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数字双胞胎的进化

半导体的发展是数字双胞胎的长期用户,左移导致人们重新思考正在生成的模型和它们的价值所在。

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数字双胞胎在芯片设计流程中开始越来越多,允许设计团队开发更有效的模型。但是,他们也在在整个芯片的生命周期中维护这些模型来增加新的挑战。

直到几年前,半导体行业的很少有人甚至听到这个词“数字双胞胎然后,突然之间,它无处不在,引起混乱,因为它似乎只是发展模式。最终出现了某种程度的清晰,但并不是关于它将如何影响开发过程。可能发生变化的是这些模型的新客户和从这些模型中提取价值的新方式,随着时间的推移,这些可能会影响所创建的模型。

首先,数字孪生这个术语很宽泛。该公司首席执行官藤村明表示:“数字双胞胎可以通过模拟来模拟真实事物。D2S.。飞行模拟器是数字双胞胎。驾驶模拟器是数字双胞胎,尤其是当你想模拟汽车可能发生碰撞的不同方式,或飞行员需要学习在严重胁迫下控制飞机时。只在模拟环境中表现出危险是一个好主意。”

该术语已由许多人定义。“数字双胞胎是一个用于回答无法回答的问题的物理系统的虚拟表示,或者难以通过物理系统回答的问题”,验证组高级总监Marc Serughetti Marc Serughetti说synopsys.

但如果背景太大,就会产生问题。“数字双胞胎是一个很棒的想法,但还没有成为现实——至少还没有达到无缝覆盖一个复杂系统的所有抽象层的程度,”Rob van Blommestein说,他是该公司的营销主管奥克森解决方案。“最大的问题之一是互操作性。例如,目前有几家大公司正试图开发专用平台,以模拟汽车的数字孪生。原则上来说,这很好。它将允许制造商拥有汽车的完整虚拟视图,包括电子、电气、机械和物理方面。问题在于,整体平台在建设方面比较薄弱。”

已经开始变得的是存在的数字双胞胎类型,以及他们可以执行的角色。“数字双胞胎有三个元素,”解决方案营销的高级集团总监Frank Schirremeister表示节奏。“一个:数字双胞胎为发展目的。这些是自然地从半导体流中脱离的那些。它包括像虚拟平台这样的东西,这是一个用于软件开发的数字双胞胎。二:与数据相关的数字双胞胎。如果您查看医疗保健,他们将在医院进行数字化以优化该过程。他们数字双胞胎。第三个元素随着时间的推移是数据,而且这通常是连接到维护问题。所以在健康领域,人们看着你的数字双胞胎是你的图表。“

Schirrmeister使用如图1所示的浴缸曲线来说明这是如何适应半导体世界的。


图1:数字双胞胎应用领域。资料来源:Cadence.

“用于预测维护的数字双胞胎与用于发展的数字双胞胎无关,”斯波马尔仍然存在。“这是一个像你不相信的模特噩梦。为了使这是有效的,您实际上需要在现实生活中拥有您的东西的模型,并且您需要随着时间的推移维护这些模型。所以三个数字双胞胎开发,用于预测维护,然后运行和生产方面,如何优化您的产品生产线。“

这结束了模型停止在磁带中有用的概念。

新兴标准,便携式刺激,可能成为这个重要的一部分。“如果使用高保真和高精度模型用于系统的各个组件,例如传感器或应用处理器,数字双胞胎可以通过实现现实的情景仿真来帮助降低开发时间,并且至关重要地验证,”ChetBabla说,副总统武器汽车和物联网业务。“这可以在较短的时间内导致更好的产品。”

其他人也同意。埃森哲(Accenture)全球半导体主管赛伊德•阿拉姆(Syed Alam)表示:“数字双胞胎系统可能比物理系统更好,因为它们可以快速改变参数、操作条件和功能,整体上使产品更可配置,而不必每次都重建物理系统。”“半导体行业正朝着更可配置的系统发展,数字孪生是更快、更便宜地设计、测试和制造它们的好方法。”

阶段之间的界限正在模糊。西门子PLM软件公司电子产业战略副总裁弗雷姆·阿基说:“假设我们把一个设计标出来,然后瞄准一个新的生产设施。”“生产人员回来后可能会说,基于你们使用了很多高性能晶体管的设计,你们添加了几层金属,等等。他们可能会得出结论,他们需要再花3000万美元或4000万美元的资金,以确保优化这种设计的生产线(见图2)。如果他们不花钱,结果发现这是一个瓶颈,你就死定了。如果你花了钱,然后意识到你不需要它,你也会因为不必要的支出而陷入麻烦。这在今天变得更加重要。你想尽早优化你的生产线。无论你是在IDM格式下运营,还是在一家无晶圆厂的公司,这都无关紧要,因为成本就是成本,风险就是风险,必须有人对它们负责。”


图2:模糊设计和制造之间的界限。来源:西门子

数字双胞胎是达到目的的一种手段。“需要解决的第一个问题是,‘你在试图回答哪些问题?' " Synopsys ' Serughetti说。“为什么我要建立一个数字孪生兄弟?”

生产双胞胎
在半导体制造业中,“数字双胞胎”的概念有几种应用。D2S的Fujimura说:“我们从掩模SEM图片中进行晶圆平面分析(WPA),通过对提取的SEM图片轮廓进行光刻模拟,投射掩模将暴露在晶圆抗蚀剂上的内容。”“这是晶圆光刻机的数字孪生。”

这一概念可以更进一步,而不只是局限于实际数据。“人们可能希望有一个深度学习网络,可以学习如何对不同类型的缺陷进行分类,”Fujimura说。“但半导体晶圆厂和掩模店非常擅长避免缺陷。因此,很难收集每一种缺陷的数百万张具体的例子图片来正确地训练网络。数字双胞胎生成的图片看起来像SEM图像,或检查图像的CAD数据,使程序员可以生成任意数量的任何类型的缺陷图像,而不需要找到一种方法来制造一个拍照。”

即使设备已经部署在现场,模型仍然有用。塞鲁凯蒂说:“后硅时代是不同范围的数字孪生,但随着我们的进步和系统变得更加复杂,这一领域可能会变得更加重要。”“在半导体领域,我们倾向于考虑硬件和软件。但现实是,它们生活在一个环境中。如果你开始考虑这个领域的数字双胞胎,你需要能够模拟硬件、软件和环境,这些对硬件和软件有影响。”

了解如何使用芯片是重要的。“以物理芯片的实时数据,要么在硅形式上制造,组装和测试,在系统/板上或在终端部署时都会被收集并与数字线程数据集成,”埃森特的ALAM说。“这使得设计和产品工程师能够访问下一个分析级别,这有助于他们提高其设计,并将数据提供到半导体生态系统中以解决设计和性能问题。”

能够预测他们在新情况下的表现也能增加价值。Arm公司的Babla表示:“数字孪生技术通过高度自动化和一致性的方法,使测试多种部署场景成为可能,包括具有挑战性的紧急情况,但不受需要访问物理系统的限制。”这种配置、测试、分析、调整、配置和测试的能力使强大的反馈机制能够优化系统规格,最终确定或增强设计。”

但一些必要的模型仍然难以捉摸。“为了应对实际的现场数据,实时执行往往是数字双胞胎的要求,”设计方法部门负责人罗兰·朱克说Fraunhofer IIS'自适应系统工程。“数字双胞胎的主要优点 - 与传统的系统级模型相反 - 是它在完整的系统生命周期中的存在。这在开发和验证阶段有所帮助,但稍后通过使用现场数据来改善自己,从而留意安全操作以及预期的响应。“

随着时间的推移,这些模型将会加强自身。“能够从数字双胞胎中挖掘数据将使设计工程师对他们正在建立的模拟模型更有信心,”阿拉姆说。“能够分析不同的测试结果以及功耗和性能参数意味着产品的重复旋转将更少。设计工程师可以更快、更低的成本生产出更好的配置和衍生产品。”

数字双胞胎左移
开发流内的模型正在发生变化。“我们正在看到一个左转而且,过去的很多事情都是串联完成的,例如硬件的开发,并在硬件已经成熟时进行软件,现在正在同时完成,“西门子的Akiki说。“要有效地做到这一点取决于具有有效的数字模型。”

虚拟原型的开发一段时间已经发生。“此外,通过部署不同抽象级别的模型,可以通过建模速度来交易精度,”Babla说。“For example, a simple programmer’s view model of components may suffice for base functionality checking and initial software development, whereas a detailed physics-based image sensor model combined with a full processor RTL model will allow high-accuracy modeling of vehicle or industrial robot dynamics under real-life environmental conditions, such as humidity, temperature or even road surface conditions.”

这些模型正在连接到流动中。“虚拟样机可以在RTL可用之前尽早开始,”瑟鲁凯蒂说。“然后,你会进入虚拟原型和仿真的混合模式。然后你可以进入原型设计,这是基于fpga的,也可以是混合的。现在,您可能正在讨论更多的系统验证,即连接到系统的其余部分。因此,所有这些技术都在开发链中扮演着重要的角色,这无疑是一个流程。我不认为他们彼此排斥。他们不像一个结束,下一个开始。”

便携式刺激可以帮助保持这些模型同步。Cadence的Schirrmeister说:“并不是所有的测试都能达到每个精确度。“有些测试可能需要你有足够的实现细节来实际工作,而其他的,更抽象的元素,将在所有保真度工作。有些可能要求裸金属驱动器可用。如果您在更抽象的实现上运行相同的测试,那么您就不会运行真正的驱动程序。但你仍然可以进行测试。”

获得正确的抽象可能很棘手。弗劳恩霍夫的詹克说:“用于数字双胞胎的模型应该尽可能快地运行,同时尽可能准确。”“抽象需要代表系统中存在问题的交互,同时忽略手边调查中似乎不必要的细节。”

虚拟原型的摄取导致设计收益。“客户在规范阶段更积极主动,”Serughetti说。“他们从中受益于,因为转移到虚拟环境的值是在硬件和软件之间提供更多的清晰度。这方面有一个非常强烈的好处,剩下的班次发生了,因为现在您可以更有效地部署这些验证和验证技术。“

一个问题是数字双胞胎往往是专有的。“行业需求是什么是开源,或者至少是可互操作的平台,包括EDA工具,包括EDA工具,可以无缝插入,”Onespin的Van Blommestein说。“这是对安全的显而易见的需求,其中彼此进行独立的工具是一个要求。但它不仅仅是安全。确保OEMS及其供应链可以获得每个特定设计和验证任务的最佳最具竞争力的解决方案也很重要。“

另一个挑战是随着时间的推移维持模型的成本。“这项投资是你必须投入数字双胞胎是否可管理您试图摆脱它的回报,”Serughetti询问。“当你在项目的开头而没有物理系统时,它有一个巨大的价值,因为你可以早点开始,你得到更多信息。一旦你稍后在项目中,问题就变成了,“我对那个数字双胞胎的建模努力是什么?什么是回报?“如果努力太高,那么人们不会保持它。如果您正在谈论一个具有非常短的时间范围的项目,建模工作可能太高,以便获得返回值。“

在半导体流中产生的数字孪生主要用于内部消费。Schirrmeister说:“数字双胞胎依赖于创造一个流程,在这个流程中,这些事情自然发生。”“它们是开发某些东西的自然副产品。我们还没有真正做到这一点,甚至从RTL开始。有时你不仅需要考虑功能和定时精度,还需要考虑热效应,电磁效应,功率效应等等。我们还没有弄清楚,这在很大程度上取决于你想回答哪个问题。”

该行业长期以来,愿望可以导出实现的可执行规范,这将创建最终的数字双胞胎。“如果我的数字双胞胎是我的规格,怎么办,”塞尔格蒂问道。“如果我开始修改它,我首先修改规范,并从中导出实现。不幸的是,我还没有看到这是一个很实际实现到目前为止的事情。“

结论
该行业在半导体开发流程和生产和部署期间都在数字双胞胎上获得更多透明度。作为这样做的感知价值,将进入建立适当的模型和保持同步的手段。最终,如果它提供更好的方法来获得答案,数字双胞胎有价值。更好的方法可能是因为它早期,它更便宜,或者风险较低。

在Covid的这个时候,越来越多的人在远程工作的地方,数字双胞胎可以提供额外的价值,因为它们可以随时随地访问。



1评论

固定资产投资 说:

伟大的文章 - 但数字双胞胎需要一种不同的思维方式 - 良好的基础
混沌工程是一个开始。

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