数字孪生如何辅助半导体系统设计

半导体产业纵横
数字孪生还让设计师从早期阶段开始检查半导体的生命周期,而不是等到制造工厂开始生产。这种能力可以激发新的观点,辅助半导体系统创建的所有阶段。

数字孪生是实物资产的虚拟、极为详细的版本。人们把它们作为单一组件创建,一直创建完整个工厂。这样做可以让他们看到某些决定的影响,然后再在现实生活中推进这些决定。在制造业中使用数字孪生越来越受欢迎。但是,在零件投入生产之前,它们会很有帮助。

数字孪生可以帮助设计师开发最好的产品,而不会遇到太多耗时障碍,从而打乱生产计划。

当有关项目供不应求时(如半导体系统)时,使设计过程尽可能精简和高效尤其具有价值。以下是数字孪生在这种情况下可以帮助的一些方法。

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原型有助于帮助设计师在进一步进入设计过程之前确定某些想法是否可行。数字孪生并不总是消除物理原型的需要,但他们可以最大限度地减少它们。

当这种情况发生时,设计团队可以使用各种迭代方法,其速度比他们本来可能的速度更快。这种好处可以加快整个进程,保持高生产率水平。它还可以通过给予设计师更多的自由来测试虚拟世界中的不同版本,以此刺激创新。

普里斯·班纳吉是安西斯的首席技术官。他看到了工程师们能够将数字孪生与补充模拟相结合,以减少对物理建模的依赖的未来。

他解释了数字模型如何帮助工程师调整设计,并比以前更早地发现可能的问题。"...工程师不再需要构建和测试不同的配置。过去,工程师会在硬件上构建多个原型,从而产生长时间的成本。现在,他们可以通过软件模拟构建整个虚拟原型,并通过探索数千种设计来创建最佳设计"。

对物理原型的低依赖程度,降低了成本并加快了决策速度。它还允许设计师在不与队友在物理位置的情况下权衡设计选项。由于数字孪生是一个虚拟再现,人们可以查看和评论它,无论他们在哪里。

设计师还可以向客户展示数字孪生,无需面对面的会议即可立即获得反馈。客户对半导体系统的发展有着准确的期望,从而与设计团队进行了更有成效的对话。

在整个设计过程中提高可见性

数字孪生还可以使半导体设计师更清楚地意识到潜在的问题,否则他们可能直到整个过程的后期才会注意到这些问题。这就是西门子与全球半导体知识产权公司Arm合作开发数字孪生的原因之一。

在相关领域,数据孪生也涉及到大量互联车辆。数字孪生允许模拟和验证子系统和片上系统(SoC)设计,从而获得有关这些芯片在汽车投产之前性能的新分析。例如,数字孪生可以显示芯片的估计功率和性能指标,帮助设计人员了解哪些工作良好,哪些方面应该进行改进。

Arm汽车和物联网业务部高级副总裁兼总经理迪普蒂·瓦查尼表示:"开发未来的运输解决方案需要跨复杂生态系统进行协作。Arm技术已在整个车辆的应用中研究了20多年,我们与西门子的合作重新定义了在安全性、可扩展的异构计算方面可能实现的功能。

为汽车行业设计芯片面临特殊挑战,因为汽车在其使用寿命中可能会遇到大量变量。"在开发和验证汽车SoC时,[设计师必须处理]的是'整个世界'-包括车辆必须行驶的任何天气和路况。必须验证的输出是,他们的新SoC/车辆不会超过任何人,"西门子自主和ADAS全球技术经理David Fritz说。

然而,使用数字孪生使半导体系统设计师更清楚地意识到这些变量如何影响他们的芯片。在流程的早期拥有这些细节,设计团队成员可以做出调整,然后才能走得更远而不至于被打回来。

协助生产决策

在决定使用焊接铁完成印刷电路板时使用哪些技术之前,设计师可以先查看数字孪生特性。无铅焊接在2006年成为行业标准。人们可以用传统的铁处理它,但他们必须知道,这种技术需要比其他焊接技术更高的温度。

但是,设计师可以选择自动选项,例如迷你波焊接。它生产高品质的焊接头,是一种易于重复的方法。焊接过程决策不会在最早的设计阶段出现。然而,使用数字孪生可以提前思考如何在不遇到减速的情况下满足生产期限。

数字孪生还让设计师从早期阶段开始检查半导体的生命周期,而不是等到制造工厂开始生产。这种能力可以激发新的观点,辅助半导体系统创建的所有阶段。

安妮·阿森西奥是法国软件公司达索·西斯特梅斯的设计经验副总裁。她认为数字孪生完全颠覆了当前的设计流程,她说:"我们正开始发生巨大的变化,可能会改变我们的设计方式。这是一场巨大的未来革命,到目前为止,我们只看到了第一阶段。

她继续说,"这种在3D中可视化任何给定元素的能力——它可以是一个对象、一个服务、一个系统或整个城市,并在科学的整合范围内玩所有的物理规则——这是一种不可思议的力量。对于设计师来说,它不仅能够清晰地获得产品,还能清晰地访问创意过程前端的行为、体验和整个生命周期。

在半导体供应链中实现更多的平衡和安全

2019年统计数据显示,美国在芯片设计市场占有约85%的份额。然而,它只拥有12%的半导体制造市场份额。

目前正在开展各种努力,将更多的半导体制造带回美国,从而在半导体需求旺盛的时期确保美国的供应链安全。数字孪生可以同时帮助设计师和制造商克服当前的一些生产问题,尤其是在新的半导体工厂建成之前。

例如,博世的一家德国半导体工厂采用数字孪生,帮助员工应对与流程更新和建筑施工相关的挑战。工厂的数字双版包含约50万件物品,是制定未来生产计划的有用资源。

另一个持续使用数字孪生来处理供应链问题的努力来自美国国防部(DoD)。更具体地说,这将取决于他们在将这些部件投入武器之前验证芯片组件或单个设备。其理念是,该项目可以加强供应链,同时为半导体系统获取资源。

如果设计师和制造商更频繁地使用数字孪生进行协作,那么生产水平可能保持高位,同时确保各方在开发中的组件方面处于同一状态。让每个人都能访问相同更新和可靠的信息,可以减少许多问题,否则可能会减慢生产或导致错过的期望。

数字孪生可以帮助半导体设计师取得成功

在半导体设计中使用数字孪生仍然不像制造业那样常见。然而,这一概述表明,在整个阶段,有许多令人信服的理由依靠它们。设计师必须不断开发新的、更好的芯片,至少与市场上竞争的公司一样快。数字孪生可以帮助他们实现这一壮举,并在使用这些创新之前注意到其他无人达成的优势。

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