Accélérer la production des systèmes électroniques et des semi-conducteurs grâce au jumeau numérique complet basé sur l’IA
Cet entretien avec Craig Johnson, vice-président responsable de la stratégie EDA chez Siemens EDA, porte sur la croissance exponentielle de l’industrie des semi-conducteurs et des systèmes électroniques définis par logiciel, et sur la nécessité d’utiliser un jumeau numérique complet basé sur l’IA pour développer des systèmes de systèmes à base de silicium. Aujourd’hui, étant donné la croissance dynamique et l’omniprésence des systèmes électroniques à l’échelle mondiale, les technologies à base de silicium définies par logiciel et basées sur l’IA sont essentielles pour l’industrie des semi-conducteurs, dont le chiffre d’affaires, selon les analystes, devrait atteindre 2 000 milliards de dollars d’ici 2035. Siemens EDA (anciennement Mentor Graphics) a investi massivement dans l’intégration de l’IA afin de fournir à ses clients un écosystème ouvert et connecté pour le développement de semi-conducteurs.
Que se passe-t-il aujourd’hui dans le secteur de l’automatisation de la conception électronique (EDA) en ce qui concerne l’industrie des semi-conducteurs et la loi CHIPS and Science Act, qui vise à dynamiser l’industrie américaine des semi-conducteurs grâce à l’innovation et à des avancées dans le domaine économique ?
Sans les semi-conducteurs, les produits techniques modernes ne pourraient pas exister. Ces composants cruciaux et essentiels sur lesquels sont basés les systèmes et les appareils dans notre monde électroniquement connecté sont indispensables à des technologies telles que l’intelligence artificielle et à des secteurs tels que les véhicules électriques, les énergies propres, l’aérospatiale et la défense. La demande croissante de puces plus petites, plus rapides et plus performantes, ainsi que l’intégration de l’IA pour développer plus rapidement des produits plus intelligents, repoussent les limites des capacités de conception et de fabrication de dispositifs électroniques, y compris en matière de rentabilité et d’écoresponsabilité. Aujourd’hui, l’industrie des semi-conducteurs est confrontée à la complexité des exigences de conception, à des ressources limitées, à des réglementations en matière de développement durable et à des problèmes de chaîne d’approvisionnement, qui s’ajoutent aux contraintes et aux défis du cycle de conception proprement dit. Nos clients cherchent à rendre plus prévisible le déroulement de leurs projets de conception, en réduisant leur délai de développement et de livraison à une durée comprise entre 12 et 18 mois, contre 18 à 36 mois actuellement. Nous nous efforçons donc de réduire le délai de mise sur le marché des puces et des semi-conducteurs grâce à des solutions logicielles basées sur l’IA.
L’industrie est en pleine transition vers des produits et des systèmes définis par logiciel. On peut citer comme exemple le secteur automobile, dans lequel les logiciels peuvent permettre aux constructeurs de se différencier pour répondre aux préférences des consommateurs. Comment une approche basée sur le concept du « défini par logiciel » s’applique-t-elle à l’industrie des semi-conducteurs ?
Dans tous les secteurs, la grande tendance c’est la transition vers la conception définie par logiciel pour les systèmes électroniques et les semi-conducteurs. Les intégrateurs de systèmes cherchent à créer de la valeur ajoutée en différenciant leurs produits grâce aux logiciels. Par exemple, l’industrie automobile propose des fonctionnalités de conduite autonome, d’infodivertissement, de commande vocale, d’assistance à la conduite et de sécurité, ainsi que des expériences personnalisées pour le conducteur et les passagers. Les équipementiers automobiles doivent désormais déterminer comment concevoir et simuler ces fonctionnalités afin qu’elles offrent des performances optimales dans ces systèmes de systèmes complexes. Ils doivent pour cela utiliser des logiciels pour personnaliser et différencier leurs produits, à commencer par les semi-conducteurs. L’approche traditionnelle consistant à concevoir le matériel, puis à adapter le logiciel, n’est plus viable avec les progrès de l’informatique moderne, de l’IA et d’autres applications à hautes performances. Les systèmes définis par logiciel transforment le paysage du développement électronique, le matériel dépendant désormais de l’architecture logicielle.
Les applications logicielles déterminent les décisions relatives à l’architecture matérielle dès les premières étapes de conception, lors desquelles les représentations virtuelles du semi-conducteur nécessitent d’expérimenter pour comprendre quelle plate-forme informatique optimise le mieux le fonctionnement du logiciel. L’adoption d’une méthodologie basée sur le concept du « défini par logiciel » permet aux équipes d’ingénierie de configurer l’ensemble du système à l’aide de logiciels, y compris les limitations d’échelle, la conception et l’optimisation multidomaines, et le maintien des liaisons de données entre les différents niveaux d’intégration des circuits intégrés et des systèmes. C’est là une opportunité des plus motivantes pour les entreprises qui tirent parti des logiciels d’EDA pour acquérir un avantage concurrentiel par rapport aux entreprises établies qui doivent s’adapter à un rythme plus rapide tout en gérant leurs opérations classiques. La transformation numérique et le décalage de l’ingénierie vers l’amont (« shift-left ») sont essentiels dans une économie mondiale concurrentielle. Pour gérer efficacement la complexité de la conception et fournir des systèmes électroniques avancés, les entreprises doivent adopter des stratégies qui intègrent une IA orientée production, la capture et la modélisation efficaces des exigences, ainsi que des méthodologies prenant en charge la co-conception des logiciels et du matériel. Alors que l’évolution de l’échelle de conception des puces se heurte à des contraintes, l’intégration des chiplets et des flux de travail de conception de circuits intégrés 3D est cruciale. Nous constatons un changement majeur dans l’industrie des semi-conducteurs et nous relevons ces défis grâce à des solutions robustes à base de silicium définies par logiciel et basées sur l’IA.
Comment Siemens EDA crée-t-elle l’ingénierie de conception multidomaine basée sur l’IA ?
Le développement de semi-conducteurs de nouvelle génération est un processus coûteux mais nécessaire, car de plus en plus de systèmes et de produits électroniques dépendent fortement des logiciels. En raison de la demande mondiale croissante de produits et de systèmes à base de semi-conducteurs, la complexité de la conception, de la fabrication et de la mise en œuvre des circuits intégrés (CI), des boîtiers de CI avancés et des systèmes à base de circuits imprimés (PCB) augmente de manière exponentielle. Afin de gérer la complexité croissante du développement de systèmes de systèmes, les entreprises doivent adopter une approche d’ingénierie multidomaine intégrant la conception logicielle, mécanique et électronique. L’IA joue un rôle essentiel dans la résolution de ce problème d’ingénierie des semi-conducteurs, qui nécessite de connecter les fonctionnalités des systèmes utilisés pour les opérations, la mise en réseau, la gestion de l’alimentation, la sécurité, la surveillance, l’apprentissage, la vérification, la validation et les tests dans tous les domaines. La gestion des données interdomaines dans le cadre du cycle de développement de composants en silicium nécessite une intégration avec des plates-formes plus vastes et l’acquisition de connaissances propres à chaque domaine.
Par exemple, planifier l’ingénierie de conception afin d’assurer l’évolutivité et la flexibilité des logiciels des plates-formes électroniques est essentiel pour la gestion du cycle de vie des produits. Grâce à l’ingénierie basée sur le concept du « défini par logiciel », les équipes peuvent surveiller et influencer les conditions de fonctionnement réelles lorsque le produit est en cours d’exploitation. L’intégration de moniteurs actifs dans les semi-conducteurs permet aux fabricants d’en surveiller les performances et la fiabilité, et ainsi de s’assurer que les produits fonctionnent comme prévu et restent pleinement opérationnels tout au long de leur cycle de vie. Depuis des décennies, nous mettons l’IA en œuvre à grande échelle pour la conception et la fabrication de puces informatiques afin d’aider nos clients du monde entier à fournir de meilleurs produits et à proposer une gamme d’outils logiciels basés sur l’IA.
Comment un jumeau numérique aide-t-il à la conception et à la fabrication de semi-conducteurs ?
Une transformation numérique réussie commence par la mise en œuvre d’un jumeau numérique complet. Ce dernier est une représentation numérique d’un actif ou d’un processus basée sur la physique, c’est-à-dire une copie virtuelle d’un objet physique (ou qui est appelé à le devenir). Siemens est le leader du secteur en matière de création de jumeaux numériques complets, c’est-à-dire qui englobent tous les modèles et données interdomaines, de la CAO mécanique et de l’IAO au code logiciel en passant par les nomenclatures de produit ou de processus, etc. Cette approche holistique crée une représentation virtuelle précise qui reflète la forme physique, les fonctionnalités et le comportement du produit et de ses configurations. Les entreprises qui adoptent cette approche ont nettement moins besoin de prototypes physiques pendant le développement, car le jumeau numérique complet leur permet de définir et optimiser le produit et les systèmes de production et donc d’économiser un temps et des ressources précieux. Tout au long du cycle de vie du produit, les mises à jour du jumeau numérique reflètent les modifications apportées à son homologue physique, ce qui crée une boucle de rétroaction fermée entre l’environnement virtuel et l’environnement réel. Les entreprises peuvent ainsi optimiser en permanence et de façon rentable leurs produits, leur production et leurs processus d’approvisionnement.
Grâce à cette intégration parfaite des produits et de la production, ainsi que des logiciels et de l’automatisation, les industriels peuvent concevoir, simuler, tester et valider leurs produits à l’aide d’un jumeau numérique complet afin d’optimiser leur qualité et celle des processus utilisés, tout en réduisant la durée de l’étape de conception. Les fabricants de semi-conducteurs et de systèmes peuvent obtenir bien plus qu’une simple fidélité visuelle ou une simulation précise : ils bénéficient d’une intégration d’une ampleur et d’une profondeur sans précédent entre les domaines, les processus et les cycles de vie. Alors que de nombreux éditeurs de logiciels d’EDA offrent des fonctionnalités fragmentaires limitées à des opérations ou des processus spécifiques, un jumeau numérique complet offre un écosystème connecté qui s’étend de la conception à l’exploitation. Le jumeau numérique complet de Siemens offre une représentation virtuelle du produit (ou du flux de processus) qui correspond exactement à la forme physique, aux fonctionnalités et au comportement du produit et de ses différentes configurations. Au cours du cycle de vie du produit et du processus, il permet donc de simuler, prédire et optimiser aussi bien le produit que le système de production. Plus important encore, pendant toute la durée de vie du produit, le jumeau numérique complet réinjecte dans les étapes de conception et de production les données d’exploitation collectées dans le monde réel, créant ainsi un système capable de s’auto-améliorer, une fonctionnalité que très peu de fournisseurs de logiciels numériques peuvent offrir.
De plus, les continuités numériques définies par logiciel constituent l’épine dorsale de nombreux processus de différents systèmes. Elles forment un flux de données connecté tout au long du cycle de vie d’un produit, de sa conception à sa fabrication et au-delà, et consolident des données isolées en une base de connaissances collective qui alimente le jumeau numérique complet. En reproduisant le monde physique dans le monde virtuel à l’aide de continuités numériques, les équipes d’ingénierie peuvent, de manière fiable et sécurisée, prédire les performances du produit et l’optimiser. Ainsi, les tâches sont automatisées et les fonctions sont interconnectées, intégrées et reliées entre elles afin que les équipes d’ingénierie puissent rapidement accéder aux détails de leur programme, les gérer et les partager tout au long du cycle de vie du produit. Ces continuités numériques fournissent un processus de bout en bout complet propre à un secteur d’activité donné, tel que l’écosystème des systèmes électroniques et des semi-conducteurs. Grâce au jumeau numérique complet et aux continuités numériques, les entreprises disposeront d’une infrastructure numérique en temps réel pour l’optimisation de la conception, la mise en œuvre de la vérification et de la fabrication, et la maintenance de ces systèmes de systèmes complexes. Siemens est unique en ce qu’elle fournit à la fois les meilleurs logiciels de PLM et d’EDA, du matériel informatique, ainsi qu’une expertise et des services industriels qui, en matière de complexité, répondent aux besoins spécifiques de ses clients du secteur des systèmes électroniques et des semi-conducteurs et de leurs partenaires.
Quelles autres technologies logicielles Siemens EDA explore-t-elle pour le secteur des semi-conducteurs ?
À une époque où les industriels de l’électronique et des semi-conducteurs sont confrontés à des demandes de plus en plus complexes, à des perturbations de leur chaîne d’approvisionnement et à des impératifs de développement durable, disposer d’un jumeau numérique complet est devenu un facteur de différenciation essentiel et permet à une entreprise d’intégrer rapidement les technologies émergentes dans ses processus. L’exploitation des données provenant de l’ensemble de l’entreprise rend les flux de données accessibles aux principaux décideurs, offrant ainsi une plus grande transparence et un écosystème idéal pour intégrer les applications d’IA industrielle et du métavers industriel. L’IA industrielle peut automatiser les tâches routinières, accélérer l’évaluation des produits et des processus et aider les utilisateurs à se familiariser avec de nouveaux outils, ce qui est particulièrement crucial compte tenu du vieillissement et du départ à la retraite de la main-d’œuvre, de la pénurie d’ingénieurs et des lacunes en matière de compétences. Quant au métavers industriel, il représente l’avenir de la fabrication. Il combinera des jumeaux numériques, l’IA et l’automatisation définie par logiciel pour créer un environnement de conception et de construction virtuel, intuitif et collaboratif.
Les pressions importantes qui pèsent sur l’ensemble de l’industrie devraient se poursuivre, et les récentes mesures douanières géopolitiques sont susceptibles d’avoir un impact sur l’économie mondiale, en particulier sur les secteurs de l’électronique et des semi-conducteurs. Alors que les industriels sont confrontés à l’augmentation des coûts, à la complexité croissante de la conception, à des exigences mondiales en matière de développement durable et à des contraintes en termes de ressources d’ingénierie, la numérisation et les nouvelles technologies sont nécessaires pour suivre le rythme de l’innovation et respecter les délais de mise sur le marché prévus. Les entreprises qui investissent à tous les niveaux dans une transformation numérique holistique bénéficieront d’avantages importants et durables, grâce à des jumeaux numériques intégrant les processus pour créer des opérations transparentes et unifiées. L’approche globale proposée par Siemens EDA constitue une base solide et fiable pour une transformation industrielle et technologique future.
À propos de Craig Johnson :
Craig Johnson a rejoint Siemens en 2021 et occupe le poste de vice-président de la stratégie chez Siemens EDA. Précédemment, il avait rejoint Cadence en 2004, où il avait occupé des postes de direction dans les domaines de la planification stratégique, du marketing, des fusions-acquisitions et des technologies de l’information. Auparavant, il avait travaillé dans le marketing stratégique et les opérations chez Intel. Il est titulaire d’un MBA et d’un Bachelor of Science en génie électrique et informatique de l’université Brigham Young.
