Digitaler Zwilling Shift-Left im Zeitalter der Software-definierten Technologie

Software-definierte Produkte machen die Entwicklung komplexer und erfordern eine enge Integration von Software, Halbleitern und Systemdesign. Der digitale Zwilling dient als zentrales Werkzeug, um diese Komplexität zu beherrschen und Innovation schneller umzusetzen.

Zahlreiche Branchen durchlaufen einen Software-definierten Wandel, der neue Innovationsmöglichkeiten schafft, so auch die Automobilindustrie. Moderne Fahrzeuge sind ein exzellentes Beispiel. Software-Updates, die routinemäßig per Fernzugriff an Fahrzeuge gesendet werden, können die Leistung verbessern, neue Funktionen einführen und sogar Probleme beheben, ohne dass ein Besuch im Servicezentrum erforderlich ist. Die Flexibilität, die Software-definierte Fahrzeugplattformen bieten, behebt nicht nur Kundenprobleme, sondern schafft gleichzeitig neue Möglichkeiten zur Differenzierung durch Funktions-Updates und Fahrzeugverbesserungen.

Die Umstellung auf eine Software-definierte Entwicklung hat weitreichende Folgen für ein Produktprogramm und betrifft jeden Engineering-Bereich und jedes Produktteam. Bei Siemens arbeiten Experten aus allen Bereichen der Technik, die für die Entwicklung neuer intelligenter Produkte erforderlich sind. Deren Interaktionen liefern Erkenntnisse sowohl zu den technischen als auch zu den geschäftlichen Herausforderungen, die sich aus der sich wandelnden digitalen Landschaft von heute ergeben. Hier stellen sich verschiedene Fragen, beispielsweise:

• Wie bestimmt Software die Produktfunktionen in verschiedenen Branchen wie der Automobilindustrie oder der Luft- und Raumfahrt?

• Wie verändert eine Software-definierte Entwicklung die Herangehensweise von Unternehmen an die Produkt- und Systementwicklung?

• Wie kann der umfassende Digital Twin diese neuen Entwicklungsansätze unterstützen?

Wachsende Komplexität

Die Verlagerung hin zu Software-definierten Produkten bringt neue Komplexitäten mit sich. So kann eine Änderung der Software-Funktionen Kaskadeneffekte in mehreren voneinander abhängigen Bereichen auslösen. Beispielsweise haben Änderungen des Verhaltens der Software an Bord eines zukünftigen Elektrofahrzeugs Auswirkungen auf den Stromverbrauch der Rechenplattform und somit auf die Gesamtreichweite. Je nach Ausmaß der Reichweitenreduzierung erfordert eine solche Software-Änderung eine Neubewertung der Batteriegröße des Fahrzeugs und sogar seiner physischen Bauweise.

Die gestiegene Bedeutung der Software-Entwicklung und -differenzierung hat auch Auswirkungen auf die Organisation von Entwicklungsprogrammen. Sie betrifft insbesondere die Halbleiterbauelemente, die die Software-Funktionen ermöglichen. Mechanische und elektrische Systeme sind für diese Systeme zwar nach wie vor wichtig, doch der Schwerpunkt der Aufmerksamkeit und der Investitionen hat sich auf Software und Halbleiter verlagert.

Früher verwendeten Unternehmen handelsübliche Chips, die die Anforderungen in etwa erfüllten, und entwickelten dann Software, die auf die Fähigkeiten und Grenzen der universellen Hardware-Plattform zugeschnitten war. Weil Software-Systeme jedoch immer komplexer und wichtiger werden, suchen immer mehr Unternehmen nach maßgeschneiderten Siliziumlösungen. Diese sollen an spezifische Software-Workloads und Entwicklungsmethoden anpassbar sein und die gemeinsame Entwicklung von Hardware und Software unterstützen.

In der Vergangenheit war die Entwicklung maßgeschneiderter Halbleiter für viele Unternehmen aufgrund der Vorlaufzeit, der Kosten und der Risiken, die mit der Herstellung anwendungsspezifischer Siliziumchips verbunden waren, nicht praktikabel. Halbleiterhersteller verkürzen heute die Entwicklungszeiten, indem sie wichtige Neuheiten wie die heterogene Integration mittels Chiplets vorantreiben. Dadurch können sie kostengünstige Standardtechnologien, zum Beispiel Speicher mit kleineren, noch günstigeren und weniger riskanten kundenspezifischen Siliziumchips kombinieren und so die optimalen Leistungs- und Kostenziele erreichen.

Digitaler Zwilling für ganzheitliche Software-gesteuerte Entwicklung

Hersteller komplexer Systeme müssen heute die Entwicklung und Integration vieler Teilsysteme in Betracht ziehen, darunter:

• Software-Anwendungen und Basisfunktionen

• Halbleiterbauelemente und -module

• Elektrische und elektronische Systeme, einschließlich Datennetze

• Mechanische Komponenten und Strukturen

All diese Aspekte erfordern unterschiedliche technische Fachkenntnisse und Lösungsansätze, die nahtlos zu einem benutzerfreundlichen Produkt zusammengeführt werden müssen. Unternehmen stehen dabei vor der Herausforderung, diese Aufgabe trotz knapper werdender Budgets und Zeitpläne zu bewältigen, um ihre Position in zunehmend wettbewerbsintensiven Märkten zu behaupten. Die Verbesserungen orientieren sich am Tempo der Branchenführer, daher reichen geringfügige Verbesserungen gegenüber der bisherigen Entwicklungsdurchführung nicht mehr aus.

Dieser Druck erfordert vernetzte, agile und ganzheitliche Entwicklungsmethoden, die den Informationsfluss zwischen voneinander abhängigen Teams erleichtern. Das erfordert Investitionen in die Digitalisierung durch die Erstellung eines umfassenden digitalen Zwillings. Der digitale Zwilling eines jeden komplexen Produkts oder Systems verbindet alle Produktmodelle und Daten über digitale Threads, die einen bidirektionalen Informationsfluss zwischen Entwicklungsteams und Projektmanagern ermöglichen. Das Ergebnis ist ein ständiger Austausch zwischen Entwicklungsaktivitäten und Designanforderungen.

Mit zunehmender Produktkomplexität – wie in Elektrofahrzeugen, Luft- und Raumfahrtsystemen oder Rechenzentren – bieten digitale Zwillinge eine einheitliche Plattform, um Abhängigkeiten zwischen Software, Elektronik und mechanischen Komponenten zu visualisieren. Durch diese Echtzeit-Synchronisierung werden kostspielige Verzögerungen vermieden und sichergestellt, dass jeder Aspekt des Produkts den sich wandelnden Anforderungen und regulatorischen Standards entspricht.

Über die einzelnen Teams hinaus verbessert die Digitalisierung die funktionsübergreifende Zusammenarbeit, indem sie den Beteiligten zugängliche und transparente Daten zur Verfügung stellt. Supply Chain Manager, Software-Ingenieure und Maschinenbauingenieure können in einem gemeinsamen digitalen Ökosystem interagieren, Validierungsprozesse optimieren und sicherstellen, dass Änderungen keine unvorhergesehenen Komplikationen verursachen. Die Vorbereitung auf die Fertigung kann auch durch frühzeitige Produktionsplanung, Modellierung und Validierung mit dem digitalen Zwilling des Produkts verbessert werden. Dieser ganzheitliche Ansatz reduziert Entwicklungsrisiken und verbessert die Effizienz, sodass Unternehmen hochwertige, innovative Produkte schneller auf den Markt bringen können.

Halbleitervirtualisierung verbessert Software-Entwicklung

Für Software-definierte Produkte oder Systeme ist die Virtualisierung der Siliziumentwicklung und -verifizierung von entscheidender Bedeutung. Bisher warteten Software-Teams auf physische Hardware-Prototypen, bevor sie Software testeten. Das verlangsamte die Entwicklungszyklen und erhöhte die Projektrisiken. In der Chipentwicklung setzen Teams schon seit vielen Jahren modellbasierte Verifizierungs- und Emulationstechnologien ein. Der breitere Digitalisierungstrend hat nun den Weg für die Virtualisierung von Siliziumarchitekturen geebnet und die Entwicklung von Anwendungssoftware von der Hardwareentwicklung oder -auswahl entkoppelt. Dies ermöglicht eine aktive Software-Entwicklung, lange bevor überhaupt physische Halbleiterbauelemente hergestellt wurden. (Bild 2)

Eine solche Virtualisierung ermöglicht ein Designparadigma, bei dem Software- und Hardware-Abhängigkeiten vor der endgültigen Integration berücksichtigt werden können. Software-Teams können Anwendungen ständig aktualisieren, um die erwartete Siliziumleistung widerzuspiegeln. Weil die Genauigkeit von Siliziummodellen während der Entwicklung zunimmt, wird die Wahrscheinlichkeit von Integrationsfehlern reduziert. Das hilft Unternehmen auch dabei, die Vorteile heterogen integrierter Siliziumchips voll auszuschöpfen, indem es die Optimierung von Prozessorkernen, Speicherkonfigurationen und Schnittstellen erleichtert, um den sich wandelnden Anforderungen an die Rechenleistung gerecht zu werden und gleichzeitig die Kosten zu senken.

Darüber hinaus sorgt ein vernetztes digitales Ökosystem dafür, dass sich weiterentwickelnde Software- und Siliziumspezifikationen sofort im umfassenden digitalen Zwilling des Systems widerspiegeln. Mit zunehmender Reife der Software- und Halbleiterkonfigurationen können die Teams für Elektrik und Mechanik ihre Konstruktionsarbeiten mit neuen Informationen abschließen und dabei alle Auswirkungen berücksichtigen, die eine Änderung der Software auf ihre jeweiligen Systeme haben könnte.

Um auf das Beispiel der Elektrofahrzeuge zurückzukommen: Der digitale Zwilling stellt sicher, dass die ganzheitlichen Auswirkungen einer Software-Änderung im gesamten Produktökosystem verstanden werden. Für Software-Entwickler bietet das die Möglichkeit, die Änderung zu optimieren, um das gewünschte Verhalten zu erreichen und gleichzeitig die externen Auswirkungen zu minimieren. Sobald die Änderungen an der Software abgeschlossen sind, können neue Anforderungen an die betroffenen Teams weitergeleitet werden, damit sie bei Bedarf mit der Aktualisierung ihrer Designs beginnen können.

Integrierter Entwicklungsansatz notwendig

Der wachsende Einfluss Software-definierter Produkte verändert weiterhin ganze Branchen und eröffnet neue Möglichkeiten für Innovation und Effizienz. Gleichzeitig führt die zunehmende Abhängigkeit von Software zu neuen Komplexitäten, die einen stärker integrierten Entwicklungsansatz erforderlich machen. Die Konvergenz von Software- und Halbleiter-Entwicklungen hat die Nachfrage nach maßgeschneiderten Siliziumlösungen beschleunigt, die die Rechenleistung für spezielle Workloads optimieren. Die Digitalisierung, insbesondere durch den digitalen Zwilling, hat sich als entscheidendes Instrument zur Bewältigung dieser Wechselwirkungen erwiesen und ermöglicht die Zusammenarbeit und Validierung in Echtzeit über funktionsübergreifende Teams hinweg.

Letztendlich hängt der erfolgreiche Umgang mit dem Software-definierten Zeitalter von der Bereitschaft ab, in digitale Infrastrukturen zu investieren, um einen umfassenden digitalen Zwilling zu schaffen. Durch die Einführung der Digital-Twin-Technologie können Unternehmen Neuentwicklungen optimieren, Risiken mindern und die Produktdifferenzierung verbessern.  (se)

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