテクノロジを使い、システムの論理評価を行います。
SystemVisionではVHDL-AMS標準言語を用いたメカトロニクスの振舞いをシミュレーションします。VistaではECUやマイコンを仮想化し、実際のソフトウェアを実行させます。AUTOSARにも対応しています。
そしてナショナルインスツルメンツのVeriStandを使うことで、様々なシナリオをテストを行うことができます。実機で使用するテストを、完全に仮想化された環境でも使用することが可能です。
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ここで、モーター制御ECUの プリント基板設計を、システムの観点から解析する例について見てみましょう。
ECUの回路設計は、要件仕様の管理とトレーサビリティ追跡環境から開始します。基板レイアウトは、設計データ、および実装要件や制約をベースに行います。
回路設計からは回路シミュレーションと、レイアウトの両方にフローが流れます。SystemVisionでは、ECUマイコンのハードウェアやモーターの制御ソフトウェア、モーターの駆動回路、モーターのJMAG-RTのモデルを含めシミュレーションします。
ここで計算された部品の発熱量は熱解析ツールであるFloTHERMへ、また大電流を扱うプリント基板ではジュール発熱も重要な要素です。HyperLynxで計算し同じくFloTHERMに渡し、部品と配線パターンを含めて解析します。プリント基板上の各部品については、T3Sterを用いて過渡熱測定を行い、そこで得られる熱抵抗や熱容量から部品の熱情報として取込むことができます。
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さて、機電一体のECUに搭載されるプリント基板には、高い品質、安全性、信頼性が求められます。
設計段階でのシグナルインテグリティ、パワーインテグリティの確保はもちろん、３次元での電磁界解析や振動シミュレーション、熱シミュレーションなどが欠かせません。
またハウジングの制約から、プリント基板を３次元で行い、筐体設計と連携させることも必要です。
一方で、製造工場と連携して、品質や信頼性を高めていくことも 必要です。製造性の解析では、工場ごとに異なる製造上のルールをフィードバックさせます。
またOEMに対してはプリント基板の部品や部材のトレーサビリティ、製造プロセスのトレーサビリティも、自動的に提出できる体制が必要です。
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メンター・グラフィックスのプリント基板設計ツールは、グローバル化にも対応可能なチーム設計、同時設計が可能です。
またレイアウト設計者の意図に沿った自動化を可能にするスケッチベースの配線プランニングや、製造性検証により、手戻りのない設計フローを実現しています。
回路、レイアウト、解析などがスムーズに行えるのは、iCDB と呼ばれるデータベースに すべてが統合されているからです。
ライブラリ管理はもちろん、設計データ管理するシステムは、流用設計が多い今日の設計スタイルでその実力を発揮します。
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一方で、こちらは プリント基板の製造工場の仮想化です。Valor MSS というソリューションは、工場を仮想化するという発想です。
プラント、フロア、ライン、製造装置といった階層単位で管理します。
実際の装置とは API により連携しマシンから自動的にデータを収集し、これをベースに様々なソフトウェアモジュールを組み合わせて、工程経路、作業指示書、スケジュール、生産性の管理とレポートを自動化します。またライブラリの一元管理や、ジャストインタイムの部材管理も可能です。
また自動車ECUで求められる、トレーサビリティについてもソリューションを提供しています。
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プリント基板の製造フローは、さまざまな製造装置による 数多い工程を必要とします。
組立てや製造工程の間では、検査情報を収集します。自動的に収集可能なデータや、目視によるインスペクションのデータもありますが、それらを一元管理します。
受入れ、入庫から出荷に至るまでを記録、管理し、製品のトレーサビリティのレポートとともに、納品することが可能です。
メンター・グラフィックスのPCB設計・製造は、フロントローディングによる性能や品質の確保、それをそのまま工場に受け渡し、品質のレポートとともに納品されるという一気通貫が実現可能です。
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続いてここからは、「過渡熱測定と熱解析の自動化」について説明します。
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自動車の電気化、電子化は、留まるところを知りません。EVやHVなどが普及しているだけでなく、ガソリン車においても電気が重要な役割を担っています。
最近では48Vの電装品も登場しており、48ボルトと12ボルトのネットワークの混在には、必ずDCDCコンバータが使われています。
IGBT、MOSFET、パワーダイオードなどの重要性が高まるなか、その品質や熱の問題、信頼性などが課題となっています。
ここにあるインバータ／昇圧コンバータの例は、メンター・グラフィックスのWebサイト、News & Views onlineで取り上げた、「トヨタ自動車のハイブリッドへの取組み」という記事にあるものです。
このトヨタの事例では、メンター・グラフィックスのT3Sterを導入することで、部品構造とその熱流経路を把握することに成功しています。そして耐久試験の前後で、熱放出特性が変化したことを突き止め、製品寿命の弱点を補うだけでなく、試作や設計のやり直しを少なくすることで、開発コストの削減にもつながっています。
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T3Sterは、トヨタ自動車を始めとする自動車開発での高い実績を誇る、熱測定装置です。パワーデバイスの熱抵抗や熱容量を測定します。
このテクノロジを応用して、パワーLEDの高精度測定に応用したり、あるいはティムの冷却経路の検証に応用しています。
さらにパワーテスターでは、パワーサイクル試験と熱解析を用いて、劣化原因の診断や信頼性の評価を実現しています。
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T3Sterで行う過渡熱測定の方法についてご紹介します。これはJEDECで定義された測定方法です。
半導体デバイスを構成するPNジャンクションに電流を流し、サンプルをヒートアップさせ、そこで安定させます。左のグラフ、P1の状態です。
次に、温度測定用の固定電流である微小電流にスイッチします。左のグラフ、P2の状態です。
ジャンクション温度は、そこから室温に向かって下がっていきます。右のグラフはその順電圧を測定し、Kファクタで温度に変換したものです。
そして熱抵抗は、右上の式にあるように、温度の変化分デルタTをパワーの変化分デルタPで割った値となります。
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左のグラフは過渡熱測定の生データになります。この過渡熱測定データからT3Ster専用のソフトウェアで右のグラフのような構造関数を算出することができます。この構造関数から熱抵抗や熱容量など、これまでどの装置も出すことができなかった結果を得ることができます。
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左上の絵は、ヒートシンク上に半導体パッケージを置いた状態の断面図です。パッケージの中の半導体チップ表面がジャンクションです。
チップとベースの間にはダイ・アタッチ、パッケージとヒートシンクの間にはグリースが塗ってあります。ジャンクションで発生した熱は、ヒートシンクに引っ張られ下方向へ流れます。
この構造は左下にあるような熱抵抗・熱容量のラダー・モデルで表現することができます。これを構造関数で表すと右グラフになります。X軸は熱抵抗、Y軸は熱容量です。
グラフの原点がジャンクションに相当し、次にチップ特性、ダイ・アタッチ、ベース、グリースの順番に特性が見えてきます。そして最後のヒートシンク部分では熱容量が無限大となります。
このように構造関数から、それぞれの材料の熱抵抗、熱容量を求めることができます。この構造関数は色々なアプリケーションに応用できます。
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その１つがパワーサイクル試験です。
Power Tester 1500Aは、パワーサイクル試験と熱解析によって、電子部品のシミュレーションを実施し、製品ライフサイクル全体を通じた性能を測定します。
サイクル試験で伝熱スタックの変化とそれに伴う電気特性の変化をとらえ、複雑に進んでいく劣化状況を把握することができます。
数万サイクルから何百万サイクルもの電力をモジュールに供給しながら進行する劣化の様子を「リアルタイム」で診断します。
ですので、事後解析や破壊故障解析を実行する必要もありませんし、事務所と実験室を行き来する必要もありません。
実動作に近い現実的な状態をシミュレーションするため、パワーオン／オフ時間一定、ケースの温度スイング一定、稼働中のジャンクション温度上昇一定など、幅広いパワーサイクリングの設定が可能です。
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T3Sterのもう一つの応用例が、パワーLEDの熱、そして光放射特性の評価です。
T3Ster TeraLEDは、ハイパワーLEDの熱／光放射／光度特性を総合的に評価することができます。
T3Ster本体を使用して、テスト対象のLEDに電力を供給し、過渡熱を測定します。
光の放射測定には積分球を用います。直径300mmの積分球には、温度制御が可能なサンプルを固定するための治具、リファレンスLED、検出器ヘッドが装着されています。
また さまざまなフィルタを搭載したフィルタバンクも装着します。
この２つを１つのシステムとして使用することで、光と熱測定値を総合的に評価できます。測定された放射光の強度と、LEDの熱パラメータを合わせて計算することで、照明出力特性と 実際のジャンクション温度を関連付けて評価します。この評価は自動化されているため、何日もかけて手法で評価する必要がなく、わずか数時間で完了します。
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T3Sterで測定した熱情報を使って、プリント基板、ICパッケージなどの電子機器の熱解析を行うことができます。
過渡熱測定結果と、シミュレーションモデルを一致させる、自動キャリブレーション機能を備えているのです。
プリント基板のレイアウト情報を読み取り、パターンを意識した熱流体解析を行い、固体表面温度分布として表示させます。また冷却時においても、放熱のボトルネックとなっている箇所を特定することも可能です。
FloTHERMはグリッドの中で最も安定性が高く、数値効率の高い直行グリッドを採用しています。必要に応じて、局所的に詳細な解析が可能です。この連携は、機電一体のECU熱設計には欠かせません。
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その例がこちらです。モーター制御ECUのプリント基板設計のフローの中で、高精度の熱解析を実現しています。
ECUの回路設計は、要件仕様の管理とトレーサビリティ追跡環境から開始します。
基板レイアウトは、設計データ、および実装要件や制約をベースに行います。回路設計は、基板レイアウトと回路シミュレーションへとフローが流れます。SystemVisionでは、ECUマイコンのハードウェアやモーターの制御ソフトウェア、モーターの駆動回路、モーターのJMAG-RTのモデルを含めシミュレーションします。
ここで計算された部品の発熱量は熱解析ツールであるFloTHERMへ、
また大電流を扱うプリント基板では ジュール発熱も重要な要素です。HyperLynxで計算し、同じくFloTHERMに渡し、部品と配線パターンを含めて解析します。
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今回ご紹介している製品は、メンター・グラフィックスが持つ幅広いポートフォリオの一部に過ぎません。
自動車業界向けソリューションとテクノロジは、メンター・グラフィックス・ジャパンのサイトをご覧ください。
www.mentorg.co.jp/automotive
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