システムモデルによる電子機器アーキテクチャに関する熱設計検討村岡祥雄 (Yoshio Muraoka) 慶應義塾大学大学院システムデザインマネジメント研究科附属 SDM 研究所

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みいかみうら
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1 システムモデルによる電子機器アーキテクチャに関する熱設計検討村岡祥雄 (Yoshio Muraoka) 慶應義塾大学大学院システムデザインマネジメント研究科附属 SDM 研究所

2 Agenda 電子機器の熱設計とは? システムモデルによる熱設計検討熱設計のビューにおけるアーキテクチャ検討例 - コンセプト設計 - 設計変更 1

3 電子機器の熱設計とは? 2

4 熱問題独立行政法人製品評価技術基盤機構 (nite) 3 ( )

5 熱問題 4 国民生活センター ( )

6 熱設計 (Thermal Design) とは熱品質を満たす機能を具現化し熱に関する設計仕様を作成すること統合の段階で問題が起きてから対策したのでは手遅れアーキテクチャの段階で検討するべき部品故障熱品質低温やけど部品劣化不快感基本性能他の設計制約設計パラメータが広範囲の技術領域にあり複雑に相互作用する設計仕様ソフトメカ電気回路半導体設計初期にしっかり行われる必要がある 5

7 電子機器の熱設計 Surface Temperature LCD, ODD, HDD battery image sensor LSI 製品に要求される機能と性能を損なうことなく熱品質 ( 部品表面温度の基準 ) を満たす 6

8 熱設計の対象デバイス単体から大型製品データセンターまで様々な製品が対象になる IC TV Data center LED 7

9 システムモデルによる熱設計検討 8

10 温度上昇のメカニズム 1: Execution Software executes tasks in semiconductors 2: Heat Generation Semiconductors generate heat 3: Heat Transmission Mechanical structure transmits heat ソフト / 電気 / メカの専門領域を跨いだ協調が求められる 9

11 SysML システムモデルを用いた協調 System Model Structure Behavior Requirement Parametric requirement Specification Software Model design integration design integration requirement Specification Hardware Model システマチックに設計パラメータの相互作用を見積もる 10

12 Temperature 電子機器のアーキテクチャに関する熱設計検討 Structure Structure definition Behavior Function model 要求を実現するために必要な機能 Performance model Software scenario Power profile 機能を実現するために必要なシステムの構成要素 (SW 電気メカ構造 ) Requirement 機能を実現するためのアクション Parametric,etc 製品に求める要求 Time 設計制約とシミュレーションを用いた検証 Simulation (CFD) 11

13 熱設計のビューにおけるアーキテクチャ検討例 ( コンセプト設計 ) 12

14 コンセプト設計における検討例製品の品質確保 ( 温度上昇の抑制 ) をするために - メカ構造の工夫 : 熱対策部品なしあり - 機能割り当ての工夫 : ハードウェア処理ソフトウェア処理など様々な手段を検討最も実用的なものを選択できる 1: Execution Software executes tasks in semiconductors 2: Heat Generation Semiconductors generate heat 3: Heat Transmission Mechanical structure transmits heat 13

15 MDM を用いた相互作用の可視化 Function Performance Structure System Function Software Scenario Semiconductor States Structure Function System Function Performance Structure Software Semiconductor States Structure システム全体をみてトレードオフ関係にある要素を特定する 14 MDM: Multiple-Domain Matrix

16 要素間の相互作用 MDM description Function model Software scenario Structure definition Power profile シミュレーションによる設計パラメータ検証 15 Simulation(CFD)

17 熱設計のビューにおけるアーキテクチャ検討例 ( 設計変更 ) 16

18 電子機器の熱設計における問題 Thin Dimension Often SW Release iphone 5S 7.6mm Sony Xperia Z2 8.2mm Galaxy S5 8.3~9.6mm HTC One 9.35mm Limitation of Mechanical Solution Variation of Software HW 開発後における SW 変更が増加 HW 変更による熱対策ができない 17

Retirement Disposal Reuse Thermal Simulation Thermal Simulation System Model Software

19 製品ライフサイクルにおける熱設計検討 Concept Product Planning Architecture Design Development Verification Integration Production Verification Distribution Utilization/ Maintenance Verification Retirement Disposal Reuse Thermal Simulation Thermal Simulation System Model Software Electrical parts Mechanical Structure システムモデルを流用することで SW 変更に伴う熱リスク把握設計パラメータ検討を効率的に行うことができる 18

の接触でやけどする可能性 Time リスクを判断したい 19 Temperature of low-

20 Temperature 温度上昇による低温やけどリスクの評価機器動作による温度上昇のアクティビィ Software Electrical Mechanical 低温やけどに関する一般的な基準例えば 44 8h の接触でやけどする可能性 Time リスクを判断したい 19 Temperature of low- temperature burn injury as a function of contact time (Moritz, 1947)

21 熱設計パラメータ検討設計制約とシミュレーションを用いた検証 Component modules Activity 計算結果 ( 温度 ) Constraint SW 電気 ( 半導体 ) メカの設計パラメータ 20

22 コンセプト設計における熱リスク検証システム設計詳細設計熱品質を満たす設計パラメータをモジュール間の境界条件として設定 Software Architecture 詳細設計 Electrical Architecture 詳細設計 Mechanical Architecture ITVs: Initial Target value ( 初期境界条件 ) Design structure matrix (DSM) 21

23 SW 変更における熱リスク検証 Software Architecture 3SW 変更 Detail Design Maintenance 1 システムモデルの update ( コンセプト ~ 量産において変更があった場合 ) 2 SW 変更に伴うリスクを評価するため熱シミュレーションを実施 (e.g. 計算負荷の増加電力増温度上昇 ) 22

24 熱リスクの評価例 120 e.g Playing Game with battery charge Software F 900 MHz [mm] Electrical Parts Mechanical Structure C 0.4 µf V 2 V P charge, P static 0.3, 0.9 (W) h 11 W/( C m 2 ) λ 1, λ 2 0.1, 2 W/( C m) Environment T amb 25 C F 1000 MHz ITVs P 2.74W T surf_1, T surf_2 34.6, 43.1 ( C) Satisfied Temperature of low- temperature burn injury 23

25 SW 変更への対応例 New App Scenario 1 Scenario 2 Countermeasure - Execute at a Disable lower charging frequency ITV F 1200 MHz 1100 MHz 1200 MHz P 3.22 W 3.06 W 2.82 W Simulation Result T surf_1, T surf_2 36.3, 46.3 ( C) Allowable usage time Not Satisfied 35.7, 45.2 ( C) 34.8, 43.6 ( C) 98 min 204 min >480 min Satisfied Temperature of low- temperature burn injury 24 Using system-level simulation, a number of scenarios can be proposed and the most practical solution can be chosen.

26 まとめ電子機器開発において熱問題を避けることは難しくソフト / 電気 / メカなどの専門領域を跨いだ協調対応が必須であるシステムモデルを用いることでハードウェアソフトウェアなどの要素間の相互作用や製品特有の設計制約を表現することができる熱設計のビューにおけるアーキテクチャ検討はコンセプト設計時のトレードオフ問題 SW 変更を含む設計変更への対応に有効である 25

27 Reference 製品評価技術基盤機構 (nite), 新生活スタートくらしにひそむ危険, 国民生活センター, スマートフォンの充電端子の焼損や本体の発熱に注意なかにはやけどを負った事例も, Mentor Graphics, Engineering Edge, Seki, K., Muraoka, Y. and Nishimura, H., System Level Thermal Design - Process Modeling for Functional/Structure Design using SysML and MDM, DSM conference 2015, Fort Worth, USA, Nov 4-6, 2015 Muraoka, Y., Seki, K. and Nishimura, H., Electronics Thermal Management of Software Change in Product Lifecycle, Product Lifecycle Management for a Global Market, IFIP Advances in Information and Communication Technology, Vol. 442,

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