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1 © 2011 The MathWorks, Inc.

モデルベース開発の業界動向

2011.10.14 MathWorks Japan インダストリーマーケティング部 柴田 克久

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Agenda

はじめに 今日のモデルベース開発とその背景

– ユーザー事例にみるモデルベース開発のトレンド 事例紹介：東風車両/Medrad/Faraday モデルベース開発のトレンド

– ユーザーニーズの変化への対応

MBDを支援するMathWorksツールの今後の展望 – マルチドメインシステムモデリング – シミュレーションの高速化 – コード生成 – テスト検証の強化

終わりに

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はじめに

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会社概要-

MathWorks, Inc. – 1985年創業 – 本社：米国 マサチューセッツ州, Natick – 従業員2,300名超 – 製品：MATLABプロダクトファミリ, Polyspace

6ヶ月毎に最新版をリリース（2006/03～） 3月と9月の年2回（R20XX a/b）

– 25カ国に代理店を展開 – 350社以上のパートナー

導入実績 – 175カ国以上、100万人以上のユーザ – 3,500以上の大学

日本法人: MathWorks Japan

– 2009/7/1より営業開始 – オフィス：東京、名古屋、大阪

Earth’s topography on an equidistant cylindrical projection, created with MATLAB® and Mapping Toolbox™.

Natick本社ビル

東京オフィス (7F, 8F)

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MathWorks製品のご紹介

視覚的に理解可能なモデリング/シミュレーション環境 – ブロック線図シミュレーション環境 – 開発ツールの連携による統合された開発環境 – 自動コード生成による組込み

科学技術計算のための最先端の開発環境 – 対話的なプログラミング環境 – アプリケーション固有の簡潔なプログラミング言語 – データの探索、解析、計算およびグラフィックス機能 – アルゴリズム開発、カスタマイズ可能な各種機能

MATLAB

Simulink

Polyspace テストケースを必要としない静的なコード解析ツール

– ソースコード内にランタイムエラーが存在しないことを証明 – MISRA-Cなどのコーディング規約の適用 – IEC61508, ISO26262, DO-178など各種認証のレポート

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MATLAB&Simulinkプロダクトファミリ（機能別）

Fixed Point Toolbox, Simulink Fixed Point

Stateflow, SimEvents Simscape,

SimRF, SimElectronics,

SimPowerSystems

Simulink 3D Animation, Gauges Blockset, Simulink Report

Generator

EDA Simulator Link, Simulink Verification

and Validation, Simulink Design Verifier,

SystemTest, Polyspace

xPC Target

Parallel Computing Toolbox,

MATLAB Distributed Computing Server

MATLAB Coder, Simulink Coder,

Embedded Coder, Filter Design HDL Coder,

Simulink HDL Coder

Statistics Toolbox, Curve Fitting Toolbox,

Symbolic Math Toolbox, Optimization Toolbox,

Neural Network Toolbox

MATLAB Compiler, MATLAB Builder NE/JA/EX,

Spreadsheet Link EX

Database Toolbox, MATLAB Report

Generator

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MATLABプロダクトファミリ（適用分野別）

Control System Toolbox System Identification Toolbox

Fuzzy Logic Toolbox Robust Control Toolbox Simulink Control Design

Simulink Design Optimization

Signal Processing Toolbox DSP System Toolbox

Communications System Toolbox Wavelet Toolbox

Fixed Point Toolbox RF Toolbox

Phased Array System Toolbox SimRF Image Processing Toolbox

Computer Vision System Toolbox Mapping Toolbox Data Acquisition Toolbox

Instrument Control Toolbox Image Acquisition Toolbox Vehicle Network Toolbox

Financial Toolbox Econometrics Toolbox

Datafeed Toolbox Fixed-Income Toolbox

Financial Derivatives Toolbox

Bioinformatics Toolbox SimBiology

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主要な顧客エリア

航空宇宙/防衛 自動車 通信 エレクトロニクス 半導体 産業機器・オートメーション エネルギー産業 教育 バイオ・製薬 金融サービス

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今日のモデルベース開発とその背景

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モデルベース開発のBest Practice ｰ車載機器開発におけるMATLAB利用事例

システム設計から、制御アルゴリズムの開発、プロトタイピング、組込みソフトウェアの実装、検証にモデルを適用

例） – パワートレイン制御

ガソリン/ディーゼルエンジンの燃焼制御 トランスミッション制御

– HEV/EVの制御 モーター制御 バッテリー制御

– 走行制御 サスペンション制御 EPS

システム開発

ソフトウェア開発

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ユーザー様の声： 自動車業界

アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 久保様, 「JMAAB活動紹介」, JMAAB Open Conference 2009

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東風電動車両、モデルベースデザインを 使用してハイブリッド電気自動車のバッテリ 管理システムを開発

チャレンジ ハイブリッド電気バス用のバッテリ管理制御シス テムを開発すること

ソリューション コントローラー設計のコードをモデルリング、検証、 生成するために、MathWorks のモデルベース デザイン ツールを採用

結果 予定より早くプロジェクトを完了 設計の再利用が可能に 全てのアプリケーションコードを自動生成

“モデルベースデザインの導入により、アイデアの発案から量産コードの生成に至るまでの

開発プロセスを統合することができました。 MathWorks ツールのおかげで、設計の早期段階から連続的な検証が可能となり、我々が

持つ高度な技術力を活かして重要なバッテリ

管理技術の開発ができるようになりました" Dr. Xiaokang Liu

Dongfeng Electric Vehicle

Link to user story

The Dongfeng EQ6110 hybrid electric city bus.

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Medrad社はMathWorksのツールにより MRI血管造影剤注入ポンプの安全性を確保

チャレンジ 患者への薬剤の安全レベルを管理するMRI血管造影剤注入ポンプの設計

ソリューション ポンプの圧力センシング技術の改善にMathWorksのツールを使用

結果 設計期間を数か月短縮 名誉ある産業賞を受賞 FDA の承認を獲得

“MathWorksツールにより、システムレベルでコンポーネント

間の相互作用を理解することが

可能となり、物理特性をモデル

化し、ポンプの安全限界を非常

に効率的かつ迅速に 決定することができました。”

John F. Kalafut Medrad

Medrad 社のSpectris Solaris 造影剤注入システム

Link to user story

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Faraday がSIP開発を加速し、 NANDフラッシュコントローラECCエンジンの ゲート数を57%まで削減

チャレンジ SoCおよびASICの開発の高速化

ソリューション システムレベルシミュレーションの高速化、システム性能 の改善、および商品化までの期間短縮のためのモデル ベースデザイン環境構築にMathWorks製品を採用

結果 シミュレーションを200倍高速化 スループット性能を15%向上 ゲート数を57%削減

“Simulink環境はシステムレベルアーキテクチャの検討に理想的です。シ

ミュレーションは従来のワークフロー

より200倍 速くなりました。 — そしてSimulinkモデルはCにもHDLにも容易に変換することが できます。それは高いスケーラビリティと再利用性を実現

するでしょう。” Ken Chen

Faraday Link to user story

Faraday’s silicon IP on an SoC.

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モデルベース開発のトレンド

1. MBD適用分野の拡大 – MBDの効果は、航空宇宙・防衛、自動車以外の分野でも証明済み – MBDの適用は制御、信号処理のいずれの分野にも可能である

2. 自動コード生成適用の深化 – プロトタイプ向けから量産用Cコードへ – Cコード（ソフトウェア開発）からHDL（IC, LSI開発）へ

3. 安全性、品質保証への対応 – FDAに代表される第三者認証機関も、MBDに基づく開発プロセスの 信頼性や、開発された製品の品質を認めている

4. 地域的な広がり – 北米・ヨーロッパ・日本からアジアへ

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MBD Cost Non-MBD

Cost MBD

Advantage

Telecom/Datacom $3,224,478 $6,279,861 94.9%

Auto/Transportation $2,270,597 $3,151,078 38.8% Industrial Automation $1,605,783 $1,593,047 -0.8%

Medical $1,265,059 $2,269,310 79.4%

Military/Aerospace Special Analysis

出展：Model-Based Design in Practice – A Survey of Outcomes for Engineers and Business Leaders/Embedded Market Focus

MBD適用分野の拡大の背景には… 産業別比較: MBD vs. non-MBD

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1990's 2002 3G 2010

KLOCS Engineering Man Months

組込みソフトウェアの開発規模は増大中。 開発要員を増やせば解決できる問題か？

出展: Bob Frankel, Chief SW strategist & TI Fellow

自動コード生成の適用深化の背景

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Visteon, SAE Technical Paper 2004-01-0269, March 2004

http://www.mathworks.com/mason/tag/proxy.html?dataid=4361&fileid=20307

自動生成されたコードはハンド コードよりもよい結果に

自動コード生成の適用深化の背景

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安全性、品質保証への対応の背景

機能安全規格への対応 – IEC61508 – ISO26262 – DO-178B – DO-254

ガイドラインへの準拠

– AUTOSAR – MISRA-C – MAAB Style Guide – NASA Orion GN&C Guideline

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地域的な広がりの背景には… 地域別比較: MBD vs. non-MBD

MBD Cost Non-MBD

Cost MBD

Advantage

North America $3,153,452 $3,921,519 24.4%

Europe $2,722,134 $3,744,894 37.6%

Asia $3,374,067 $10,189,266 202%

実際、アジアにおける開発プロジェクト毎に比較するとnon-MBD開発ではMBD開発の約２倍の人数の開発者が投入されている。

出展：Model-Based Design in Practice – A Survey of Outcomes for Engineers and Business Leaders/Embedded Market Focus

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1. 新しいテクノロジーへの対応 2. 実現手段は多様化・複雑化 3. 安全性・品質への厳しい要求

1. マルチドメイン システムモデリング

2. コード生成 3. テスト&検証

ユーザーニーズの変化への対応

統合開発環境へのステップ

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MBDを支援する MathWorksツールの今後の展望

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モデルベースデザインにおける MATLAB＆Simulinkの位置付け

対象となるシステムを記述した“モデル”を仕様として定義し、このモデルをよりどころとして開発プロセスを再構築する手法。

ソフトウェアの分析/ 設計モデル

信号処理や制御 アルゴリズムのモデル

広義のモデルベース開発

狭義のモデルベース開発 （MathWorks製品の適用範囲） （日経エレクトロニクス2月号/2008 より）

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テスト &

検証

システム設計

環境モデル タイミング/制御ロジック

アルゴリズム

アナログモデル デジタルモデル

研究 要件定義

システムモデリング

実行可能な仕様書 –紙ベースの仕様書を補完する「モデル」 –チーム間コミュニケーションを改善

シミュレーションによる設計 –複合ドメインシステムをモデルに統合 –設計のトレードオフ探索 –サブシステム間の相互作用検証

性能向上や全体最適化を実現するには 異なる技術ドメインを組み合わせた検討が必要

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マルチドメインシステムモデル 風力発電システムの「実行可能な仕様書」モデル

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様々なモデリングアプローチ 太陽電池セルのコンポーネントモデル

第1原理 Simulink

物理コンポーネント Simscape

より高度な電気コンポーネントライブラリ SimElectronics

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シミュレーション事例：安川電機様 アプリケーション

出典：MATLAB EXPO2008「メカトロ機器開発における連成シミュレーション」

メカトロ機器開発用連成シミュレーション環境の構築

課題 試作検証に課題 ・ 機能開発、機器開発コスト大 ・ 実機による統合検証の工数大 ・ 最終実機検証後の手戻り

メリット 連成シミュレーション環境構築

・ 機械装置、周辺環境必要なし。 ・ 実機による統合検証の性能評価 ・ 問題点の分離が容易 ・ 設計資源の有効利用

http://www.mathworks.co.jp/mason/tag/proxy.html?dataid=11776&fileid=65793

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コンポーネント開発 / 実装

RF, Analog MCU DSP FPGA ASIC

Electric VHDL, Verilog C, C++

テスト &

検証

システム設計

環境モデル タイミング/制御ロジック

アルゴリズム

アナログモデル デジタルモデル

コード生成 ・ テスト＆検証

自動コード生成 –事前に検証されたC, HDLを自動生成 –再現性の高い実装結果 –プロトタイプテストを効率化

連続したテスト・検証 –モデルを再利用した検証用テストベンチ –協調シミュレーション/テストの自動化 –より分かりやすい指標で可視化

実現性や性能見込を早期に確認し、検証を 効率化するにはアルゴリズムと実装の架け橋が必要

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自動コード生成を利用したテスト検証の例

アルゴリズム検証のためのコード生成 – 開発早期に実現性を見極める手段の一つ

ラピッドプロトタイピング シミュレーション高速化 他の設計/開発プラットフォームへデザインをエクスポート

実装を検証するためのコード生成 – 実装対象となるコンポーネントモデルからコード生成

PILS – 実装対象以外のコンポーネントモデルからコード生成

HILS

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MATLAB & Simulinkからのコード生成機能

Simulink Coder (C)

DSP & µC FPGA & ASIC

MATLAB Coder (C)

Embedded Coder (C)

Simulink HDL Coder (Verilog or VHDL Code)

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異なるターゲットを対象としたコード生成の適用例

Virtual Platform

Simulink 高抽象度モデル

モデルの詳細化

H/W実装用 HDLコード生成 Simulink HDL Coder

Simulink 詳細モデル

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IDE

Embedded Coder

HDL Simulator

EDA Simulator

Link

Simulink

データ解析

C/HDLを統合したマルチドメインシステム開発

システムモデル～シミュレーション～C/HDLコード生成～検証 組込み用コードを協調シミュレーションにより検証 フィードバック系で検証可能

入力信号

速度制御 MPU

C

電流制御 FPGA SW電源

AC Motor

HDL

生成

生成

AC モーター

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標準規格への対応

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MATLAB code

マルチ ドメイン

Stateflow

Simulink Block

マルチ ターゲット

C

C++

HDL

PLC

Simscape

コンポーネント間の相互作用分析 システム全体の最適化

マルチドメインモデルからマルチターゲットへ実装

“実行可能な仕様書” Simulink Model

コード生成

モデルのエントリー

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システムシミュレーションの高速化

並列処理技術へのスケーラブルな対応 並列処理リソースを自動的に利用可能なコンポーネントライブラリ、モデリング環境の整備

モデルに変更を加えることなく、シミュレーションを実行する環境を変えるだけで高速化が実現

シングル プロセッサ

マルチコア マルチ プロセッサ

クラスタ グリッド、クラウド

GPU

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コーディングからモデルの詳細化へ

システムレベルの 高抽象度モデル

全体最適化 アルゴリズム検証

詳細設計

詳細設計

ブロックレベル （HW部）

ブロックレベル （SW部）

コード生成設定 •デバイス指定 •リソース共有 •パイプライン化, etc.

コード生成設定 •プロセッサ指定 •メモリマップ •スケジューラ, etc.

自動生成

実装用コード （HDL or C）

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モデル・コード・実機による協調検証環境

モデル

実機 コード

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シミュレーション実行前にエラーを検出

• テストベクタ生成の自動化 • より速く振舞いの正しさを検証

エラー検出を自動化 バグの発見を自動化

シミュレーションを実行し、 エラーを検出

エラーを検出、修正した後にシミュレーションを実行

Before After

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実行可能な仕様書 –紙ベースの仕様書を補完する「モデル」 –チーム間コミュニケーションを改善

シミュレーションによる設計 –複合ドメインシステムを同一環境でモデル化 –設計のトレードオフ探索 –サブシステム間の相互作用検証

自動コード生成 –事前に検証されたC, HDLコードを自動生成 –再現性の高い実装結果 –プロトタイプテストを効率化

連続したテスト・検証 –システムモデルを検証用テストベンチに再利用 –協調シミュレーション/テストの自動化 –より分かりやすい指標で可視化

シミュレーションに よる設計

実行可能な 仕様書

連続した テスト・検証

自動 コード生成

Models

MATLAB & Simulinkによる モデルベースデザイン

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© 2011 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See www.mathworks.com/trademarks for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders.

ご清聴ありがとうございました