Améliorer l'efficacité du développement des circuits intégrés avec l'approche Model-Based Design

En réponse à la pression concurrentielle accrue, les fabricants de circuits intégrés (CI) raccourcissent les délais de livraison alors même que les designs deviennent plus complexes et que les attentes des clients en matière de qualité et de performance augmentent. De nombreux fabricants constatent que les approches de design traditionnelles, dans lesquelles les équipes effectuent une vérification des spécifications basée sur des documents et produisent plusieurs prototypes avant la version de production finale, sont désormais trop lentes pour suivre le rythme actuel de l'industrie.

Chez ROHM, nous avons intégré l’approche Model-Based Design dans notre processus de développement de circuits intégrés pour les applications de contrôle de moteur, les applications de capteurs et les systèmes d'alimentation. La modélisation et la simulation de designs de circuits intégrés à signaux mixtes, de systèmes physiques et de systèmes microélectromécaniques (MEMS) dans Simulink^® ont permis aux équipes produits de vérifier les spécifications de design à un niveau élevé avant de procéder au design au niveau circuit. Cette approche réduit les reprises, le temps de développement et le nombre de prototypes tout en augmentant la qualité globale du design. Par exemple, en générant automatiquement du code Verilog^® à partir de modèles que nous avons créés et vérifiés dans Simulink, nous pouvons réduire le temps de vérification d'un mois à quelques jours. Cela améliore non seulement l’efficacité du développement, mais également la qualité, en réduisant le nombre de bugs d’implémentation à zéro. Grâce à l’approche Model-Based Design, nous pouvons prototyper un produit, dont les spécifications au niveau modèle ont déjà été vérifiées et dont les fonctions et caractéristiques au niveau circuit ont été confirmées comme conformes aux spécifications de design, en une seule fois, au lieu de trois ou quatre fois, et nous pouvons ainsi passer directement du prototype à la production en série.

Dans cet article, nous allons présenter les domaines relatifs au moteur et au capteur.

Approche Model-Based Design pour les circuits intégrés de commande moteur

Lors du développement de circuits intégrés pour des applications de contrôle moteur, nos équipes commencent le processus de design en modélisant le moteur à contrôler. Nous modélisons les caractéristiques mécaniques et électriques du moteur dans Simulink en utilisant les équations de mouvement et l'équation de tension, puis utilisons MATLAB^® pour adapter les paramètres de ce modèle en fonction des valeurs mesurées à partir d'un moteur réel. Selon le modèle de moteur conçu par nos équipes, nous pouvons également intégrer les effets de saturation magnétique par les commandes de détection inductive et les effets de wow et de flutter dus au désalignement de l'arbre. Dans le cadre du modèle physique, nous incluons un modèle des transistors de commande du moteur que nous créons avec Simscape™. Ce modèle de pilote nous permet d'analyser les caractéristiques transitoires ; par exemple, l'oscillation du courant au début de la modulation de largeur d'impulsion provoquée par la capacité parasite dans l'enroulement du moteur.

Nous modélisons également le contrôleur de moteur dans Simulink, puis exécutons des simulations au niveau système avec le contrôleur et le système physique ensemble pour vérifier la vitesse, la position et la montée des fonctions de contrôle du design. Après avoir vérifié le design du contrôleur de cette manière, nous utilisons Fixed-Point Designer™ pour convertir les algorithmes de contrôle en virgule fixe. Nous générons ensuite du Verilog RTL synthétisable à partir du modèle avec HDL Coder™, accélérant ainsi la mise en œuvre et éliminant le risque d'introduire des erreurs de codage que nous rencontrions auparavant avec le codage manuel.

Développement de dispositifs MEMS avec génération de modèles DPI-C

Pour les projets impliquant des capteurs MEMS et des circuits intégrés de capteurs associés, nous utilisons un processus de développement très similaire à celui que nous utilisons pour les circuits intégrés de contrôle de moteur. Au lieu d'effectuer des tests pour caractériser un moteur, nous utilisons des outils d'analyse électromagnétique 3D et d'analyse structurelle pour caractériser le dispositif MEMS, puis nous ajustons les paramètres identifiés grâce à ce processus à un modèle Simulink du dispositif. Alternativement, nous effectuons l'identification de la fonction de transfert et l'approximation de régression multiple dans MATLAB, puis utilisons la fonction de transfert comme modèle du dispositif.

Nous créons un modèle Simulink du circuit intégré du capteur, qui, tout comme le modèle du contrôleur de moteur, sert de spécification exécutable du design. Grâce à des simulations au niveau système dans Simulink, nous vérifions cette spécification tôt, avant d'affiner le design dans la plateforme Cadence^® Virtuose^®.

Dans notre workflow de design MEMS, nous pouvons effectuer une étape de vérification supplémentaire qui ne fait pas partie de notre workflow moteur. Plus précisément, nous utilisons HDL Verifier™ avec Embedded Coder^® pour générer un modèle SystemVerilog DPI-C à partir de notre modèle de dispositif Simulink MEMS (Figure 1). Nous utilisons ensuite ce modèle SystemVerilog dans l'environnement Cadence pour valider entièrement notre design de circuit intégré, y compris les amplificateurs, les convertisseurs analogique-numérique et la logique de traitement numérique, alors que nous continuons à l'élaborer avant la vérification de validation. Cette technique augmente non seulement l'efficacité du développement, mais contribue également à garantir la qualité du design, car nous disposons d'une vérification cohérente du design, d'abord dans Simulink, puis dans Cadence Virtuoso.

Simulation FPGA-in-the-Loop

Beaucoup de nos clients considèrent que la possibilité d’évaluer un produit ROHM en cours de développement constitue un avantage significatif dans leurs propres processus de développement. Pour ces clients, nous générons donc du code HDL à partir de notre modèle Simulink IC à l'aide de HDL Coder et le déployons sur une carte d'évaluation FPGA. Les clients peuvent ensuite utiliser la carte dans les évaluations de leurs designs matériels. Les clients peuvent également utiliser HDL Verifier pour effectuer des simulations FPGA-in-the-loop avec leurs propres modèles Simulink au niveau système pour l'analyse transitoire et l'optimisation du design. Avec les deux approches, notre propriété intellectuelle sensible est protégée, puisque nous partageons uniquement l’implémentation FPGA, et non nos ressources de design source.

Instaurer une culture de l'approche Model-Based Design

Pour aider les équipes de produits de ROHM à adopter l’approche Model-Based Design, nous avons formé un Model-Based Design Group, une équipe d'ingénieurs possédant une vaste expérience en design. Ce groupe développe des ressources qui permettent aux équipes d'appliquer facilement la modélisation, la simulation et la génération de code dans Simulink dans le cadre d'un workflow de design de circuits intégrés descendant. Les ressources comprennent des modèles, de la documentation et des outils (par exemple, des outils d'extraction de paramètres), ainsi qu'un guide technique pour les modèles de moteurs, les modèles MEMS et la génération DPI-C SystemVerilog.

Le groupe partage également des techniques de modélisation et organise des séances d’information et de formation internes pour aider les équipes à se mettre rapidement à niveau. Alors que le groupe ciblait initialement les équipes ROHM basées localement au Japon, il aide désormais les centres de design ROHM à l’étranger, à former des équipes spécialisées dans les projets de Model-Based Design.

De nombreuses équipes ROHM ont facilement adopté l’approche Model-Based Design, même si quelques-unes se sont montrées réticentes car elles n'ont pas établi d'environnement Model-Based Design pour leur domaine. Pour ces dernières équipes, le Model-Based Design Group prend le temps de démontrer les bénéfices de l’approche et les avantages réalisés par les équipes qui l’utilisent déjà. Plus récemment, nous avons mis en place des groupes de travail pour le développement de circuits intégrés de capteurs et de moteurs à l'aide de Simulink. Les ingénieurs de ROHM rejoignent ces groupes pour partager des informations techniques et en apprendre davantage sur des sujets pertinents pour de nombreuses équipes, notamment comment modéliser des pilotes MOSFET dans Simscape, comment créer des modèles MEMS très précis et comment identifier la réponse en fréquence des circuits existants.

Élargissement de l'utilisation de l’approche Model-Based Design au sein de ROHM dans son ensemble

Le nombre d’équipes utilisant l’approche Model-Based Design au sein de notre division augmente régulièrement. De plus, nous commençons à voir l’approche Model-Based Design appliquée à toutes les unités commerciales de l'entreprise, y compris les unités responsables du développement et de la fabrication de produits en carbure de silicium (SiC) et de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Récemment, nous avons également constaté une demande accrue de la part des clients du secteur automobile pour l’approche Model-Based Design. ROHM est désormais bien placé pour répondre à cette demande.