News - Forschung und Entwicklung vom 11/21/2011
Smart Systems
Europa strebt Spitzenstellung an
Die Partner eines neuen europäischen Forschungsprojekts gaben Einzelheiten des multinationalen, interdisziplinären ‚SMArt systems Co-design’-Programms (SMAC) bekannt. Dieses wichtige Vorhaben mit einer Laufzeit von drei Jahren wird teils durch das FP7, das 7. EU-Rahmenprogramm für Forschung, Technologische Entwicklung und Demonstration (FP7-ICT-2011-7) finanziert und hat als Ziel die Entwicklung einer zur Spitzenklasse zählenden Design und Integrationsumgebung (‚SMAC‘-Plattform) für den Entwurf so genannter ‚Smart Systems‘.
Diese intelligenten, miniaturisierten Systeme fassen mehrere Funktionen wie etwa Sensorik, Aktorik, Rechenfunktionen, drahtlose Kommunikation und Energy-Harvesting in einem einzigen winzigen Gehäuse zusammen. Sie werden wichtige Bestandteile von Applikationen der nächsten Generation sein, die in so vielfältigen Bereichen wie Energieeinsparung, Gesundheitswesen, Automotive, Fabrikautomatisierung und Konsumgeräte zum Einsatz kommen werden. Ziel des SMAC-Programms ist es, die Designkosten und die Markteinführungszeit von Smart Systems der nächsten Generation zu reduzieren und europäischen Unternehmen damit zu einer Führungsposition in diesen wichtigen Märkten zu verhelfen.
Den Engpass bei der Entwicklung intelligenter Systeme bilden nicht die Technologien, sondern die Designmethodiken. Fortschrittliche Gehäusetechnologien wie etwa System-in-Package (SiP) und das Chip-Stacking (3D-IC) mit Through-Silicon-Vias geben den Herstellern schon heute die Möglichkeit, all diese Fähigkeiten noch dichter zu packen, um den immer höheren Ansprüchen in Sachen Kosten, Größe, Performance und Zuverlässigkeit gerecht zu werden. Die Designmethodiken jedoch hinken in ihrer Entwicklung derzeit noch hinter dem technologischen Fortschritt her. Generell stellt sich das Szenario für die Modellierung und Simulation, das Design und die Integration von Smart Systems heute wie folgt dar:
– Die nichtelektrischen Bestandteile (mikromechanische Strukturen, elektromagnetische Felder, thermische Phänomene, Wellenausbreitung usw.) werden mit Solvern für partielle Differenzialgleichungen (PDGL) entworfen. Beispiele sind die Finite Elemente Methode (FEM) oder schaltplanbasierte Verhaltensbibliotheken. – Die Analog und HF-Teile werden unter Wiederverwendung existierender Makros durch hochspezialisierte Ingenieure nach einem schablonenbasierten Verfahren entworfen. – Der Entwurf der digitalen Bestandteile erfolgt mit automatisierten Synthese-Tools (von der High-Level-Synthese zur physischen Synthese) nach einem Top-Down-Paradigma. – Das Systemdesign wird durch die Blockschaltbild-Simulation (z. B. mit MATLAB-SIMULINK oder SystemVue) unterstützt, die zwar eine umfassende Sicht auf das Gesamtsystem vermittelt, aber vereinfachte Modelle für die Subsysteme und Komponenten zugrunde gelegt. – Der Umfang der in Mikrocontrollern und DSPs implementierten Software nimmt gravierend zu.
„Das entscheidende Hindernis für den zügigen Ausbau der Anwendungen für intelligente Systeme sind nicht die verwendeten Technologien, sondern das Fehlen einer strukturierten Designmethodik, die die finale Integration explizit berücksichtigt“, sagt Salvatore Rinaudo, SMAC-Projektkoordinator und Industrial and Multisegment Sector CAD R&D Director bei STMicroelectronics. „Im Idealfall muss die Kombination als Ganzes als ein einziges System entworfen werden, doch gibt es hierfür bis dato keine Tools und Methodiken. Das SMAC-Projekt wird diese Lücke mit einer ganzheitlichen, integrationsorientierten Designplattform schließen, die der europäischen Industrie einen Vorsprung in der Nutzung des Potenzials intelligenter Systeme verschaffen wird. Abgesehen von der Senkung der Designkosten und der Verkürzung der Markteinführungszeit wird das Risiko minimiert, dass es bei der finalen Integration zu unerwarteten Problemen kommt.”
Beim Design intelligenter Systeme werden heutzutage separate Designtools für die verschiedenen Abschnitte des Gesamtsystems verwendet. So sind beispielsweise für das Modellieren, die Simulation und das Design von MEMS-Sensoren, Analog und HF-Bausteinen sowie digitalen ICs völlig verschiedene Tools erforderlich, von denen keines die ultimative Systemintegration berücksichtigt. Die SMAC Plattform wird gemeinsam von akademischen und industriellen Partnern entwickelt werden, zu denen mehrere EDA-Unternehmen (Electronic Design Automation) und Halbleiterhersteller zählen, um die Nutzbarkeit des Konzepts in realistischen, industrietauglichen Design-Flows und Umgebungen zu gewährleisten. Das Ergebnis wird die Industriepartner und ihre Kunden befähigen, ihre Wettbewerbsfähigkeit auf dem weltweiten Markt für intelligente Systemprodukte und Applikationen zu steigern. Es wird erwartet, dass mit dem Abschluss des Projekts die folgenden technischen und wissenschaftlichen Ergebnisse vorliegen werden: – Neue Modellierungs und Simulationsfähigkeiten zur Unterstützung einer präzisen Multi-Physics , Multi-Layer , Multi-Scale und Multi-Domain-Cosimulation. – Innovative, integrationsorientierte Designtechniken für Komponenten und Subsysteme aus verschiedenen technologischen Sparten und mit unterschiedlichen Funktionen. – Kombination und Aufwertung existierender Modellierungs und Simulations-Tools zu einem nahtlosen Design-Flow, nämlich zur SMAC Plattform, um die Voraussetzungen für ein integrationsorientiertes Co-Design intelligenter Systeme zu schaffen. – Effektivitätsnachweis für einige der neuen Designlösungen durch Implementierung von Testfällen unter Verwendung von Spitzentechnologie. – Nachweis der Genauigkeit und einfachen Integrierbarkeit neuer und existierender EDA-Tools innerhalb der SMAC Platform durch Vergleich mit Referenz-Methodiken nach dem jetzigen Stand der Technik. – Nutzbarkeitsnachweis der SMAC Platform durch Einsatz bei einem industriellen Designvorhaben.