모델 기반 설계를 사용한 IC 개발의 효율성 개선

경쟁 압력이 커지면서 IC(집적 회로) 제조업체들은 설계가 더욱 복잡해지고 품질과 성능에 대한 고객의 기대치가 높아지는 와중에도 납품 일정을 단축하고 있습니다. 많은 제조업체는 팀이 문서 기반으로 사양을 검증하고 최종 생산 버전을 출시하기 전에 여러 개의 프로토타입을 제작하는 기존의 설계 방식이 업계의 현재 속도를 따라가기에는 너무 느리다는 것을 깨닫고 있습니다.

ROHM에서는 모터 제어 애플리케이션, 센서 애플리케이션, 전원 공급 시스템을 위한 IC 개발 프로세스에 모델 기반 설계를 통합했습니다. Simulink^®에서의 혼성 신호 IC 설계, 플랜트 및 MEMS(미세전자기계시스템) 모델링 및 시뮬레이션을 통해 제품 팀은 회로 수준 설계를 진행하기 전에 높은 수준에서 설계 사양을 검증할 수 있게 되었습니다. 이러한 접근 방식은 전반적인 설계 품질을 높이는 동시에 재작업, 개발 시간 및 프로토타입 수를 줄입니다. 예를 들어, Simulink에서 생성하고 검증한 모델로부터 Verilog^® 코드를 자동으로 생성해 검증 시간을 한 달에서 며칠로 줄일 수 있습니다. 이를 통해 개발 효율성이 향상될 뿐만 아니라 구현 버그가 전혀 없어져 품질도 향상됩니다. 모델 기반 설계를 사용하면 모델 수준 사양을 이미 검증하고 회로 수준 기능 및 특성이 설계 사양을 충족하는 것이 확인된 제품의 프로토타입을 세 번이나 네 번이 아니라 한 번만 제작하고 프로토타입 제작에서 바로 양산으로 넘어갈 수 있습니다.

본 논문에서는 모터와 센서 분야에 대해 설명한다.

모터 제어 IC를 위한 모델 기반 설계

모터 제어 애플리케이션용 IC를 개발할 때, 당사 팀은 제어할 모터를 모델링하는 것으로 설계 과정을 시작합니다. 우리는 운동 방정식과 전압 방정식을 사용해 Simulink에서 모터의 기계적 및 전기적 특성을 모델링한 다음 MATLAB^®를 사용해 실제 모터에서 측정된 값을 기반으로 이 모델의 파라미터에 맞게 조정합니다. 우리 팀이 설계한 모터 모델에 따라 유도 감지 제어에 의한 자기 포화 효과와 샤프트 정렬 불량으로 인한 와우 및 플러터 효과를 통합할 수도 있습니다. 플랜트 모델의 일부로, 우리는 Simscape™를 사용하여 만든 모터 드라이버 트랜지스터 모델을 포함시켰습니다. 이 드라이버 모델을 사용하면 과도 특성을 분석할 수 있습니다. 예를 들어 모터 권선의 기생 커패시턴스로 인해 펄스 폭 변조가 시작될 때 발생하는 전류 진동을 분석할 수 있습니다.

또한 Simulink에서 모터 제어기를 모델링한 다음 제어기와 플랜트를 함께 사용하여 시스템 수준 시뮬레이션을 실행하여 설계의 제어 기능의 속도, 위치, 상승을 확인합니다. 이런 방식으로 제어기 설계를 검증한 후 Fixed-Point Designer™를 사용하여 제어 알고리즘을 고정소수점으로 변환합니다. 그런 다음 HDL Coder™를 사용하여 모델에서 합성 가능한 Verilog RTL을 생성하여 구현 속도를 높이고 이전에 수동 코딩에서 발생했던 코딩 오류의 위험을 제거합니다.

DPI-C 모델 생성을 통한 MEMS 소자 개발

MEMS 센서와 관련 센서 IC가 포함된 프로젝트의 경우, 모터 제어 IC에 사용하는 것과 매우 유사한 개발 프로세스를 사용합니다. 하지만 모터의 특성을 파악하기 위한 테스트를 수행하는 대신, 3D 전자기 해석 및 구조 해석 툴을 사용하여 MEMS 소자의 특성을 파악한 다음, 이 과정을 통해 식별된 파라미터를 소자의 Simulink 모델에 맞춥니다. 또는 MATLAB에서 전달 함수 식별과 다중 회귀 근사를 수행한 다음 전달 함수를 소자의 모델로 사용합니다.

우리는 모터 컨트롤러 모델과 마찬가지로 센서 IC의 Simulink 모델을 생성하여 설계의 실행 가능한 사양 역할을 합니다. Simulink에서 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 Cadence^® Virtuoso^® 플랫폼에서 설계를 세부화하기 전에 이 사양을 조기에 검증합니다.

MEMS 설계 워크플로에서는 모터 워크플로에 포함되지 않은 추가적인 검증 단계를 수행할 수 있습니다. 특히, 우리는 Embedded Coder^®와 함께 HDL Verifier™를 사용해 Simulink MEMS 소자 모델로부터 SystemVerilog DPI-C 모델을 생성합니다. (그림 1) 그런 다음 Cadence 환경 내에서 이 SystemVerilog 모델을 사용하여 증폭기, 아날로그-디지털 컨버터, 디지털 처리 논리를 포함한 IC 설계를 완전히 검증하고, 최종 검증에 앞서 이를 지속적으로 발전시킵니다. 이 기술은 개발 효율성을 높일 뿐만 아니라, 먼저 Simulink 에서, 그다음에는 Cadence Virtuoso에서 설계를 일관되게 검증하기 때문에 설계 품질을 보장하는 데에도 도움이 됩니다.

FPGA-in-the-Loop 고객 평가

많은 고객이 개발 중인 ROHM 제품을 평가할 수 있는 기능을 자사 개발 프로세스에 큰 장점으로 여깁니다. 이런 고객을 위해 우리는 HDL Coder를 사용하여 Simulink IC 모델에서 HDL 코드를 생성하고 이를 FPGA 평가 보드에 배포합니다. 고객은 이 보드를 사용하여 하드웨어 설계를 평가할 수 있습니다. 또는 고객은 HDL Verifier를 사용하여 자체 시스템 수준 Simulink 모델로 FPGA-in-the-loop 시뮬레이션을 수행하여 과도 해석 및 설계 최적화를 수행할 수 있습니다. 두 가지 접근 방식 모두 소스 설계 자산이 아닌 FPGA 구현만 공유하므로 민감한 IP가 보호됩니다.

모델 기반 설계 문화 조성

ROHM의 모든 제품 팀이 모델 기반 설계를 도입할 수 있도록 돕기 위해, 우리는 광범위한 설계 경험을 가진 엔지니어 팀인 모델 기반 설계 그룹을 구성했습니다. 이 그룹은 팀이 Simulink에서 모델링, 시뮬레이션, 코드 생성을 상향식 IC 설계 워크플로의 일부로 쉽게 적용할 수 있도록 하는 자산을 개발합니다. 자산에는 모델 템플릿, 문서, 툴(예: 파라미터 추출 툴)는 물론, 모터 모델, MEMS 모델, SystemVerilog DPI-C 생성을 위한 기술 가이드도 포함됩니다.

또한 이 그룹은 모델링 기술을 공유하고 내부 브리핑과 교육 세션을 실시하여 팀이 신속하게 속도를 높일 수 있도록 돕습니다. 이 그룹은 처음에는 일본 현지에 있는 ROHM 팀을 타겟으로 했지만, 이제는 ROHM의 해외 디자인 센터가 모델 기반 설계 프로젝트를 전문으로 하는 팀을 구성하도록 지원하고 있습니다.

많은 ROHM 팀이 모델 기반 설계를 기꺼이 도입했지만, 일부는 해당 분야에 모델 기반 설계 환경이 구축되지 않아 주저하기도 했습니다. 후자의 팀을 위해 모델 기반 설계 그룹은 해당 접근 방식의 이점과 이미 해당 접근 방식을 사용하고 있는 팀이 실현한 이점을 입증하는 데 시간을 할애합니다. 최근에는 Simulink 사용하여 센서 IC와 모터 IC 개발을 위한 작업 그룹을 구성했습니다. ROHM의 엔지니어들은 이러한 그룹에 참여하여 기술 정보를 공유하고 Simscape에서 MOSFET 드라이버를 모델링하는 방법, 정확도가 높은 MEMS 모델을 만드는 방법, 기존 회로의 주파수 응답을 식별하는 방법 등 많은 팀에 관련된 주제에 대해 자세히 알아봅니다.

ROHM 전체에서 모델 기반 설계 사용 확대

우리 부서 내에서 모델 기반 설계를 사용하는 팀의 수가 꾸준히 증가하고 있습니다. 또한, SiC(탄화 규소) 및 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 제품의 개발 및 제조를 담당하는 부서를 포함하여 회사 전체의 사업부 전반에 모델 기반 설계가 적용되는 모습을 볼 수 있게 되었습니다. 최근에는 자동차 고객들로부터 모델 기반 설계에 대한 수요가 증가하고 있는 것을 볼 수 있었습니다. 이제 ROHM은 이러한 수요를 충족할 수 있는 좋은 입지를 갖추게 되었습니다.