Incremento dell’efficienza nello sviluppo di IC grazie alla progettazione Model-Based

In risposta alla crescente pressione competitiva, i produttori di circuiti integrati (IC) stanno accorciando i tempi di consegna, nonostante i progetti diventino più complessi e le aspettative dei clienti in termini di qualità e prestazioni aumentino. Molti produttori stanno scoprendo che gli approcci di progettazione tradizionali, in cui i team eseguono verifiche documentali delle specifiche e producono più prototipi prima della versione di produzione finale, sono ormai troppo lenti per tenere il passo con l'attuale ritmo del settore.

In ROHM abbiamo integrato la progettazione Model-Based nel nostro processo di sviluppo di circuiti integrati per applicazioni di controllo motore, applicazioni di sensori e sistemi di alimentazione. Modellazione e simulazione di progetti di circuiti integrati a segnale misto, impianti e sistemi microelettromeccanici (MEMS) in Simulink^® hanno consentito ai team di prodotto di verificare le specifiche di progettazione ad alto livello prima di procedere con la progettazione a livello di circuito. Questo approccio riduce le rilavorazioni, i tempi di sviluppo e il numero di prototipi, aumentando al contempo la qualità complessiva del progetto. Ad esempio, generando automaticamente codice Verilog^® da modelli che abbiamo creato e verificato in Simulink, possiamo ridurre il tempo di verifica da un mese a pochi giorni. Ciò non solo migliora l'efficienza dello sviluppo, ma ne migliora anche la qualità, riducendo a zero il numero di bug di implementazione. Grazie alla progettazione Model-Based, possiamo realizzare il prototipo di un prodotto, di cui sono già state verificate le specifiche a livello di modello e confermate le funzioni e le caratteristiche a livello di circuito che soddisfano le specifiche di progettazione, una volta sola, anziché tre o quattro, e passare direttamente dal prototipo alla produzione di massa.

In questo articolo vengono presentati i campi motorio e sensoriale.

Progettazione Model-Based per circuiti integrati di controllo motore

Quando si sviluppano circuiti integrati per applicazioni di controllo motore, i nostri team iniziano il processo di progettazione modellando il motore da controllare. Modelliamo le caratteristiche meccaniche ed elettriche del motore in Simulink utilizzando le equazioni del moto e l'equazione della tensione, quindi utilizziamo MATLAB^® per adattare i parametri di questo modello in base ai valori misurati da un motore reale. A seconda del modello di motore progettato dai nostri team, possiamo anche incorporare gli effetti della saturazione magnetica tramite i controlli di rilevamento induttivo e gli effetti di “wow and flutter” dovuti al disallineamento dell’albero. Come parte del modello dell'impianto, includiamo un modello dei transistor di pilotaggio del motore che creiamo con Simscape™. Questo modello del driver ci consente di analizzare le caratteristiche transitorie; ad esempio, l’oscillazione di corrente all’avvio della modulazione di larghezza di impulso causata dalla capacità parassita negli avvolgimenti del motore.

Modelliamo anche il controller del motore in Simulink, quindi eseguiamo simulazioni a livello di sistema con il controller e l'impianto insieme per verificare la velocità, la posizione e l'aumento delle funzioni di controllo del progetto. Dopo aver verificato la progettazione del controller con questo approccio, utilizziamo Fixed-Point Designer™ per convertire gli algoritmi di controllo in virgola fissa. Generiamo quindi Verilog RTL sintetizzabile dal modello con HDL Coder™, accelerando l'implementazione ed eliminando il rischio di introdurre errori di codifica che in precedenza si verificavano con la codifica manuale.

Sviluppo di dispositivi MEMS con generazione di modelli DPI-C

Per i progetti che coinvolgono sensori MEMS e relativi circuiti integrati, utilizziamo un processo di sviluppo molto simile a quello utilizzato per i circuiti integrati di controllo motore. Tuttavia, invece di eseguire test per caratterizzare un motore, utilizziamo strumenti di analisi elettromagnetica 3D e di analisi strutturale per caratterizzare il dispositivo MEMS, quindi adattiamo i parametri identificati attraverso questo processo a un modello Simulink del dispositivo. In alternativa, eseguiamo l'identificazione della funzione di trasferimento e l'approssimazione della regressione multipla in MATLAB, quindi utilizziamo la funzione di trasferimento come modello del dispositivo.

Creiamo un modello Simulink del circuito integrato del sensore che, proprio come il modello del controllore del motore, funge da specifica eseguibile del progetto. Attraverso simulazioni a livello di sistema in Simulink, verifichiamo questa specifica in anticipo prima di perfezionare la progettazione nella piattaforma Cadence^® Virtuoso^® .

Nel nostro workflow di progettazione MEMS, possiamo eseguire un ulteriore passaggio di verifica che non fa parte del nostro workflow del motore. Nello specifico, utilizziamo HDL Verifier™ con Embedded Coder^® per generare un modello SystemVerilog DPI-C dal nostro modello di dispositivo Simulink MEMS (Figura 1). Utilizziamo quindi questo modello SystemVerilog nell'ambiente Cadence per validare completamente il nostro progetto IC, inclusi amplificatori, convertitori analogico-digitali e logica di elaborazione digitale, mentre continuiamo a elaborarlo prima della verifica di approvazione. Questa tecnica non solo aumenta l'efficienza dello sviluppo, ma aiuta anche a garantire la qualità del progetto, perché disponiamo di una verifica coerente del progetto, prima in Simulink e poi in Cadence Virtuoso.

Simulazione FPGA-in-the-Loop

Molti dei nostri clienti ritengono che la possibilità di valutare un prodotto ROHM in fase di sviluppo rappresenti un vantaggio significativo nei loro processi di sviluppo. Per questi clienti, generiamo codice HDL dal nostro modello Simulink IC utilizzando HDL Coder e lo distribuiamo su una scheda di valutazione FPGA. I clienti possono quindi utilizzare la scheda per valutare i loro progetti hardware. In alternativa, i clienti possono utilizzare HDL Verifier per eseguire simulazioni FPGA-in-the-Loop con i propri modelli Simulink a livello di sistema per l'analisi transitoria e l'ottimizzazione della progettazione. Con entrambi gli approcci il nostro IP sensibile è protetto, poiché condividiamo solo l'implementazione FPGA e non le risorse di progettazione sorgente.

Creazione di un gruppo di progettazione Model-Based presso ROHM

Per aiutare i team di prodotto di ROHM ad adottare la progettazione Model-Based, abbiamo formato il Model-Based Design Group, un team di ingegneri con una vasta esperienza nella progettazione. Questo gruppo sviluppa strumenti che facilitano l’applicazione della modellazione, della simulazione e della generazione di codice in Simulink come parte di un workflow di progettazione IC top-down. Le risorse includono modelli, documentazione e strumenti (ad esempio, strumenti per l'estrazione dei parametri), nonché una guida tecnica per modelli di motori, modelli MEMS e generazione SystemVerilog DPI-C.

Il gruppo condivide anche tecniche di modellazione e organizza sessioni di briefing e formazione interne per aiutare i team a essere operativi rapidamente. Sebbene inizialmente il gruppo si rivolgesse ai team ROHM con sede locale in Giappone, ora sta aiutando i centri di progettazione ROHM all'estero a formare team specializzati in progetti di progettazione Model-Based.

Molti team di ROHM hanno rapidamente adottato la progettazione Model-Based, mentre altri sono stati più cauti perché non dispongono ancora di un ambiente dedicato per applicarla nel loro ambito. Per questi ultimi team, il Model-Based Design Group si prende il tempo necessario per dimostrare i vantaggi dell'approccio e i vantaggi ottenuti dai team che lo stanno già utilizzando. Più di recente abbiamo creato gruppi di lavoro per lo sviluppo di circuiti integrati per sensori e motori utilizzando Simulink. Gli ingegneri di ROHM si uniscono a questi gruppi per condividere informazioni tecniche e approfondire argomenti rilevanti per molti team, tra cui come modellare i driver MOSFET in Simscape, come creare modelli MEMS ad alta precisione e come identificare la risposta in frequenza dei circuiti esistenti.

Diffusione dell'uso della progettazione Model-Based in ROHM

Il numero di team che utilizzano la progettazione Model-Based all'interno della nostra divisione è in costante aumento. Inoltre, stiamo iniziando a osservare l’applicazione della progettazione Model-Based in diverse unità aziendali dell’azienda, comprese quelle responsabili dello sviluppo e della produzione di prodotti a carburo di silicio (SiC) e transistor bipolari a gate isolato (IGBT). Di recente abbiamo anche assistito a una crescente domanda da parte dei clienti del settore automotive per la progettazione Model-Based. ROHM è ora pronta a rispondere efficacemente a questa esigenza.