애널리스트들의 추산에 따르면, 2025년까지 전 세계적으로 연결된 기기의 수가 2백억~3백억 개에 달하게 되어 11조 달러에 가까운 시장 기회가 창출될 것이라고 합니다[1]. 공장 자동화, 스마트 시티, 가전제품 및 의료 분야에서의 혁신이 두드러지는 한편, 전 세계 경제의 거의 모든 측면이 사물 인터넷의 “수집-연결-상관관계 파악(collect-connect-correlate)” 가치로부터 영향을 받게 될 것입니다.

조사 전문 기업 Gartner는 사물 인터넷과 같은 디지털 기술은 비즈니스 모델을 변화시키고 있으며 모든 산업에 파격적 혁신을 가져오고 있다고 지적합니다. 예를 들면, 자동차와 스마트폰 같은 전통적인 산업 경계를 흐릿하게 하여 커넥티드 카(정보 통신 기술과 자동차를 연결)를 만드는 것입니다. 그 결과, 기술적으로 뛰어난 전문성을 갖춘 신생 벤처 기업들과 새로 뛰어든 기업들의 위협을 상쇄하려는 시장의 기존 기업들은 기술 확보에 속도를 내고 있습니다. 이와 동시에, 민첩한 사물 인터넷 개척자들은 디지털 기술에 대한 투자를 가속화하고 있으며, 이를 통해 확실한 경쟁 우위를 확보하고 있습니다. General Electric의 CEO인 Jeff Immelt는 “어젯밤에 제조기업으로 잠자리에 들었다면 오늘 아침에는 소프트웨어 및 분석 기업으로 깨어나게 될 것”이라는 말로 사물 인터넷의 영향력을 종합적으로 표현했습니다.

조직의 기술 리더들은 거의 틀림없이 제품에 대한 사물 인터넷 전략을 구현해야 할 책임을 이미 맡고 있거나 곧 맡게 될 것입니다. 아마도 업계의 많은 동료들과 마찬가지로, 자신의 전통적인 전문 영역을 벗어나는 기술과 기량을 필요로 하는 “제품”에서 “통신 기능 탑재 제품”으로의 전환을 어떻게 시작해야 할지의 문제로 씨름하고 있을 것입니다.

백서

사물 인터넷 엔지니어링

우리 주변의 모든 곳에서 연결된 기기가 급증하고 있습니다. 새롭고 혁신적인 제품이 거의 날마다 등장하고 있으며, 익숙한 제품들에는 더 새롭고 더 스마트한 기능이 탑재되고 있습

니다. 이러한 발전은 고객들에게 더 건강하고 안전할 뿐만 아니라 더 효율적이고 혁신적이

며, 경쟁력 있고, 유익한 생활을 약속해 줍니다. 큰 잠재력을 가지고 있는 사물 인터넷 또는 IoT는 또한 해당 기기 제작에 담당하는 엔지니어들에게 새로운 과제를 부여합니다. 이 백서에서는 가장 중요한 목표들을 파악하고, 강건한 애플리케이션들로 뒷받침되며 가능한 최고의 사물 인터넷 제품을 엔지니어링할 수 있도록 지원하는 하나의 플랫폼 솔루션에 대해 설명합니다.

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사물 인터넷의 세 가지 요소 가장 단순한 형태의 사물 인터넷은 아래 그림에서 볼 수 있듯이 사물, 네트워크 또는 게이트웨이, 클라우드의 세 가지 요소로 이루어집니다.

사물 자동차, 전화, 로봇, 산업용 장비 그리고 심지어 가전 제품들이 첨단 기술과 통신 기능이 탑재되고 있습니다. 점점 더 많은 처리 성능이 제품에 추가되고 있으며, 이는 가속도, 방향 또는 터치를 측정하는 데 사용될 수 있는 센서의 경우도 마찬가지입니다. 또한 제품들에는 Wi-Fi, Bluetooth처럼 네트워크에 제품들을 연결하는 통신 시스템도 포함됩니다. 이 백서에서는 공학용 해석을 사용하여 사물 인터넷으로 대표되는 기회와 복잡성을 모두 관리하는 사물 설계에 주된 초점을 맞춥니다.

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사물 인터넷 엔지니어링

사물 인터넷의 세 가지 요소 사이의 상호 작용

네트워크 클라우드와 사물 사이에 존재하는 네트워크는 사물 인터넷을 위한 기반시설의 필수적인 요소입니다. 네트워크 없이 연결되는 기기가 존재할 수 없습니다. 강건하고 신뢰할 수 있는 네트워크에는 고속 라우터, 스위치 및 게이트웨이 기술이 포함됩니다. 이러한 구성요소 각각은 그 자체로 사물로 간주될 수 있으며 공학 해석을 통해 개선될 수 있습니다. 네트워크 설계 및 프로토콜은 사물 인터넷의 중요한 사안이지만, 이 백서에서는 논의하지 않습니다.

클라우드 클라우드는 데이터 센터, 그리고 사물 인터넷의 비즈니스 로직 중 많은 부분을 실행하는 소프트웨어로 구성됩니다. 데이터 센터는 기반시설 기술과 함께 제공되며, 여기에는 지원 네트워킹 장비, 환경 제어 시스템, 신뢰할 수 있는 전력망이 포함됩니다. 그동안 클라우드 기반 시설에 많은 관심이 집중되었지만, 사물을 설계하는 엔지니어들은 사물 인터넷 기기를 운영하고 유지 관리하는 클라우드 소프트웨어에 특별한 관심을 가지고 있습니다. 전문가들은 사물로부터 수집된 데이터의 해석을 통해 사물 인터넷의 가치가 완전히 실현될 것이라는 데 동의합니다. 예를 들어, 터빈 엔진의 진동은 운영 관련 의사결정을 향상할 수 있는 중요한 통찰력을 제공할 수 있습니다. GE, PTC와 같은 업계 리더들은 시뮬레이션 툴에 연결하여 현장 자산의 성능을 최적화하고 미래 혁신을 추진할 수 있는 플랫폼을 개발해 왔습니다. 시뮬레이션을 통해 성능을 최적화하는 한 가지 방법은 “디지털 트윈(Digital Twin)”을 사용하는 것입니다. 디지털 트윈이라는 아이디어[2]는 시뮬레이션으로부터 시작되고 끝납니다. 즉, 각각의 실제 사물은 수반되는 가상 대체물, 즉 디지털 트윈을 가집니다. 해당 사물로부터 수집된 실제 성능 데이터를 디지털 트윈의 모델 예측과 실시간으로 비교하여 가능한 성능 문제를 파악하고 예방적 유지관리 조치를 취합니다. 또한 동일한 데이터를 사용하여 차세대 제품의 설계 및 시뮬레이션을 추진할 수도 있습니다. 전체적인 사물 인터넷 전략에 있어 비즈니스 데이터 해석과 기술 데이터 해석은 모두 중요하지만, 이 백서에서는 사물, 네트워크, 클라우드의 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소를 만드는 엔지니어들이 직면하는 개발 과정에 초점을 맞추겠습니다. 이 백서의 논의 내용에는 전자 구성요소 및 임베디드 소프트웨어의 설계는 포함되지만, 통신 프로토콜과 해석 시스템 및 방법은 포함되지 않습니다.

스마트 사물 및 연결된 사물 엔지니어링의 다섯 가지 중요 과제 조사 결과에 따르면, 제품 설계 사이클 초기에 시뮬레이션 기반 접근 방식을 채택하는 동종 업계 최고의 기업들은 “전체 개발 과정 중에 더 나은 의사결정을 할 수 있고, 이를 통해 품질은 더 높고 비용은 더 낮은 제품을 촉진할 뿐만 아니라 자사의 제품을 차별화하는 혁신과 기능을 제공할 수 있으며, 궁극적으로 새로운 제품의 수익 마진이 15% 증가하여 경쟁 기업들의 3배에 달하는 성공을 거두게 되는 것”으로 나타났습니다. [3]

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사물 인터넷 제품 개발에 있어 시뮬레이션이 중요한 이유는 무엇일까요? 기계적 시스템에서 전자 시스템으로의 전환에 있어서, 수백만 줄의 소프트웨어를 포함 됨으로써 복잡성이 다양해 집니다. 전자 시스템으로의 이러한 전환은 여러 면에서 제품 신뢰성을 향상해 왔지만, 무선 연결, 트랜지스터 및 소프트웨어의 집적도로 인해 추가적인 과제가 발생했습니다. 시뮬레이션은 수십 년 동안 구성요소 설계에 사용되어 왔습니다. 하지만 사물 인터넷 기반 시설을 구축하는 기업들은 더 높은 수준의 신뢰성, 정밀도, 강건성 및 혁신이 필요한 다면적인 여러 과제들을 모두 절감된 비용으로 처리하고 있습니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 기업들은 각 분야별로 개별적으로 설계할 수도 없고, 전통적인 시제품 제작-시험평가 방법에 의존할 수도 없습니다. 그렇지 않으면 혁신 경쟁에서 뒤처지고 말 것입니다.

시뮬레이션 덕분에 공평한 경쟁의 장이 마련되어 소규모 기업들도 시장의 기존 대기업들과 경쟁할 수 있게 되었습니다. 시뮬레이션을 통해 소수의 엔지니어가 전통적인 공학 분야 경계를 뛰어넘고 다중영역 및 다중물리 해석을 사용하여 가상으로 시제품을 제작하고 아이디어를 개선해 나갈 수 있습니다. 최근 보고서에서 Boston Consulting Group[4]은 시뮬레이션을 연결된 경제(Connected Economy)에서의 중요한 성공 요인으로 꼽았습니다.

ANSYS는 전 세계적으로 여러 산업 부문에서 사물 인터넷 엔지니어링 문제를 해결 중인 기업들과 함께 작업하면서 다섯 가지 주요 공학적 과제를 발견했습니다. 이러한 과제는 경험 많은 전문가들에게 새로운 것이 아니지만, 단순히 사물 인터넷의 막대한 시장 규모와 경쟁 강도만으로도 다음과 같은 한 가지 결론을 얻게 됩니다. 즉, 사물 인터넷 시장의 경쟁에서 승자와 패자는 이러한 과제를 일관되고 긴급하게 해결할 수 있는 능력에 따라 결정되리라는 것입니다.

SWAP-C(Size, Weight, Power and Cooling) 비행기, 자동차, 스마트폰 중 어느 것을 설계하는 경우든 엔지니어는 크기, 무게, 에너지 효율에 맞게 제품을 최적화해야 하며, 그러지 않으면 제품이 경쟁 제품에 뒤처지게 될 수 있습니다. 어디서나 가능한 접속 및 센싱과 같은 사물 인터넷 기술이 추가됨에 따라 전자 구성요소의 밀도가 더 높아지면서 크기, 무게, 에너지 및 열 관련 과제가 추가로 등장하고 있습니다. 예를 들어, 최신 보청기는 스마트폰과도 연결되며, 이전 세대의 기기에 비해 상당히 더 많은 기능을 제공합니다[5]. 이 최신 보청기에는 연성 PCB (인쇄 배선 회로 기판), 배터리, 수신기, 안테나와 대부분 텔레코일이 장착됩니다. 연성 PCB에는 60개가 넘는 다양한 구성요소와 IC(집적회로)가 포함됩니다. 설계자는 충분한 전원을 사용하여 신뢰할 수 있는 무선 연결성을 제공하고, 기기를 냉각 상태로 유지하며, 더 긴 배터리 수명을 보장하고, 기기 무게, 크기 및 다른 전자기기와의 장해를 최소화하는 등 성능을 최적화하는 동시에 제한된 공간에서 이러한 모든 구성요소를 관리해야 합니다.

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센싱 및 연결성 연결된 스마트 제품은 해당 환경을 감지하고, 다른 전자기기와 통신하며, 의사결정과 성과를 실행할 수 있기 때문에 “스마트”합니다. 예를 들어, ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)가 포함된 최신 자동차에는 많은 센싱 및 통신 기술이 탑재되어 있습니다. 향후 4년 동안 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템) 시장은 84억 달러에서 3백억 달러로 성장할 수 있습니다[6]. 감응형 순항 제어 기능은 범퍼에 임베드된 레이더와 레이저 기반 센서를 활용하여 정해진 속도에서 자동차들이 서로 안전 거리를 유지하도록 합니다. 사각지대 모니터 및 차선 이탈 경고 시스템은 운전자가 주행 차선 안에 안전하게 머무를 수 있도록 지원합니다. 자동차는 교통 상황 모니터링 및 보고를 통해 GPS가 장착 자동차들에 정보를 전달하여 해당 운전자에게 경고하고 대체 경로를 제안하도록 할 수 있습니다. 이전 세대 자동차 엔지니어들과는 달리, ADAS가 탑재된 최신 자동차를 설계하는 엔지니어들은 전자기기를 무력화시킬 수 있는 전자기 장해를 줄이는 것에도 추가적인 주의를 기울여야 합니다. 항상 신호 및 전원 무결성을 유지하는 것이 중요합니다. 운전자들은 이러한 시스템에 의존하여 의사결정을 하기 때문에 잘못된 정보 전달은 나쁜 결과로 이어질 수 있습니다.

신뢰성 및 안전향후 등장할 것으로 예상되고 있는 막대한 숫자의 연결된 사물을 감안할 때, 연결된 제품의 혜택에 대한 경제적 논거가 유지관리 비용이나 시장의 수용 부족에 의해 가로막히지 않으려면 신뢰성을 반드시 확보해야 합니다. 자동차, 항공우주 및 의료 산업 분야의 제품과 같은 많은 제품은 안전이 필수적인 환경에서 사용될 것이며, 관련 신뢰성 및 안전 기준을 충족해야 할 것입니다. 이는 사물 인터넷의 통합 메카트로닉 제품을 운영하는 데 필요한 임베디드 제어 및 디스플레이 소프트웨어의 영역에서 특히 중요합니다. 커넥티드 카, 항공기 시스템과 같이 가장 복잡한 제품에서 안전에 필수적인 임베디드 소프트웨어 코드 수천만 줄을 검증하는 것은 표준 절차 중 하나입니다.

통합

시간이 지남에 따라 제품의 복잡성이 증가하면서 엔지니어들은 설계 공정을 더 작은 부분들로 세분화해 왔습니다. 이러한 구성요소 수준의 상향식 설계 방법론을 사용하면 구성요소 수준에서 매우 철저한 확인이 가능하지만, 여러 구성요소를 통합하여 시스템을 구현할 때 후반 단계에서 상당한 문제가 발생하게 됩니다. 이 전체 시스템과 하위 시스템 수준 통합 노력은 목표 초과 설계, 비용 초과, 심지어는 제품 출시 기한을 맞추기 위해 목표에 부합되지 못한 설계 방안이 채택되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 무선 피트니스 밴드에 안테나를 통합하는 경우 안테나 엔지니어는 안테나가 기대했던 것처럼은 작동하지 않는다는 것을 발견할 수 있습니다. 손목 밴드의 곡률, 생체 인식 센서 안테나, 심지어 손목 밴드를 결합하는 금속 잠금장치로 인해서도 안테나의 설치 성능이 달라질 수 있습니다. 사물 인터넷 기기의 복잡성, 사물 인터넷 기기가 작동하게 될 환경과 더 높은 안전과 신뢰성에 대한 요구는 개발 후반기의 통합 관련 과제가 상당히 증가했다는 것을 의미합니다.

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내구성

사물 인터넷의 매력 중 하나는 수조 개에 달하는 센서와 통신 시스템이 설치되어 연중무휴로 하루 24시간 중단 없이 유용한 정보를 수집하고 공유하게 될 것이라는 점입니다. 이러한 시스템은 원래 의도한 환경에서 뿐만 아니라 사전에 정확한 조건을 정의하기 어려운, 종종 극한적이고 까다로운 환경에서도 신뢰할 수 있게 작동해야 합니다. 예를 들어, 석유 및 가스 산업 분야에서 드릴 비트 끝이나 극한의 전자기 환경에서 작동하는 무인 군사 시스템에 장착된 센싱 시스템을 생각해 보십시오. Facebook의 야심적인 Aquila 프로젝트에서는 날개 길이가 Boeing 737과 동일한 드론을 활용합니다. 이 드론은 레이저를 사용하여 개발도상국의 외딴 지역에 인터넷 전파를 전송할 예정입니다. 이 태양열 드론의 설계 사양에 따르면, 드론은 한 번에 최대 3개월까지 날 수 있어야 합니다. 이러한 설계 시나리오는 시제품 시험을 통해서 예측하거나 확인하기가 매우 어렵지만, 이 제품은 이러한 극한 사용 환경에서도 반드시 작동해야 합니다.

모든 제품이 이러한 극한적인 조건을 견뎌야 하는 것은 아니지만, 내구성을 테스트할 필요는 있습니다. 예를 들어, 스마트폰, 태블릿 소비자와 같은 가전제품 사용자들은 해당 기기가 심각하지 않은 수준의 낙하와 충격을 견뎌 내기를 기대합니다. 다양한 작동 환경에서 성능을 예측 및 확보하는 것이 핵심적인 공학 과제입니다.

하나의 솔루션으로서의 통합 시뮬레이션 플랫폼매우 복잡한 사물 인터넷 지원 제품을 위한 비용 효율적인 솔루션을 신속하게 개발하려면 제품 개발 과정의 변화가 필요합니다. 우리는 사물 인터넷 제품 개척자들이 전통적인 개별 공학 분야들 사이의 장벽을 무너뜨리고, 일련의 개별적인 기능 애플리케이션 영역들을 하나의 공통 작업 환경, 즉 시뮬레이션 플랫폼에 연결할 수 있는 공학 시뮬레이션 툴을 사용하는 것을 목격하고 있습니다. 조사 결과, 시뮬레이션 중심 제품 개발 기능을 단일 플랫폼에 통합한 제품 개발 팀은 통합하지 않은 제품 개발 팀에 비해 제품 출시 목표를 충족할 가능성이 24% 더 높고, 제품 개발 기간을 단축할 가능성이 37% 더 높은 것으로 나타났습니다. 이는 이처럼 파격적인 혁신이 이루어지고 경쟁이 심한 비즈니스 환경에서 사물 인터넷 제품 개발 노력이 성공할지, 아니면 실패할지를 정의할 수 있는 매우 중요한 측정 기준입니다. ANSYS는 개별적인 애플리케이션 시뮬레이션 기능과 통합 플랫폼을 모두 제공하여 통합 사물 인터넷 제품 개발 솔루션을 구현합니다.

한 가지 예를 살펴보겠습니다. ADAS(첨단 운전자 지원 시스템)은 사물 인터넷 대응 커넥티드 카로의 전환에서 핵심적인 기술 과제입니다. 이 시스템을 통합하려면 센서, 안전에 필수적인 임베디드 소프트웨어, 데이터 처리 및 완벽한 시스템 엔지니어링 기술력이 필요합니다. 이들 각각은 전통적으로 개별적인 공학 분야였지만, 이 시스템의 긴밀하게 연동된 동작을 위해서는 통합된 공학적 접근 방식과 구성요소 수준과 시스템 수준에서 첨단 물리학의 전체적인 솔루션을 지원하는 시뮬레이션 플랫폼이 필요합니다.

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레이더 시스템을 예로 들어 보겠습니다. 우선, 시뮬레이션 툴을 사용하여 이 시스템의 개별적인 성능을 파악해야 합니다.

하지만 레이더 시스템은 차량에 설치된 경우 성공적으로 작동해야 하며, 비나 얼음과 같은 요소의 영향을 받을 수 있습니다. 전체 레이더 및 대시보드 어셈블리의 시뮬레이션을 통해 이러한 통합 문제를 사전에 해결할 수 있습니다.

레이더 시스템에서 입력되는 데이터에 대한 차량의 동작과 반응은 대체로 해당 차량의 온보드 제어 소프트웨어에 의해 결정됩니다. 수십만 줄, 경우에 따라 수백만 줄의 임베디드 소프트웨어 및 해당 소프트웨어와 물리적 구성요소의 상호 작용을 확인하고 검증하는 것은 크리티컬 패스 설계 작업 패키지입니다. ANSYS의 통합 시뮬레이션 플랫폼을 사용하면 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)의 가상 하드웨어 모의 시험을 실행하고, AUTOSAR, ISO 26262와 같은 산업 표준을 준수하는 안전에 필수적인 임베디드 소프트웨어를 자동으로 생성할 수 있습니다.

ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)는 전체 차량을 포괄하는 복잡한 대규모 시스템의 대표적인 예입니다. ADAS(첨단 운전자 보조 시스템) 설계를 가상으로 검증하려면 제어 시스템, 인간-기계 연결장치, 브레이크, 차량 동역학 등 다른 모든 주요 차량 시스템을 종합적인 시스템 시뮬레이션에서 모델링해야 합니다. 그런 다음 이 종합적인 차량 및 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템) 모델을 도로, 건물, 보행자 등의 실제 환경 모델에 대해 실행하여 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)의 동작을

첨단 운전자 보조 시스템에서의 센서 복잡성의 예

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시뮬레이션 된 주행 시나리오에서 테스트해야 합니다. ANSYS 통합 플랫폼은 이러한 측면 대부분을 모델링할 수 있는 기능을 제공할 뿐만 아니라 개방적이고 협업이 용이하므로 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템) 시뮬레이션 루프의 일부에서 다른 타사 파트너 소프트웨어를 사용할 수 있습니다.

따라서 ANSYS는 웨어러블 의료기기에서 드론, 커넥티드 솔저(connected soldier)에 이르기까지 개발 중인 사물 인터넷 기기에 상관없이 통합 시뮬레이션 플랫폼의 혜택을 실현할 수 있는 시뮬레이션 중심 제품 개발 솔루션을 제공합니다.

사물 인터넷 엔지니어링의 일곱 가지 핵심 애플리케이션 물론, 위에서 설명한 ADAS(첨단 운전자 보조 시스템)처럼 통합 시뮬레이션 플랫폼에서 개발된 통합 솔루션은 그 기반이 되는 개별 시뮬레이션 애플리케이션이 갖춰진 경우에만 성공을 거둘 수 있습니다. ANSYS는 40년이 넘는 기간 동안 제품 개발 팀들과 함께 작업해 오면서 성공적인 사물 인터넷 지원 제품 설계에 있어 매우 중요하며, 통합 플랫폼 기반 솔루션의 개별 구성요소를 이루는 일곱 가지 애플리케이션을 파악했습니다. 다음 섹션에서는 사물 인터넷을 위한 제품 설계에 핵심적인 일곱 가지 애플리케이션을 파악하고 이에 대해 설명합니다. 사물 인터넷 제품 개발을 담당하는 비즈니스 리더와 엔지니어는 반드시 이러한 애플리케이션을 이해하고 적용하여 성공 가능성을 극대화해야 합니다. 이러한 애플리케이션을 더 명확하게 설명하기 위해 이러한 애플리케이션을 사용하여 혁신적인 솔루션을 개발함으로써 시장 우위를 확보하고 있는 업계 리더들의 예도 공유하겠습니다.

안테나 설계 및 배치 무선 시스템의 성능은 무반향실의 프로토타입 테스트 환경과 비교할 때 실제 환경에서는 매우 다를 수 있습니다. 다중 경로 신호 전파 및 전파 감쇠는 복잡한 실제 구조, 이동성, 심지어 인간이 존재함으로써 발생하는 문제 중 일부에 불과합니다. 또한 최신 기기는 여러 무선 기술 및 주파수 대역을 사용하므로 여러 안테나가 필요합니다. 그 결과, 인접한 안테나들 사이의 커플링 문제로 인해 성능이 저하될 수 있습니다.

공장에 무선 센서 네트워크가 배포된 시나리오를 생각해 보겠습니다. 각 센서는 쌍극 안테나를 사용하여 다른 센서들과 통신합니다. 쌍극 안테나의 이상적인 방사 패턴은 도넛과 비슷한 형태이지만, 산업 환경에 배포된 경우 복잡한 구조와 다른 안테나로부터의 장해로 인해 방사 패턴이 왜곡되어 안테나 효율이 감소하고, 전력 소비가 증가하고, 성능을 신뢰할 수 없으며 고장으로 이어집니다.

그렇다면 엔지니어는 시간이 많이 소요되는 시제품 제작-시험 방법론에 의존할 필요 없이 산업 환경 내 또는 자동차, 비행기, 스마트폰에서 신뢰할 수 있는 무선 연결성을 어떻게 보장할 수 있을까요?

차량용 레이더 통합

실제 주행환경에서의 RADAR 시스템 성능 파악

여러 시스템을 하나로 통합하는 동적 협업

주행 시나리오 모델 안테나 모델센서 모델

제어 시스템 모델자동 코드 생성

사람-장치간 인터페이스

차량 동역학 모델차량 기능부품 모델

사물 인터넷 엔지니어링

ANSYS 솔루션을 사용하면 엔지니어가 근접장 무선통신 해석을 실행하여 전체 산업 환경이 안테나와 무선 기기의 성능에 미치는 영향을 예측할 수 있습니다. 또한 유한요소 영역 분할법, 3D 모멘트법, 하이브리드, Shooting and Bouncing Ray 전자파 수치해석 기술도 사용하여 전기적으로 크고 복잡한 전파 전자기 모델을 신속하게 해결할 수 있습니다. 이 접근 방식은 더 큰 통찰력을 제공하고, 정확도를 향상하며, 신뢰성을 제고합니다.

한 가지 예로, 웨어러블 전자기기 분야의 리더인 Synapse 제품 개발 담당 엔지니어들은 ANSYS 툴을 사용하여 전체 설계 사이클을 25% 단축하는 동시에 안테나 범위를 5배 증가시켰습니다.

칩 및 패키지 시스템 설계 고속 PCB(인쇄 회로 기판)와 반도체 IC(직접 회로)를 설계하는 경우 더 낮은 동작 전압, 회로 밀도와 더 빠른 데이터 속도 형태의 설계 복잡성으로 인해 상당한 문제들이 제기됩니다. 또한 많은 사물 인터넷 제품 설계 팀은 크기, 무게, 전원 및 냉각 고려 사항을 해결해야 합니다.

PCB와 IC 중 어느 것을 설계하는 경우 든, 엔지니어는 제품 신뢰성에 영향을 미치는 세 가지 광범위한 영역인 전기, 열 및 기계 성능의 요구사항에 대해 적절한 균형을 유지해야 합니다. 또한 엔지니어는 반도체 다이 또는 IC, IC 패키지 및 PCB 간의 상호 작용을 시뮬레이션해야 합니다. 올바른 전력 공급 네트워크를 보장하기 위해 전원 무결성 해석이 필요하고, 혼선을 최소화하고 설계 강건성을 높이기 위해 신호 무결성 해석이 필요합니다. 열 신뢰성을 해결하기 위해서는 시뮬레이션을 통해 해당 기판 및 연관된 구성요소 온도의 영향을 평가하여 지정된 온도 범위에서 기기가 신뢰할 수 있게 작동하도록 보장해야 합니다. 또한 기계적 신뢰성을 위해서는 열 응력 시뮬레이션을 통해 기판 뿐만 아니라 기판과 구성요소 사이의 납땜 접합부의 열 및 기계적 응력을 평가해야 합니다.

개별 물리현상 시뮬레이션을 실행하는 것 외에 엔지니어는 신호 무결성 해석을 열 시뮬레이션과 연동하고 열 시뮬레이션을 구조 해석과 연결하여 여러 물리 분야 간의 상호 작용을 고려해야 합니다. 이 방법을 통해 PCB 설계의 전체적인 신뢰성을 포괄적으로 파악할 수 있습니다.

ANSYS만의 칩 및 패키지 시스템(chip-package-system) 워크플로를 사용하여 엔지니어는 전자 시스템 성능을 향상할 수 있습니다. 이 워크플로를 통해 PCB 설계자는 IC 및 패키지 모델로부터 얻는 핵심 정보를 포함하여 설계를 시뮬레이션할 수 있습니다. 반대로, IC 설계자는 이 워크플로를 통해 IC 설계 확인 시 패키지 및 PCB의 영향을 포함할 수 있습니다. 관련된 모든 시스템 수준 고려 사항을 모델링하고 시뮬레이션 함으로써 엔지니어는 전자기 장해를 줄이고, ESD(정전기 방전) 보호 성능을 높이며, 사물 인터넷 시장을 진작시킬 수 있는 전자 시스템을 향상할 수 있습니다. 전기통신 분야의 리더인 Alcatel-Lucent는 ANSYS 솔루션을 활용하여 비용을 67% 이상 절감하면서 고속 네트워킹 기술을 설계했습니다.

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전원 관리 스마트폰 배터리가 방전되었던 경험이 있다면 누구나 전원 관리의 필수적인 역할을 이해할 것입니다. 하지만 전원 관리는 단지 스마트폰이나 Wi-Fi에 대한 것만은 아닙니다. 에너지 절약, 무선 전력 전송 및 저전력 IC 설계는 많은 사물 인터넷 기기 제작의 기반이 되는 기본 구성요소입니다.

기계적 동작, 열, 압전 재료 및 전자기 방사로부터 발생하는 에너지를 캡처하고 전기로 직접 변환할 수 있습니다. 에너지 재생산 시스템 설계 시 엔지니어는 에너지원, 변환기 유형, 전력 효율, 필요한 전력 수준 및 에너지 저장을 포함하여 여러 변수를 고려해야 합니다.

중요한 점은 무선 시스템 설계 시에는 안전이 핵심 고려 사항이라는 것입니다. 표준 및 규제 기관에서는 생체 조직에 전달될 수 있는 전자기 에너지 양을 제한합니다. 인체 모델을 포함하여 ANSYS 시뮬레이션 툴을 사용하면 다양한 전력 공급 시스템과 해당 시스템이 인체에 미치는 영향을 설계하고 분석할 수 있습니다.

Vortis Technologies에서는 엔지니어들이 ANSYS 소프트웨어를 적용하여 배터리 수명을 단축할 뿐만 아니라 음향 잡음도 발생시키는 휴대폰의 RF(3 KHz ~300 GHz 전자기파) 에너지 낭비 문제를 해결하고 있습니다. 이 기업의 혁신적인 위상 배열 안테나 시스템은 배터리 수명을 125% 향상하여 스마트폰에서 통화 시간을 2.25배 증가시킵니다. 구축 후 테스트 방법을 사용하여 필요 기간의 1/10 만에 새로운 안테나를 설계할 수 있습니다.

센서 및 MEMS(나노기계) 설계 센서 및 MEMS(나노기계) 설계자는 성공과 실패의 차이를 의미할 수 있는 뛰어난 제품의 설계, 프로토타입 제작 및 제작 시 비즈니스 및 기술적 문제에 직면하게 됩니다. 경쟁 우위를 확보하기 위해 센서 제조업체는 가능한 한 빠르고 효율적으로 제품을 개발해야 합니다. MEMS 및 센서는 특수한 기능, 까다로운 제조 공정, 크기가 매우 작기 때문에 복잡합니다. MEMS는 크기가 매우 작아서 성능 측정 장비가 기기 기능에 영향을 미칠 수 있는 만큼 신뢰할 수 있는 성능 데이터를 얻기가 어렵습니다. 시뮬레이션은 이러한 기기의 성능에 대해 정확한 통찰력을 제공하며, 이는 물리적 프로토타입 제작 시에는 얻을 수 없는 정보입니다. ANSYS 시뮬레이션 솔루션을 사용하면 전자기장에 의존하는 RF 센서에서 기계적 동작에 의존하는 자이로스코프, 두 가지 모두에 의존하는 압전 기기에 이르기까지 다양한 센서, 액추에이터(구동기) 및 기타 MEMS 기기를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 검증된 솔버 및 연동 솔루션을 통해 기기 설계의 고신뢰도 해석이 가능합니다. 초기 설계를 만들고 시뮬레이션한 후에는 제작하기 전에 ANSYS 솔루션을 사용하여 구성요소들의 상호 작용을 포함하여 전체 기기를 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, 물리적 크기에 변화를 주면서 성능의 상충관계를 조사하여 전원 사용과 온도 급상승을 최소화하도록 초기 설계를 최적화할 수 있습니다.

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ANSYS는 오랫동안 MEMS 설계자들과 함께 작업하면서 고객들이 더 나은MEMS 제품을 구현할 수 있도록 지원해 왔습니다. KSR international의 엔지니어들은 ANSYS 솔루션을 사용하여 개발 기간을 3개월에서 2주로 단축하면서 Inductance(유도계수) 센서 설계를 최적화했습니다.

임베디드 소프트웨어 개발 최신 자동차에는 5천만~1억 줄의 코드가 포함될 수 있습니다. 자율 주행 차량이 개발되고 있는 만큼 소프트웨어 콘텐츠가 급증할 것으로 예상할 수 있습니다. 하지만 임베디드 소프트웨어는 자동차에만 국한되지 않습니다. 산업용 장비, 로보틱스, 비행기, 드론 등 많은 사물 인터넷 기기에 풍부하고 스마트한 기능을 추가하는 것은 필수적입니다. 이러한 제품 및 시스템 중 다수는 예를 들어 자동차와 비행기의 제동 시스템처럼 안전 또는 임무 수행에 필수적이기 때문에 제어 소프트웨어가 완벽하게 작동해야 합니다. 시스템에 장애가 발생할 경우에는 피해를 최소화하기 위해 예측 가능한 방식으로 장애가 발생해야 합니다. 소프트웨어의 신뢰성과 성능에 적용되는 산업 규제, 인증 및 자격이 있는 경우가 많습니다. 소프트웨어 개발은 더 이상 단지 코드 작성에 대한 것만이 아닙니다. 확인 및 검증에 대한 것이기도 합니다. 소프트웨어 엔지니어들은 구현 코드의 각 줄에 대해 많은 확인 코드 줄을 추가로 작성해야 하는 경우가 많습니다. 쏟는 노력의 양에도 불구하고 소프트웨어 코드 버그는 계속 존재하며, 이로 인해 안전 관련 제품 회수, 보안 위반, 그리고 일부 경우 비극적인 결과가 발생합니다. ANSYS는 임베디드 소프트웨어 개발 프로젝트의 속도를 크게 가속화하는 자동 코드 생성기가 내장된 모델 기반 임베디드 소프트웨어 개발 및 시뮬레이션 환경을 구축했습니다. 엔지니어는 ANSYS 솔루션을 사용하여 복잡한 시스템을 모델링하고, 다양한 하위 시스템의 상호 작용을 파악하며, 많은 산업 표준을 준수하는 고무결성 소프트웨어 코드를 생성할 수 있습니다. 버튼 누르기 한 번으로 수백만 줄의 코드를 생성할 수 있는 기능 덕분에 사람의 코딩 오류가 사라질 뿐만 아니라 생산성, 품질 및 코드의 추적성도 높아집니다. 더욱이 이 기능은 엔지니어링 노력을 코드에서 시스템으로 전환하여 공학적 생산성, 혁신 및 최종 제품을 더욱 향상합니다. Piaggio는 ANSYS 소프트웨어 모델링 툴 사용 시 엔지니어들이 설계 사양을 공식적인 방식으로 표현할 수 있다는 점에 주목하여 자동 코드 생성을 사용해 왔습니다. 그 결과, Piaggio는 소프트웨어를 신속하게 생성하고, 기능적 버그를 제거하며, 많은 비용이 소요되는 테스트 시연 횟수를 줄일 수 있게 되었습니다. 소프트웨어 모델링 및 시뮬레이션을 통해 Piaggio의 개발 공정의 속도가 3배 빨라졌습니다.

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까다로운 환경을 위한 설계 사물 인터넷 기기는 실제 환경에서 작동해야 하며, 이러한 실제 환경은 매우 험난한 곳일 수 있습니다. 드론, 웨어러블 스마트 기기, 자율 주행 자동차, 스마트 산업용 장비 등과 같이 빠르게 성장 중인 애플리케이션은 진동과 물리적 충격이 가해질 수 있는 까다로운 환경에서도 신뢰할 수 있게 작동해야 합니다. 이러한 조건에도 불구하고 사물 인터넷 기기는 강건해야 하며, 유지관리 없이 장기간 원거리에서도 활성 상태로 유지되어야 합니다. 오작동은 임무 실패로 이어지거나, 시스템 수리 또는 교체에 상당한 비용 투자가 발생할 수 있으며, 경우에 따라 사람의 생명이 위험해질 수도 있습니다.

공업, 항공우주 또는 소비자 등 모든 애플리케이션에서 사물 인터넷 기기는 진동, 충격, 피로 등 까다로운 환경에 놓일 수 있습니다. NASA는 첫날 발생하는 우주선 전자기기 고장의 45%가 발사 중 진동과 변형 때문에 발생하는 피해로 인한 것이었다고 밝혔습니다. SquareTrade에 따르면, 최근 몇 년간 떨어뜨린 iPhone 때문에 미국 소비자에게 발생한 비용이 6십억 달러에 이른다고 합니다.

엔지니어는 개발 공정에서 가장 낮은 비용으로, 프로젝트 일정에 미치는 영향을 최소화하면서 설계를 선택할 수 있는 개발 초기 단계에 이처럼 잠재적이고 까다로울 수 있는 환경을 고려해야 합니다. 실제 프로토타입 제작은 여러 가지 명백한 이유 때문에 실행 가능한 옵션이 아닙니다. 시간, 예산, 장소 및 리소스의 제약을 감안할 때 가능한 테스트 시나리오를 모두 만들기가 어려울 뿐만 아니라, 측정 결과가 크게 달라질 수 있고 사물 인터넷 및 다양한 중요 애플리케이션에서 필요한 신뢰도가 부족할 수도 있습니다. ANSYS 시뮬레이션용 프로그램에서는 유동, 구조 힘, 열 효과, 전자기 환경 등 모든 관련 물리적 힘을 고려할 수 있습니다.

상용 우주비행 분야의 개척자인 Astrobotic Technology는 ANSYS 솔루션을 사용하여 Tranquility Trek 우주선의 구조적 구성요소를 설계했습니다. Chief Engineer인 John Thornton은 “ANSYS의 설계 및 시뮬레이션 툴을 사용하여 Astrobotic은 허용 안전 수준을 유지하면서 정적 가속 및 발사 시의 동적 임의 진동 부하를 견딜 수 있는 경량 알루미늄 및 복합재료 우주선을 신속하게 설계하고 개선했습니다. 시뮬레이션을 통해 프로토타입 및 물리적 테스트와 관련된 비용을 절감할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

항공우주 및 방위 부문의 한 선도적인 공급업체는 사물 인터넷과 유사한 구성요소에 대한 대규모 재설계 작업에 ANSYS Mechanical을 사용했습니다. 이 공급업체는 진동을 비롯한 까다로운 환경 조건을 모델링하여 여러 차례 실행되고 많은 비용이 소요되는 고속의 파손 시험을 없앴습니다. 그 결과, 안전을 유지하는 동시에 개발 기간을 단축하고, 아웃소싱 FEA 컨설턴트 수수료를 없애며, 테스트를 줄이고, 정확도를 위한 제품 기능을 향상하여 1백만 달러 이상을 절약할 수 있었습니다.

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가상 시스템 프로토타입 제작 제품 복잡성이 증가하면서 시뮬레이션 기능 향상에 대한 요구도 증가하고 있습니다. 최첨단 혁신 영역에서는 시스템 시뮬레이션이 작동해야 합니다. 시스템 내의 복잡성은 개별 부분들을 연결하여 설계 및 예상대로 함께 작동하도록 보장해야 하는 과제로부터 발생합니다. 제품의 물리적 특성을 시스템 및 임베디드 소프트웨어와 연동하는 경우 기업은 크게 통합 문제를 최소화하고, 비용을 절감하며, 첫 번째 시도에서 성공을 거둘 가능성을 높이고, 제품이 예상대로 작동하도록 보장할 수 있습니다. 스마트폰, 온도 조절 장치, 풍력 터빈 등의 개별 기기 또는 구성요소 면에서 사물인터넷을 가시화하는 것은 좀 더 쉽지만, 이들을 연결하는 복잡하고 보이지 않는 네트워크와 요구에 따라 데이터를 저장하고 제공하는 클라우드에는 정교한 모델링과 시뮬레이션이 필요합니다. 예를 들어, 스마트 풍력 터빈은 바람의 유형, 전력망의 에너지 양, 다른 스마트 풍력 터빈의 동작에 따라 동작을 조정해야 합니다. 소프트웨어, 전자기기 하드웨어 및 다중영역의 자연현상의 상호작용으로 인해 공학적 과제의 복잡성이 크게 증가합니다. ANSYS의 시뮬레이션 소프트웨어는 시스템 수준 품질, 속성, 특징, 기능, 동작 및 성능 통찰력을 포함하는 검증 결과를 제공하는 데 기여하고 있습니다. 이와 같은 높은 수준의 관점을 통해 시스템 설계자는 충분한 정보를 토대로 각 개별 구성요소 뿐만 아니라 전체 시스템의 성능을 최적화하는 설계 선택을 할 수 있습니다.

NVIDIA의 General Manager of Strategic Alliances인 Andrew Cresci는 “가상 제품개발 과정입니다. GPU 설계 분야의 업계 리더인 NVDIA는 현재 세대의 GPU에서 실행되는 ANSYS 시뮬레이션을 사용하여 차세대의 GPU를 설계합니다.”라고 말합니다.

ANSYS: 신뢰할 수 있는 파트너 주요 산업 또는 제품이 무엇이든, 사물 인터넷은 곧 중요할 뿐만 아니라 종종 예상치 못한 방식으로 모든 비즈니스에 영향을 미치게 될 것입니다. ANSYS는 사물 인터넷 시대의 비즈니스 성공을 지원하기 위해 전자 및 임베디드 소프트웨어 모델링을 포함하여 더욱 확장된 범위의 기능을 개발했습니다. 사물 인터넷 기술을 설계하는 엔지니어들은 SWAP-C, 센싱 및 연결성, 안전 및 신뢰성, 통합, 내구성 등 상당한 개발 목표에 직면하고 있습니다. 안테나 설계 및 배치, 칩 및 패키지 시스템 설계, 센서 및 MEMS 설계, 전원 관리, 임베디드 코드 생성, 까다로운 환경 설계, 가상 시스템 프로토타입 제작 등 일곱 가지 애플리케이션으로 뒷받침되는 플랫폼 기반 공학 시뮬레이션은 고객 조직을 위한 사물인터넷 기회를 극대화하는 데 있어 필수적입니다.

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전 세계의 선도적인 기업 중 다수는 이미 ANSYS 솔루션을 사용하여 스마트폰에서 항공기, 자율 주행 차량에서 드론, 로봇에서 풍력 터빈에 이르는 가장 혁신적인 제품을 제공하고 있습니다. 사물인터넷이 계속 진화해 감에 따라 ANSYS는 고객이 믿고 사용하는 검증된 시뮬레이션 기능 뿐만 아니라, 전환된 환경에서 지속적인 제품 개발 성공을 지원하는 새로운 기능도 제공하는 신뢰할 수 있는 파트너로 계속 고객과 함께할 것입니다. ANSYS는 고객이 사물 인터넷 관련하여 엔지니어링, 설계 및 시험평가할 수 있도록 최고의 해석용제품을 지원하고 있습니다.

참고 자료:

[1] Manyika, J.; Chui, M.; Bisson, P.; Woetzel, J.; Dobbs, R.; Bughin, J.; Aharon, D. McKinsey & Company. Unlocking the Potential of the Internet of Things.

[2] GE Global Research. How a ‘Digital Twin’ for Physical Assets Can Help Achieve No Unplanned Downtime.

[3] ANSYS, Inc. Aberdeen Group Survey Report: The Impact of Strategic Simulation on Product Profitability - White Paper, 2011.

[4] Rüßmann, M.; Lorenz, M.; Gerbert, P.; Waldner, M.; Justus, J.; Engel, P.; Harnisch, M. BCG Perspectives. Industry 4.0: The Future of Productivity and Growth in Manufacturing Industries.

[5] Murray, C. ANSYS Advantage. I Hear You, 2015. Vol. IX, I. 1.

[6] Choi, S.; Thalmayr, F.; Wee, D.; Weig, F. McKinsey & Company. Advanced Driver-assistance Systems: Challenges and Opportunities Ahead.

일상 생활에서 접하는 로켓 발사, 비행기, 자동차, 컴퓨터, 모바일 장치, 교량, 웨어러블 스마트 기기 등과 관련된 제품들을 개발하는 과정에서 ANSYS 소프트웨어가 중요한 역할을 수행하고 있습니다. ANSYS는 공학해석 분야의 글로벌 리더로, 전 세계에서 가장 혁신적

인 기업들이 고객에게 훨씬 더 나은 제품을 제공할 수 있도록 지원하고 있습니다. ANSYS는 가장 우수하고 광범위한 공학해석용 프로그램을 제공함으로써, 가장 복잡한 설계 목표

를 달성하고 상상하는 대로 제품을 개발할 수 있도록 합니다. 자세한 내용은 www.ansys.com/ko-kr을 참조하시기 바랍니다.

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