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閉じるMathWorksがRF設計作業を効率化する先進的なデジタルツイン手法をアナログ・デバイセズと開発
主なポイント
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次世代のレーダー・システムや衛星通信システムの開発に取り組む際には、未知の領域に足を踏み入れることになります。最新のプラットフォームには、複数のミッションに対応し、ソフトウェア・アップデートによる適応性を備え、数十年にわたり有用性を維持することが強く求められるからです。しかも、RF周波数や帯域幅に関する要件がより複雑化するなかで、これらすべてを実現しなければなりません。
フェーズド・アレイ・システムのアーキテクチャが高度化したことから、プロトタイプをベースとする従来の設計手法は限界を迎えつつあります。現在は、最初に構築したハードウェアが実験室に届くはるか前の段階で、システム全体の性能を把握する手段が求められています。
MathWorksは早くから上記の課題を認識していました。そこで、同社はアナログ・デバイセズと連携を図り、RFシステムを対象とするデジタルツイン（以下、RFデジタルツイン）を利用した検証手法を開発しました。その手法では、アナログ・デバイセズのRFに対応するハードウェアの検証済みモデルと、システム・レベルのシミュレーションが組み合わされています。その結果として実現した仮想環境では、ハードウェアを使用したプロトタイピングに移行する前に、設計上のトレードオフに関する検討と現実の条件下における性能の評価を実施できます。また、コンポーネント・レベルの振る舞いがミッションの成果にどう関与するかを推測することができます。
「MathWorksは、アナログ・デバイセズのビームフォーマ対応プラットフォーム専用のRFデジタルツインを開発しました。これを用いれば、コンポーネントのレベルでカスタムのボードを設計することも、通信システム／レーダー・システム全体を対象としたシミュレーションを実施することもできます。また、システム・インテグレータは、プロトタイピングのための高額な投資を行う前に、特定のアプリケーションの枠組みのなかでハードウェアの指標を評価できるようになります。高精度／高品質のモデルを提供するというアナログ・デバイセズのコミットメントと、検証プロセス全体を通じた緊密な連携によって、この新たな検証手法は実現しました。」Giorgia Zucchelli氏
MathWorks プロダクト・マーケティング・マネージャ
本事例の概要
顧客企業の概要
MathWorksは、エンジニアリング・システムの設計／開発向けの数値計算ソフトウェアを提供する大手企業。同社の製品である「MATLAB®」と「Simulink®」は、自動車、航空宇宙、エネルギー、医療といった様々な分野で使われている。これらを使用すれば、複雑なエンジニアリング・システムのモデリング、シミュレーション、配備が可能になる。MATLABは、アルゴリズムの開発、データの解析、可視化、数値計算のための統合された環境を提供。一方のSimulinkは、マルチドメイン・システムや組み込みシステムのシミュレーション、モデル・ベース設計を可能にする。更に、MATLABとSimulinkを組み合わせれば、システムの複雑さに対応し、開発を加速させ、コンセプトを実際のソリューションとして具現化するための統合プラットフォームを構成できる。1984年に設立された同社は、現在、世界34ヵ所に6,500名以上の従業員を擁している。
目標
現実の環境におけるシステムの振る舞いを再現可能なRFデジタルツインを構築する。それにより、ハードウェアを構築する前に、設計の検証と最適化を行えるようにする。
課題
ソフトウェア定義型／多機能／RF対応のプラットフォームを対象とする場合、コンポーネント・レベルの解析を行うだけでは十分な評価を実施することができない。
ソリューション
アナログ・デバイセズの各種ハードウェアに対応する検証済みのモデルを活用する。それらをMathWorksのシミュレーション技術と組み合わせることにより、仮想空間上でRFシステムを再現する。
現実の環境におけるRF性能は、早期の予測が困難
レーダー・システムや衛星通信システムでは多機能化が進んでいます。しかも、各機能はソフトウェア定義型で実現されるようになっています。このことが理由となって、従来の設計手法は限界を迎えつつあります。最新型のプラットフォームでは、同じRF対応のハードウェアを使って直線性の高い通信機能や高性能のレーダー機能が実現されていることが多くなっています。つまり、異なる機能の相反する要件を両立させることが強く求められているのです。
従来、システムの振る舞いを予測する際に頼りにされてきたのは、コンポーネント・レベルのモデルやデータシートでした。しかし、動作状態が数千種に及ぶ可能性のある複雑なフェーズド・アレイ・システムのアーキテクチャを対象とする場合、従来の手法を用いたのでは、重要な疑問が未解決のまま残されてしまいます。
アナログ・デバイセズとMathWorksは、現在多くの企業が直面している課題に向き合うことにしました。その課題とは、物理的なプロトタイプを構築するはるか前の段階で、どのように現実の環境におけるシステムの性能を正確に予測し、設計上のトレードオフについて評価し、リスクを低減するか、というものです。
RFデジタルツインにより、画期的な設計検証手法を実現する
MathWorksは、モデリング／シミュレーション／システム設計を対象とした高度なプラットフォームであるMATLABとSimulinkを基盤として、アナログ・デバイセズと共同でRFデジタルツインのフレームワークを開発しました。その目的は、ますます複雑化するRFシステムの検証をより早い段階で実施できるようにすることです。
両社が開発したRFデジタルツインでは、静的なコンポーネント・モデルを使用するのではありません。ハードウェアの進化に応じて更新される実行可能なモデルを使用します。つまり、このRFデジタルツインは「生きているフレームワーク」だと言ってもよいでしょう。MATLABとSimulinkの環境内では、高精度の回路包絡線（circuit envelope）モデルを使用するシミュレーションとシステム・レベルの高速なシミュレーションを切り替えながら実行できます。それにより、設計の進み具合に応じて精度と速度のバランスをとることが可能になります。この手法により、実際にICを利用できるようになるはるか前の段階で、アナログ・デバイセズの製品の評価、ミッション・レベルの性能の評価、設計上のトレードオフについての検討を実施できます。それだけでなく、ハードウェアに関する新たな測定データが得られたら、それらに基づいてモデルを継続的に改良することも可能です。
この新たな手法を利用すれば、現実に即した動作環境の下で、RFに関する障害、設計上のトレードオフ、ミッション・レベルの性能指標についてシミュレーションを実行できます。そうすれば、レーダー・システム、衛星通信システム、フェーズド・アレイ・システムなどの評価を開発初期の段階で実施することが可能になります。その結果、リスクを低減しつつ、より的確な情報に基づいた設計上の判断を下せるようになります。
また、MathWorksとアナログ・デバイセズが連携したことによって、お客様との間で双方向のフィードバック・ループを確立することができました。それにより、お客様はシステムの振る舞いに関する知見を早期に得ることができます。一方、アナログ・デバイセズは、ICの設計を確定させる前にアプリケーション・レベルのフィードバックを入手することが可能になります。その情報は、将来のIC開発の方針を決定する際にも役立ちます。結果として、コンセプト策定から配備までをより迅速に進めることのできる協働の道筋が生み出されたと言えるでしょう。
RFデジタルツイン
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RFデジタルツインとは？RFデジタルツインは、検証済みのRFハードウェア・モデルとシステム・レベルのシミュレーションを組み合わせた仮想モデルです。これを利用すれば、ハードウェアを構築する前に現実の環境における性能を評価することができます。 |
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主な機能
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なぜ重要なのか？
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先進的なレーダー／衛星通信の未来を担うRFデジタルツイン
アナログ・デバイセズとMathWorksの連携によって、デジタルツインが複雑なRFシステムの設計手法をどのように変革するのかが示されています。検証済みのハードウェア・モデルとシステム・レベルのシミュレーションを組み合わせることで、設計上のより多くの選択肢について検討し、早期に性能を評価し、ハードウェアを構築する前の段階でより確実な意思決定を行うことが可能になります。
AI、デジタルツイン、デジタル・スレッドは、今後も進化を続けていくでしょう。それにより、更に開発サイクルを加速しつつ、コンセプト策定から配備に至るまでのトレーサビリティが向上することが期待されます。また、エンジニアリングのイノベーションにおいて仮想検証は不可欠な要素になるでしょう。そのような未来を構築するために、アナログ・デバイセズとMathWorksは連携を図っていきます。その成果として、よりスマートで、迅速で、予測可能性の高いシステム設計を実現できるようになります。
