Toolchains mit digitalen Threads Co-Design über mehrere Domänen hinweg

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Mit steigenden Systemanforderungen wird die Zusammenarbeit von Entwicklern über mehrere Domänen wie Elektronik, Elektrik und Mechanik hinweg immer wichtiger. Passende Tools wie ein digitaler Thread sind hier eine wesentliche Voraussetzung.

Aufgrund der gestiegenen Systemgeschwindigkeiten müssen Entwickler Laufzeit und Qualität der Signale nicht nur in der Elektronik, sondern auch in den Kabelbäumen berücksichtigen. Aus Sicht der Mechanik haben engere Formfaktoren den Platz für das typische „Board in einer Box“ deutlich verringert, bei dem bisher eine einfache rechteckige Platine ausreichend Spielraum bot und kaum Probleme verursachte. Starrflexible , also dreidimensional biegsame Leiterplatten mit mehrfacher Stapelung stellen oft eine Herausforderung für die bereichsübergreifende ECAD/MCAD-Konstruktion dar. Und selbst wenn die Form bzw. Passung dann erreicht ist, muss bei Hochleistungssystemen mit erheblicher Verlustwärme eine ausreichende Luftzirkulation durch die Struktur gewährleistet sein.

Aktuelle Technologien wie die additive Fertigung werden die Bereiche des elektrischen und mechanischen Designs weiter zusammenführen. Beispiele sind die Möglichkeit, Verbindungen in Karosserieteile zu drucken, anstatt Kabel und Kabelbäume zu verwenden, oder Elektronik, die mechanisch an die Konturen von Instrumententafeln angepasst ist.

Ähnliche und doch so verschiedene Domänen

Die Domänen Elektronik, Elektrik und Mechanik sind ähnlich und doch zugleich so verschieden. Elektronikdesign (Hardwaresysteme) und Elektrodesign (die Verdrahtung zwischen Hardware, um größere elektronische Systeme zu schaffen) sind natürlich eng verbunden und werden oft verwechselt, da beide als „ECAD“ bezeichnet und beide von Elektroingenieuren durchgeführt werden, die eine Entwicklung mit einem Schaltplan beginnen. Und sowohl das elektrische als auch das elektronische Design haben gemeinsame Herausforderungen bei der Integration mit dem mechanischen Design.

In der Vergangenheit wurde die bereichsübergreifende Zusammenarbeit durch eine Reihe von Problemen behindert. Für die verschiedenen Domänen gab es völlig unterschiedliche Tool-Ketten, unterschiedliche Benutzer-Spezialitäten, unterschiedliche Sprachen bzw. Begriffe für die Kommunikation und unterschiedliche Datenbanken. Dies erschwerte die Kommunikation von Änderungen, während die Entwicklung in den Domänen parallel voranschritt. Das Beste, was die Anwender erwarten konnten, waren E-Mails, Zeichnungen auf Post-it-Zetteln oder eine „sprachgesteuerte Maus“ (vorausgesetzt, die Mitarbeiter der beiden Domänen befinden sich in derselben Büroeinheit).

Der „digitale Zwilling“ verspricht Abhilfe

Die Designkomplexität hat auch den Einsatz von multidisziplinären Simulationen eines „digitalen Zwillings“ (z. B. in Bezug auf Signal-/Stromintegrität, elektromagnetische Felder, thermische, strukturelle und akustische Simulationen) vorangetrieben, um Iterationen zu minimieren und Produkte zu optimieren. Die Übertragung von Daten in diese Tools wird aber durch die gleichen Probleme verhindert. Unter dem Strich bedeutete dies unregelmäßige Kommunikation mit begrenzter oder gar keiner digitalen Überprüfung. Es war nicht ungewöhnlich, dass der Anwender erst bei der Systemintegration feststellte, dass die Dinge nicht passten. Studien des Marktforschers Aberdeen haben gezeigt, dass 59% der komplexen Produkte mindestens zwei zusätzliche Designiterationen erfordern, um elektromechanische Probleme zu lösen. 68% der Unternehmen geben an, dass die elektromechanische Datensynchronisation eine große Herausforderung darstellt.

Die Branche hat sich weiterentwickelt und bietet einen digitalen Thread in Form von Standardformaten. Bereits vor Jahrzehnten wurden DXF-Dateien zu einem üblichen Verfahren für die Übermittlung grafischer Daten, doch die Informationen waren sehr begrenzt (oft 2D, keine Informationen über Objekte) und mussten daher interpretiert werden. Deshalb kam DXF meist nur als „Einbahnstraße“ von MCAD zu ECAD zum Einsatz. STEP ermöglichte mehr 3D-Intelligenz, einschließlich der Gehäuse.

Digitaler Thread mit Standardformaten

IDF wurde für die bidirektionale Zusammenarbeit entwickelt, übertrug aber die gesamte Datenbank, ohne dass Änderungen nachverfolgt werden konnten. Hier bot IDX die Möglichkeit, schrittweise Änderungen zu senden, und ermöglichte damit Rückverfolgbarkeit. Um die Zusammenarbeit noch weiter zu optimieren, bieten einige Tool-Paare eine Datenintegration über diese Standardformate hinaus. Dies ist ein positiver Schritt, erfordert aber eine Synchronisierung aller Tool-Versionen in der Kette. Einige Unternehmen haben Tools entwickelt, die Domänen zusammenführen, aber nicht genug Tiefe aufweisen. Daher beschränken sich diese auf den generalistischen Einsatz für einfachere Designs.

Heute unterstützen die meisten Tools mehrere Formate. Dass die fortschrittlichsten Ansätze dennoch nur begrenzt angenommen werden, ist zum Teil auf die Trägheit der Unternehmen zurückzuführen – es ist schwierig, Prozesse zu ändern, insbesondere wenn ein benutzerdefinierter Code erstellt wurde, um Ineffizienzen zu überdecken. Noch schwieriger wird es, wenn mehrere Domänen mit ihren isolierten Teams und individuellen Tool-Ketten beteiligt sind. Optimiertes Co-Design über mehrere Domänen hinweg, wie es ein digitaler Thread ermöglicht, ist dennoch verheißungsvoll.

Studien zeigen, dass Best-Practice-Prozesse die Anzahl der physischen Prototypen und Neuanläufe durch konsequente, iterative Kommunikation reduzieren können und so Nacharbeiten in späten Phasen des Designprozesses vermeiden. Die technische Effizienz lässt sich erheblich steigern, Entwicklungskosten und -zeit werden reduziert, ein Erfolg im ersten Anlauf wird viel wahrscheinlicher. Durch umfassende Zusammenarbeit und Verifizierung lassen sich robustere Designs erstellen.

Wie sieht nun ein Best-Practice-Ansatz für das Co-Design aus? Hier ein paar Empfehlungen:

• Es liegt auf der Hand, dass die Datenübergabe umso sauberer und die Zusammenarbeit umso effizienter wird, je enger die Verbindung zwischen den einzelnen Tools ist. Als Industriestandard für die elektromechanische Integration ermöglicht IDX eine häufige, inkrementelle Zusammenarbeit. Aber wie bereits erwähnt, sind noch engere Integrationen möglich.

• Ein modellbasierter Ansatz, bei dem sowohl ECAD als auch MCAD dieselbe Komponentenbibliothek nutzen, kann erhebliche Zeit für das Erstellen von Bibliotheken sparen und sicherstellen, dass das gesamte Engineering auf demselben Stand ist.

• Ohne ihre gewohnte Umgebung zu verlassen, können Layouter mit 3D-ECAD-Design-Tools sehen, woran der Maschinenbauingenieur arbeitet, und ihr Design in diesem Kontext überprüfen. Ebenso helfen Leiterplattendaten bis hinunter auf die Ebene der Leiterbahnen und Durchkontaktierungen dem Maschinenbauingenieur bei der genauen Modellierung und Simulation der Leiterplatte in seiner Umgebung.

• Wie bereits erwähnt, steht eine Reihe von Analyse-Tools zur Verfügung, mit denen sich der „digitale Zwilling“ noch vor dem Prototypen validieren lässt. Idealerweise arbeiten diese Tools direkt mit der ECAD- oder MCAD-Authoring-Datenbank (einem hoch detailgetreuen „digitalen Zwilling“) zusammen, um Nacharbeiten zu minimieren. Der Einsatz dieser Tools klingt zwar nach Mehraufwand, aber es ist erwiesen, dass das „virtuelle Prototyping“ (Analyse und Verifizierung während des Entwurfs) Nacharbeiten reduziert und so erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen möglich macht.

Anwender sollten ihren derzeitigen bereichsübergreifenden Konstruktionsprozess auf Ineffizienzen hin untersuchen. Er mag heute „funktionieren“ (also niemand beschwert sich), aber einige Maßnahmen können die Leistung eines Entwicklungsteams drastisch verbessern. (cg)

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Verifizierung integrierter Schaltungen mit KI

* Dave Wiens ist Product Manager bei Siemens EDA

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