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

(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

(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

(3)

(4)

http://www.nite.go.jp/data/000060011.pdf （2015.02）独立行政法人製品評価技術基盤機構（nite）

(5)

(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

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

設計初期にしっかり行

われる必要がある

ソフト

電気回路・半導体・・

メカ

低温やけど

他の設計制約

・・

基本性能

部品故障

不快感

・・

部品劣化

熱品質

設計仕様

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

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電子機器の熱設計

Surface

Temperature

LCD, ODD, HDD

image sensor

battery

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

(8)

熱設計の対象

Data center

https://www.mentor.com/products/mechanical/engineering-edge

TV

IC

LED

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

(9)

(10)

温度上昇のメカニズム

1: Execution

Software

executes tasks in semiconductors

2: Heat Generation

Semiconductors

generate heat

Mechanical

structure

transmits heat

3: Heat Transmission

(11)

SysMLシステムモデルを用いた協調

Software Model

Hardware Model

requirement・

Specification

design・

integration

Structure

Requirement

Behavior

Parametric

System Model

requirement・

Specification

design・

integration

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

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電子機器のアーキテクチャに関する熱設計検討

Software scenario

_{Power profile}

Structure definition Simulation (CFD) Function model

要求を実現するために

必要な機能

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）

T em perat ur e Time

機能を実現するためのアクション

設計制約とシミュレーションを

用いた検証

Performance model

Structure

Requirement

Behavior

Parametric

製品に求める要求

,etc

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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）

(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

Mechanical

structure

transmits heat

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MDMを用いた相互作用の可視化

Function

Performance

Structure

System

Function

Software

Scenario

Semi-conductor

States

Structure

Function

System

Function

Performance

Software

Semi-conductor

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

(16)

Software scenario Power profile Structure definition Simulation(CFD) Function model

MDM description

要素間の相互作用

シミュレーションによる

設計パラメータ検証

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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）

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電子機器の熱設計における問題

Often SW Release

iPhone 5S 7.6mm

Sony Xperia Z2 8.2mm

Galaxy S5 8.3~9.6mm

HTC One 9.35mm

Thin Dimension

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

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製品ライフサイクルにおける熱設計検討

Concept Utilization/ Retirement

Maintenance Production Development

Software

Product Planning Architecture Design Distribution _Disposal Reuse

Mechanical

Structure

Electrical

parts

Verification Integration Verification

Thermal Simulation Thermal Simulation

…

Verification

System Model

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

(20)

温度上昇による低温やけどリスクの評価

Software

Electrical

Mechanical

T em perat ur e Time

Temperature of low- temperature burn injury as a function of contact time (Moritz, 1947)

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

リスクを判断したい

機器動作による温度上昇のアクティビィ

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熱設計パラメータ検討

Constraint

Activity

Component

modules

SW、電気（半導体）、メカの設計パラメータ

計算結果

（温度）

設計制約とシミュレーションを用いた検証

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Mechanical Architecture

Software Architecture

Electrical Architecture

詳細設計詳細設計詳細設計

コンセプト設計における熱リスク検証

Design structure matrix (DSM)

ITVs: Initial Target value (初期境界条件)

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

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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）

Software

Architecture

③SW変更

Detail Design Maintenance

SW変更における熱リスク検証

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熱リスクの評価例

60 120 5 5 10

Satisfied

[mm]

Software

F

900

MHz

Electrical Parts

C

0.4 µF

V

2 V

P

_charge,

P

_static

0.3, 0.9

(W)

Mechanical

Structure

h

11

W/(°C∙m2₎

λ

₁

, λ

₂

0.1, 2

W/(°C∙m)

Environment

T

_amb

25

°C

ITVs

F

1000

MHz

P

2.74

W

T

_{surf_1,}

T

_{surf_2}

34.6 ,

43.1

(°C)

Temperature of low- temperature burn injury

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New App

Scenario 1

Scenario 2

Countermeasure

-Execute at a

lower

frequency

Disable

charging

Simulation

Result

ITV F

1200 MHz

1100 MHz

1200 MHz

P

3.22 W

3.06 W

2.82 W

T

_{surf_1,}

T

_{surf_2}

36.3,

46.3

(°C)

35.7, 45.2

(°C)

34.8, 43.6

(°C)

Allowable

usage time

98 min

204 min

>480 min

SW変更への対応例

Not Satisfied

Satisfied

Using system-level simulation, a number of

scenarios can be proposed and the most

(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

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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”, http://www.nite.go.jp/data/000060011.pdf,

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‐”, http://www.kokusen.go.jp/pdf/n-20140220_1.pdf

Mentor Graphics, Engineering Edge, https://www.mentor.com/products/mechanical/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

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