IoT 엔지니어링의 일곱 가지 핵심 애플리케이션

ADAS와 같이 통합 시뮬레이션 플랫폼에서 개발된 통합 솔루션은 그 기반에 있는 개별 시뮬레이션 애플리케이션을 갖춘 경우에만 성공을 거둘 수 있다.

IoT 제품 개발을 담당하는 비즈니스 리더와 엔지니어는 반드시 이러한 애플리케이션을 이해하고 적용해 성공 가능성을 극대화해야한다.

안테나 설계 및 배치 = 무선 시스템의 성능은 무반향실의 프로토타입 테스트 환경과 비교할 때 실제 환경에서 매우 다를 수 있다. 다중 경로 신호 전파 및 전파 감쇠는 복잡한 실제 구조, 이동성, 심지어 인간이 존재함으로써 발생하는 문제 중 일부에 불과하다.

또 최신 기기는 여러 무선 기술 및 주파수 대역을 사용하므로 여러 안테나를 필요로 한다. 그 결과 인접한 안테나들 사이의 커플링 문제로 인해 성능을 저하시킬 수 있다.

공장에 무선 센서 네트워크가 배포된 시나리오를 생각해 보면, 각 센서는 쌍극 안테나를 사용해 다른 센서들과 통신한다. 쌍극 안테나의 이상적인 방사 패턴은 도넛과 비슷한 형태이지만 산업 환경에 배포된 경우 복잡한 구조와 다른 안테나로부터의 장해로 인해 방사 패턴이 왜곡돼 안테나 효율이 감소하고 전력 소비가 증가하며 성능을 신뢰할 수 없으며 고장으로 이어진다.

그렇다면 엔지니어는 시간이 많이 소요되는 시제품 제작-시험 방법론에 의존할 필요 없이 산업 환경 내 또는 자동차, 비행기, 스마트폰에서 신뢰할 수 있는 무선 연결성을 어떻게 보장할 수 있을까?

앤시스 솔루션을 사용하면 엔지니어가 근접장 무선통신 해석을 실행해 안테나와 무선기기의 성능에 미치는 전체 산업 환경의 영향을 예측할 수 있다.

또 유한요소 영역 분할법, 3D 모멘트법, 하이브리드, 슈팅과 바운싱 레이(Shooting and Bouncing Ray) 전자파 수치해석 기술도 사용해 전기적으로 크고 복잡한 전파 전자기 모델을 신속하게 해결할 수 있다. 이 접근 방식은 더 큰 통찰력을 제공하고 정확도를 향상하며 신뢰성을 제고한다.

한 가지 예로 웨어러블 전자기기 분야의 리더인 시냅스(Synapse) 제품 개발 담당 엔지니어들은 앤시스 툴을 사용해 전체 설계 사이클을 25% 단축하는 동시에 안테나 범위를 5배 증가시켰다.

칩 및 패키지 시스템 설계 = 고속 PCB와 반도체 IC를 설계하는 경우 더 낮은 동작 전압, 회로 밀도와 더 빠른 데이터 속도 형태의 설계 복잡성으로 인해 상당한 문제들이 제기된다. 또 많은 IoT 제품 설계 팀은 크기, 무게, 전원 및 냉각 고려 사항을 해결해야한다.

PCB와 IC 중 어느 것을 설계하는 경우 든, 엔지니어는 제품 신뢰성에 영향을 미치는 세 가지 광범위한 영역인 전기, 열 및 기계 성능의 요구사항에 대해 적절한 균형을 유지해야 한다.

또 엔지니어는 반도체 다이 또는 IC, IC 패키지 및 PCB 간 상호 작용을 시뮬레이션 해야한다. 올바른 전력 공급 네트워크를 보장하기 위한 전원 무결성 해석과 혼선을 최소화하고 설계 강건성을 높이기 위한 신호 무결성 해석이 필요하다.

열 신뢰성을 해결하기 위해선 시뮬레이션을 통해 해당 기판 및 연관된 구성요소 온도의 영향을 평가해 지정된 온도 범위에서 기기의 신뢰성 있는 작동을 보장해야 한다. 또 기계적 신뢰성을 위해선 열응력 시뮬레이션을 통해 기판뿐만 아니라 기판과 구성요소 사이의 납땜 접합부의 열 및 기계적 응력을 평가해야 한다.

개별 물리현상 시뮬레이션을 실행하는 것 외에 엔지니어는 신호 무결성 해석을 열 시뮬레이션과 연동하고 열 시뮬레이션을 구조 해석과 연결해 여러 물리 분야 간 상호 작용을 고려해야 한다. 이 방법을 통해 PCB 설계의 전체적인 신뢰성을 포괄적으로 파악할 수 있다.

앤시스만의 칩 및 패키지 시스템(chip-package-system) 워크플로를 사용해 엔지니어는 전자 시스템 성능을 향상할 수 있다. 이 워크플로를 통해 PCB 설계자는 IC 및 패키지 모델로부터 얻는 핵심 정보를 포함해 설계를 시뮬레이션 할 수 있다.

반대로 IC 설계자는 이 워크플로를 통해 IC 설계 확인 시 패키지 및 PCB의 영향을 포함할 수 있다. 관련된 모든 시스템 수준 고려 사항을 모델링하고 시뮬레이션 함으로써 엔지니어는 전자기 장해를 줄이고 정전기 방전(ESD) 보호 성능을 높이며 IoT 시장을 진작시킬 수 있는 전자 시스템을 향상할 수 있다.

전기통신 분야의 리더인 알카텔-루슨트(Alcatel-Lucent)는 앤시스 솔루션을 활용해 비용을 67% 이상 절감하면서 빠른 속도를 구현하는 네트워킹 기술을 설계했다.

전원 관리 = 스마트폰 배터리가 방전됐던 경험이 있다면 누구나 전원 관리의 필수적인 역할을 이해할 것이다. 하지만 전원 관리는 단지 스마트폰이나 와이파이(Wi-Fi)에 대한 것만은 아니다. 에너지 절약, 무선 전력 전송 및 저전력 IC 설계는 많은 IoT 기기 제작의 기반을 이루는 기본 구성요소다.

전원관리는 기계적 동작, 열, 압전 재료 및 전자기 방사로부터 발생하는 에너지를 캡처하고 전기로 직접 변환할 수 있다. 에너지 재생산 시스템 설계 시 엔지니어는 에너지원, 변환기 유형, 전력 효율, 필요한 전력 수준 및 에너지 저장을 포함해 여러 변수를 고려해야 한다.

중요한 점은 무선 시스템 설계시 안전을 핵심적으로 고려해야 한다는 것이다. 표준 및 규제 기관에서는 생체 조직에 전달될 수 있는 전자기 에너지 양을 제한한다. 인체 모델을 포함해 앤시스 시뮬레이션 툴을 사용하면 다양한 전력 공급 시스템과 해당 시스템이 인체에 미치는 영향을 설계하고 분석할 수 있다.

볼티스 테크놀로지스(Vortis Technologies)에서 엔지니어들은 앤시스 소프트웨어를 적용해 배터리 수명을 단축할 뿐만 아니라 음향 잡음도 발생시키는 휴대폰의 RF(3㎑~300㎓ 전자기파) 에너지 낭비 문제를 해결하고 있다.

이 기업의 혁신적인 위상 배열 안테나 시스템은 배터리 수명을 125% 향상해 스마트폰에서 통화 시간을 2.25배 증가시킨다. 구축 후 테스트 방법을 사용해 필요 기간의 1/10만에 새로운 안테나를 설계할 수 있다.

센서 및 MEMS 설계 = 센서 및 MEMS(나노기계) 설계자는 성공과 실패의 차이를 의미할 수 있는 뛰어난 제품의 설계, 프로토타입 제작 및 제작 시 비즈니스 및 기술적 문제에 직면하게 된다. 경쟁 우위를 확보하기 위해 센서 제조업체는 가능한 한 빠르고 효율적으로 제품을 개발해야 한다.

MEMS 및 센서는 특수한 기능, 까다로운 제조 공정, 크기가 매우 작기 때문에 복잡하다. MEMS는 크기가 매우 작아서 성능 측정 장비가 기기 기능에 영향을 미칠 수 있는 만큼 신뢰할 수 있는 성능 데이터를 얻기가 어렵다. 시뮬레이션은 이러한 기기의 성능에 대해 정확한 통찰력을 제공하며, 이는 물리적 프로토타입 제작 시 얻을 수 없는 정보다.

앤시스 시뮬레이션 솔루션을 사용하면 전자기장에 의존하는 RF 센서에서 기계적 동작에 의존하는 자이로스코프, 두 가지 모두에 의존하는 압전기기에 이르기까지 다양한 센서, 액추에이터(구동기) 및 기타 MEMS 기기를 시뮬레이션 할 수 있다. 검증된 솔버 및 연동 솔루션을 통해 기기 설계의 고신뢰도 해석이 가능하다.

초기 설계를 만들고 시뮬레이션한 후에는 제작하기 전에 앤시스 솔루션을 사용해 구성요소들의 상호 작용을 포함, 전체 기기를 최적화할 수 있다. 예를 들어, 물리적 크기에 변화를 주면서 성능의 상충관계를 조사해 전원 사용과 온도 급상승을 최소화하도록 초기 설계를 최적화할 수 있다.

앤시스는 오랫동안 MEMS 설계자들과 함께 작업하면서 고객들이 더 나은 MEMS 제품을 구현할 수 있도록 지원해왔다. KSR 인터네셔널(KSR international)의 엔지니어들은 앤시스 솔루션을 사용해 개발 기간을 3개월에서 2주로 단축하면서 유도계수(Inductance) 센서 설계를 최적화했다.

임베디드 소프트웨어 개발 = 최신 자동차에는 5000만~1억 줄의 코드가 포함될 수 있다. 자율 주행 차량이 개발되는 만큼 소프트웨어 콘텐츠가 급증할 것으로 예상된다. 하지만 임베디드 소프트웨어는 자동차에만 국한되지 않는다. 산업용 장비, 로보틱스, 비행기, 드론 등 많은 사물 인터넷 기기에 풍부하고 스마트한 기능을 추가하는 것은 필수적이다.

이러한 제품 및 시스템 중 다수는 예를 들어 자동차와 비행기의 제동 시스템처럼 안전 또는 임무 수행에 필수적이기 때문에 제어 소프트웨어를 완벽하게 작동해야 한다. 시스템에 장애가 발생할 경우에는 피해를 최소화하기 위해 예측 가능한 방식으로 장애를 발생해야 한다.

소프트웨어의 신뢰성과 성능에 적용되는 산업 규제, 인증 및 자격이 있는 경우가 많다. 소프트웨어 개발은 더 이상 단지 코드 작성에 대한 것만이 아니다.
확인 및 검증에 대한 것이기도 합니다.

소프트웨어 엔지니어들은 구현 코드의 각줄에 대해 많은 확인 코드 줄을 추가로 작성해야 하는 경우가 많다. 쏟는 노력의 양에도 불구하고 소프트웨어 코드 버그는 계속 존재하며 이로 인해 안전 관련 제품 회수, 보안 위반, 그리고 일부 경우 비극적인 결과가 발생한다.

앤시스는 임베디드 소프트웨어 개발 프로젝트의 속도를 크게 가속화하는 자동코드 생성기를 내장된 모델 기반 임베디드 소프트웨어 개발 및 시뮬레이션 환경을 구축했다. 엔지니어는 앤시스 솔루션을 사용해 복잡한 시스템을 모델링하고, 다양한 하위 시스템의 상호 작용을 파악하며 많은 산업 표준을 준수하는 고무결성 소프트웨어 코드를 생성할 수 있다.

버튼 누르기 한 번으로 수백만 줄의 코드를 생성할 수 있는 기능 덕분에 사람의 코딩 오류가 사라질 뿐만 아니라 생산성, 품질 및 코드의 추적성도 높아진다. 더욱이 이 기능은 엔지니어링 노력을 코드에서 시스템으로 전환해 공학적 생산성, 혁신 및 최종 제품을 더욱 향상한다.
피아지오(Piaggio)는 앤시스 소프트웨어 모델링 툴 사용 시 엔지니어 입장에서 설계 사양을 공식적인 방식으로 표현할 수 있다는 점에 주목해 자동 코드 생성을 사용해왔다.

그 결과 피아지오는 소프트웨어를 신속하게 생성하고 기능적 버그를 제거하며 많은 비용을 소요하는 테스트 시연 횟수를 줄일 수 있게 됐다. 소프트웨어 모델링 및 시뮬레이션을 통해 피아지오의  개발 공정의 속도가 3배 더 빨라졌다.
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까다로운 환경을 위한 설계 = IoT 기기는 실제 환경에서 작동해야 하며, 이러한 실제 환경은 매우 험난한 곳일 수 있다. 드론, 웨어러블 스마트 기기, 자율 주행 자동차, 스마트산업용 장비 등과 같이 빠르게 성장 중인 애플리케이션은 진동과 물리적 충격이 가해질 수 있는 까다로운 환경에서도 신뢰할 수 있게 작동해야 한다.

이러한 조건에도 불구하고 사물 인터넷 기기는 강건해야 하며, 유지관리 없이 장기간 원거리에서도 활성 상태로 유지돼야 한다. 오작동은 임무 실패로 이어지거나 시스템 수리 또는 교체에 상당한 비용 투자가 발생할 수 있으며 경우에 따라 사람의 생명이 위험해질 수도 있다.

공업, 항공우주 또는 소비자 등 모든 애플리케이션에서 IoT 기기는 진동, 충격, 피로 등 까다로운 환경에 놓일 수 있다. NASA는 첫날 발생하는 우주선 전자기기 고장의 45%가 발사 중 진동과 변형 때문에 발생하는 피해로 인한 것이었다고 밝혔다.

스퀘어트레이드(SquareTrade)에 따르면 최근 몇 년간 떨어뜨린 아이폰(iPhone) 때문에 미국 소비자에게 발생한 비용은 69억달러에 이른다.
엔지니어는 개발 공정에서 가장 낮은 비용으로, 프로젝트 일정에 미치는 영향을 최소화하면서

설계를 선택할 수 있는 개발 초기 단계에 이처럼 잠재적이고 까다로울 수 있는 환경을 고려해야 한다. 실제 프로토타입 제작은 여러 가지 명백한 이유 때문에 실행 가능한 옵션이 아니다.
시간, 예산, 장소 및 리소스의 제약을 감안할 때 가능한 테스트 시나리오를 모두 만들기가 어려울 뿐만 아니라 측정 결과가 크게 달라질 수 있고 IoT 및 다양한 중요 애플리케이션에서 필요한 신뢰도가 부족할 수도 있다.

앤시스 시뮬레이션용 프로그램에서는 유동, 구조 힘, 열 효과, 전자기 환경 등 모든 관련 물리적 힘을 고려할 수 있다.

상용 우주비행 분야의 개척자인 아스로보틱테크놀로지(Astrobotic Technology)는 앤시스 솔루션을 사용해 트렌퀼리티 트렉(Tranquility Trek) 우주선의 구조적 구성요소를 설계했다.

존 돈톤(John Thornton) 수석 엔지니어는 “앤시스의 설계 및 시뮬레이션 툴을 사용해 아스로보틱은 허용 안전 수준을 유지하면서 정적 가속 및 발사 시의 동적 임의 진동 부하를 견딜 수 있는 경량 알루미늄 및 복합재료 우주선을 신속하게 설계하고 개선했다”며 “시뮬레이션을 통해 프로토타입 및 물리적 테스트와 관련된 비용을 절감할 수 있었다”고 말했다.

항공우주 및 방위 부문의 한 선도적인 공급업체는 IoT와 유사한 구성요소에 대한 대규모 재설계 작업에 앤시스 기계를 사용했다. 이 공급업체는 진동을 비롯한 까다로운 환경 조건을 모델링해 여러 차례 실행되고 많은 비용이 소요되는 고속의 파손 시험을 없앴다.

그 결과 안전을 유지하는 동시에 개발 기간을 단축하고, 아웃소싱 FEA 컨설턴트 수수료를 없애며, 테스트를 줄이고 정확도를 위한 제품 기능을 향상해 100만달러 이상을 절약할 수 있었다.

가상 시스템 프로토타입 제작 = 제품 복잡성이 증가하면서 시뮬레이션 기능 향상에 대한 요구도 증가하고 있다. 최첨단 혁신 영역에서는 시스템 시뮬레이션이 작동해야 한다. 시스템 내의 복잡성은 개별 부분들을 연결해 설계 및 예상대로 함께 작동하도록 보장해야 하는 과제로부터 발생한다. 제품의 물리적 특성을 시스템 및 임베디드 소프트웨어와 연동하는 경우 기업은 크게 통합 문제를 최소화하고 비용을 절감하며 첫 번째 시도에서 성공을 거둘 가능성을 높이고 제품이 예상대로 작동하도록 보장할 수 있다.

스마트폰, 온도 조절 장치, 풍력 터빈 등의 개별 기기 또는 구성요소 면에서 IoT를 가시화하는 것은 좀 더 쉽지만 이들을 연결하는 복잡하고 보이지 않는 네트워크와 요구에 따라 데이터를 저장하고 제공하는 클라우드에는 정교한 모델링과 시뮬레이션이 필요하다.

예를 들어 스마트 풍력 터빈은 바람의 유형, 전력망의 에너지 양, 다른 스마트 풍력 터빈의 동작에 따라 동작을 조정해야 한다.

소프트웨어, 전자기기 하드웨어 및 다중영역에서 자연현상의 상호작용으로 인해 공학적 과제의 복잡성이 크게 증가한다. 앤시스의 시뮬레이션 소프트웨어는 시스템 수준 품질, 속성, 특징, 기능, 동작 및 성능 통찰력을 포함하는 검증 결과를 제공하는 데 기여했다. 이와 같은 높은 수준의 관점을 통해 시스템 설계자는 충분한 정보를 토대로 각 개별 구성요소 뿐만 아니라 전체 시스템의 성능을 최적화하는 설계 선택을 할 수 있다.

앤드류 크레시(Andrew Cresci) 엔비디아 전략적 제휴 담당 부장(General Manager of Strategic Alliances)은 “가상 제품개발 과정으로, GPU 설계 분야의 업계 리더인 엔비디아는 현재 세대의 GPU에서 실행되는 앤시스 시뮬레이션을 사용해 차세대의 GPU를 설계한다”고 전했다.

주요 산업 또는 제품이 무엇이든 IoT는 곧 중요할 뿐만 아니라 종종 예상치 못한 방식으로 모든 비즈니스에 영향을 미치게 될 것이다. 앤시스는 IoT 시대의 비즈니스 성공을 지원하기 위해 전자 및 임베디드 소프트웨어 모델링을 포함해 더욱 확장된 범위의 기능을 개발했다.

IoT 기술을 설계하는 엔지니어들은 SWAP-C, 센싱 및 연결성, 안전 및 신뢰성, 통합, 내구성 등 상당한 개발 목표에 직면하고 있다. 안테나 설계 및 배치, 칩 및 패키지 시스템 설계, 센서 및 MEMS 설계, 전원 관리, 임베디드 코드 생성, 까다로운 환경 설계, 가상 시스템 프로토타입 제작 등 일곱 가지 애플리케이션으로 뒷받침되는 플랫폼 기반 공학 시뮬레이션은 고객 조직을 위한 IoT 기회를 극대화하는 데 있어 필수적이다.

전세계의 선도적인 기업 중 다수는 이미 앤시스 솔루션을 사용해 스마트폰에서 항공기, 자율 주행 차량에서 드론, 로봇에서 풍력 터빈에 이르는 가장 혁신적인 제품을 제공하고 있다. 앤시스 측은 IoT가 계속 진화해 감에 따라 앤시스에선 믿고 사용할 수 있는 검증된 시뮬레이션 기능뿐만 아니라, 전환된 환경에서 지속적인 제품 개발 성공을 지원하는 새로운 기능도 제공하는 신뢰할 수 있는 파트너로 계속 나아가겠다고 밝혔다.

<자료제공: 앤시스>

본 기사는 <IoT 엔지니어, ‘시뮬레이션’ 중요…‘이것’만은 알아두자!>와 연관된 기사이다.