자동차 전자 설계 플로우는 스펙 정의, 기능 및 와이어링 설계, 부품 설계, 시뮬레이션, 하니스 엔지니어링, 중량 연구, 하니스 제조 등의 각 단계를 지원하는 MCAD, ECAD, PLM, PDM, Workflow, ERP 시스템 등과 같은 일련의 경영 및 설계 툴을 포함한다.
시스템 설계와 인터커넥트 와이어링 및 하니스의 설계를 통합하는 것은 자동차 설계에서 복잡한 작업이다. 무한경쟁 환경은 지속적인 가격인하와 품질향상, 보다 빠른 설계주기를 요구하고 있다. 이와 동시에 지속적인 설계 복잡성 증가는 기존 설계 툴에 대해 부담을 가중시키고 있다. 이에 따라 설계의 모든 영역에서 보다 뛰어난 툴과 보다 우수한 통합 방법론에 대한 연구가 활발하다.
자동차 OEM들은 현재 ‘포인트-솔루션(point-solution)’ 툴로서의 기능을 넘어 전체 전자 설계 플로우에 걸쳐 보다 폭넓게 시스템 전반에서 역할을 제공하는 ECAD에 특화된 솔루션을 구현하기 위해 노력하고 있다. 최근의 설계 프로세스는 각각의 특화된 데이터 정의들을 가지는 여러 소프트웨어 업체들의 툴들이 관여하며, 이 툴들을 이용해 동시에 작업해야 하는 환경이 요구된다. 이것은 임베디드-소프트웨어 정의에서부터 분석 및 제조 설계에 이르기까지 각각의 특정 작업과 툴에 전용화된 복수의 데이터베이스 내에 저장된 상호 관련된 데이터를 사용해야 한다는 것을 의미한다. 부품과 디자인은 모두 자체 수명주기를 가지고 있으며 많은 양의 데이터가 개념 설계 단계에서 제조, 서비스, 폐기에 이르는 제품 설계 및 수명주기 동안 생성되고, 디자인에 사용된 부품에 대해서 모든 설계 변경으로 야기된 부품 레벨이 다양하고 자세히 표현돼야 한다.

주요 기술적 과제

통합을 견인하기 위한 주요 기술적 과제는 프로세스에서 사용되는 모든 데이터를 확보해야 한다는 것이다. 하지만 이러한 작업은 간단하지 않다. 이는 프로세스 내 복수의 시스템 중 하나가 다른 시스템으로부터 수신한 데이터를 적절하게 표현 또는 관리할 수 없다면 해당 데이터가 ‘유실(lost)’될 수 있기 때문이다. 따라서 시스템의 통합을 고려할 경우, 데이터의 공통 표현 방법을 공유하는 것이 중요하다.
하지만, 상이한 시스템들은 일반적으로 동일한 실체에 대해 상이한 ‘구조적 관점(structural view)`을 가지고 있다. 예를 들어, 하나의 컴퓨터 모듈은 물리적 BOM(Bill of Material)을 기준으로 랙, 케이스, 커넥터, 회로 보드, 스크류 등으로 분류할 수 있다. 이것은 여러 부품이 조립된 모듈을 기계 CAD 시스템에서 표시하는 경우에 일반적으로 사용되는 방법이다. 그러나 전자 CAD 시스템의 경우, 동일한 컴퓨터 모듈을 물리적 BOM의 경계 및 구조를 넘어서 기능/회로 정의 등으로 분류할 수 있다. 엔진 속도, 스로틀 위치 등과 같은 기능 요소들은 동일한 모듈 내의 많은 커넥터와 회로 보드에 걸쳐 맵핑될 수 있으므로 전체 또는 특정 기능을 하나의 물리적 부품과 정확히 맵핑한다는 것은 일반적으로 불가능하다.
추가적인 복잡성은 각 설계 요소의 수명주기에 의해 나타난다. 하나의 와이어에 대해, 예를 들면 한 와이어는 전체 설계 프로세스의 모든 개별 단계에서 표현될 수 있지만 각 단계를 진행함에 따라 이에 대한 정의가 구체화되기 때문에 표현도 구체화된다. 이와 같이 많은 속성은 프로세스 내의 여러 단계를 진행하는 동안 각각의 단계에서 수립된 요건 및 관계에 상당히 의존하게 되므로 보다 완벽한 통합을 위한 추가적인 요구사항은 전체 설계 플로우에 걸쳐 각 요소들의 설계 요건과 관계들을 구축하고 유지하는 것이다.
따라서 다양한 구조적 관점을 가지는 여러 툴 간의 통합을 위해서는 보다 높은 수준의 데이터 구조에 대한 지원이 필요하며, 각각의 툴은 이를 통해 마스터 데이터 구조를 가지는 특별한 관점으로 데이터를 보게 된다. 이때 하나 이상의 툴이 각기 다른 구조 관점을 통합하고 관리하는 보다 높은 수준의 데이터 “백본(backbone)”을 제공할 수 있다. 이러한 “백본” 툴과 데이터 구조는 차세대 설계 툴의 개발, 다양한 소프트웨어 업체들 간의 협력, AP210, AP212 등과 같은 데이터 교환 표준들의 출현 등을 통해 10년 전부터 나타나기 시작했다.

ECAD/MCAD
전자 설계 프로세스

전자 설계 프로세스는 프로세스 ‘단계’의 수에 따라 특성화할 수 있지만, 전자/기계적 CAD 시스템의 통합을 고려하는 경우에는 기능 및 로직 설계, 와이어링 설계, 하니스 설계 등 3단계 프로세스로 구분하는 것이 유용하다. 이러한 각 단계들은 일련의 자체 설계의 자유도와 제약 조건을 통해 특정 프로세스를 정의하며, MCAD와 ECAD 간의 통합을 위해서는 다음과 같은 특수한 동작이 필요하다:

쪾 기능 및 로직 설계의 경우, 주요 통합 요건은 와이어 경로와 하니스 간의 물리적 네트워크를 정의하고 교환하는 것이다.
쪾 와이어링 설계의 경우, 주요 통합 요건은 와이어 길이와 번들 크로스 섹션 크기 계산을 지원하기 위해 와이어 연결 정보를 교환하는 것이다.
쪾 하니스 설계의 경우, 주요 통합 요건은 와이어 길이와 하니스를 구성하는 물리적 부품을 교환하는 것이다.

각각의 경우에 대해 전자/기계 엔지니어들은 설계를 동시에 진행해야 하며, 독립적으로 작업하는 것이 편리한 경우에는 설계 변경을 공유해야 한다. 이것은 느슨하게 결합돼(loosely-coupled) 있지만 정형화된 통합이 필요하다는 것을 의미한다. 결합(coupling)은 데이터 교환 시 변경 관리를 지원하는 데이터 관리 기능을 포함하는 공통적인 데이터 표현을 통해 달성된다.
기능 및 로직 설계

본 설계 단계에서 전자 엔지니어들은 전자 시스템의 부품에 대한 정의와 부품 상호간 연결에 관련된 업무에 참여한다. 이와 동시에 기계 CAD 엔지니어들은 부품의 크기와 위치, 와이어링 루트에 대한 추정에 기반하여 초기 패키징에 대한 업무를 수행하게 될 것이다. 이러한 업무는 전체 구조에 대해 와이어 번들을 라우팅하기 위한 충분한 공간을 제공할 수 있는지를 주로 확인한다.
과거에는 부품의 배치, 와이어의 크기 등과 같은 기계적인 고려사항들이 전자 설계의 아키텍처에 미치는 영향이 크지 않았다. 지금은 기계적 레이아웃이 설계의 중량과 비용에 확실히 영향을 미친다는 것이 분명해졌다. 실제로 전자 기능의 배분은 전자 시스템의 중량과 비용에 있어 중요한 요소로서 개별 기능들의 연결을 위해 사용되는 와이어와 커넥터의 크기, 경로, 수에 영향을 미친다. 그러나 전자적 기능 배분에 대한 “가설(What if?)” 연구를 수행하는데 필요한 기계적 정보의 특성은 일반적인 MCAD 시스템에 의해 제공되는 것과 상당히 다르며, 이로 인해 전자 설계 연구를 위해 전통적인 MCAD 모델을 사용하는 것이 제한적이다. 결과적으로 이러한 연구는 가장 중요한 영역에 대해서만 필요할 경우에 사용하기 위해 유보돼 왔다.
설계는 리던던시(redundancy)를 포함해야 하며, 잉여 와이어(redundant wire)는 특정 영역에서 물리적 고장이 발생하는 경우에도 해당 기능이 동작하도록 하기 위해 독립적 경로를 가져야만 한다. 이를 위해서는 물리적 대체 경로와 이와 일치하는 전기적 연결 사이의 관계가 자동화된 규칙에 의해 정의되고 관리되어야 한다. 따라서 전자 엔지니어들은 그들의 전자 설계 툴을 직접적으로 통합하고, 가급적이면 그들의 기계적 CAD 툴 역시 통합하는 규칙 기반의 레이아웃 스케치(sketching) 능력이 필요하다. 지난 수년간 많은 전자 레이아웃 ‘스케치’ 툴들이 개발되었지만, 기계적 CAD 시스템과 통합될 수 없다는 약점으로 인해 레이아웃을 적절하게 검증하고 세부 CAD 설계에 통합하는 것이 불가능했다. 그러나 지금은 가능하다.
멘토 그래픽스의 CHS 설계 시스템은 이전 전자 레이아웃 툴의 약점을 극복하여 전자/기계적 설계자들이 완벽한 환경에서 데이터를 교환할 수 있도록 고안되었다. 전자 엔지니어들은 각 구성에 대한 와이어 길이, 와이어 크기, 중량, 하니스, 비용 정보 등을 계산하여 가장 효율적인 설계를 확인할 수 있도록 상당히 많은 물리적 구성들을 스케치하고 평가할 수 있다. 지능형 설계 규칙은 중복 연결의 정확한 라우팅, 설계 자동화, 부품의 배치뿐만 아니라 정확하게 구성된 와이어링 구조의 자동적인 생성을 지원한다. 마지막으로 전자 엔지니어들은 ECAD 모델에 MCAD 레이아웃을 연결함으로써 정확한 와이어 길이, 와이어 크기, 하니스, 중량 정보 등을 계산하여 설계 프로세서를 완료할 수 있도록 설계를 통합할 수 있다. 이를 통해 기존 설계 프로세스보다 설계에 드는 노력을 크게 줄일 수 있다.

와이어링 설계

앞서 설명한 전자 레이아웃 최적화 프로세스는 최근에 대두되었으며 대다수 기업들이 전자 설계 프로세스의 경우에 여전히 인터렉티브 와이어링 설계(interactive wiring design)에 중점을 두고 있다. 인터랙티브 와이어링 설계 프로세스에서 부품의 물리적 위치와 와이어 번들의 물리적 경로 설정은, 특히 하니스 콘텐츠와 하니스 인터커넥트와 관련된 와이어링 설계의 측면들을 관리한다. 전자 설계자들은 일련의 와이어링 구조들의 전자 연결을 인터랙티브하게 정의하고 설계 내의 모든 부품, 와이어, 커넥터를 기록한다.
와이어링은 제조 과정에서 설치를 용이하게 하기 위해 많은 상호연결 하니스로서 구축된다. 따라서 와이어링 구조는 하니스 간의 상호연결처럼 보이며 2개의 부품 사이의 신호 연결을 생성한다. 하나의 연결이 다양한 하니스를 통과하기 때문에 순차적으로 연결된 복수의 와이어를 요구할 수 있으며, 설계자의 작업에 보다 많은 복잡성을 부여하게 된다.
와이어링 설계 프로세서의 필수 요소는 와이어가 전송해야 하는 전력에 대해 정확한 크기를 가지도록 보장하는 것이다. 와이어가 너무 작다면 과열될 것이다. 와이어가 너무 크다면 와이어링 비용과 중량이 필요 이상으로 증가하게 된다. 와이어 크기는 고급 분석 툴과의 통합을 통해 검증될 수 있지만, 이를 위해서는 와이어 길이 정보가 필요하며 와이어링 구조, 분석, MCAD 데이터의 통합을 통해서만 달성할 수 있다. 전통적으로 이러한 종류의 통합은 파일 기반으로 인터랙티브하게 관리되어 매우 느리고 오류가 많이 발생하여 결과적으로 작은 수의 구성만을 분석할 수 있으며 설계 변경을 수용하고 검증하는 것이 어려웠다.
파일 기반 통합은 통합에 대한 전통적인 접근법이지만, 전자 설계 프로세스에 있어서 동시성 및 변경 관리와 관련하여 특히 약점을 가지고 있다. 결과적으로 기업들은 폐쇄-결합 전자 및 기계 설계 환경을 제공하여 파일 기반 데이터 교환에 대한 필요성을 제거할 수 있는 툴들을 도입하고 있다.

동시성 및 변경 관리

설계 수명의 대부분에 있어서 엔지니어들은 변경 관리 모드에 있다. 설계 정보가 빈번하게 교환돼야 하며, 편의에 따라서 동시에 교환될 수도 있다. 뿐만 아니라, 설계 변경의 특성은 엔지니어가 이를 수용하기를 원하기 전에 이해 가능해야 한다. 이를 위해서는 입력된 데이터 변경이 사용자에게 의미가 있는 방법에 따라 시각적으로 표현돼 사용자가 변경된 부분을 확인하고, 변경의 수용 또는 거부 여부를 선택할 수 있어야 한다. 사용자가 하나의 커다란 “수용여부(take it or leave it)” 문제로 주어지는 변경을 원치 않으며 교환은 변경 관리 기능을 통해 조정되어야 한다.
이러한 형태의 변경 관리자의 예를 그림 1에 나타낸다. 여기서 와이어링 엔지니어에 의해 3D 하니스로의 기하학적 변경들이 전자 설계에 통합되고 있다. 변경 관리자 기능은 복잡한 3D 경로들을 2D 스틱-다이어그램(stick-diagram)으로 ‘평탄화(flatten)’ 한다. 변경 관리자는 개별 경로 실체들을 리스트로 분류한 다음, 이를 전자 엔지니어가 작업하고 있는 현재의 설계와 비교하고 변경된 실체들을 강조하여 나타낸다. 길이가 변경되거나 새로운 브랜치 또는 커넥터가 도입되는 경우에 사용자(기계 또는 전자)는 각 실체를 ‘교차-검증(cross-probe)’ 할 수 있다. 실체를 선택함으로써 3D MCAD 툴과 ECAD 툴 화면에 동시에 강조할 수 있기 때문에 사용자가 이를 업데이트하거나 거부하기 전에 각 변경의 특성을 이해할 수 있도록 돕는다.

하니스 설계

대다수 업체들이 하니스 설계와 제조를 서플라이어들로부터 아웃소싱하고 있다. 서플라이어들에게 제공되는 데이터의 특성은 매우 넓은 범위를 가지고 있다. 완벽하게 지정된 드로잉(“빌드-투-프린트(build to print)”)에서부터 서플라이어가 자체적으로 통합을 해야만 하는 일련의 MCAD와 ECAD 설계에 이르기까지 매우 다양하다. 기능 및 와이어링 설계의 경우, 구조적 관점을 기계적 관점과 통합해야 한다. 그리고 일부 공급업체들은 설계 문제들을 확인하기 위해 이러한 관점들을 분석과 연결해야 한다.
모든 프로세스는 제조업체를 위해 하니스 부품을 정의하는 드로잉, 관련 데이터 등을 생성해야 한다. 요구되는 드로잉의 복잡성이 매우 높고 그 수 역시 많다. 뿐만 아니라, 설계가 조정됨(와이어링 경로가 이동할 경우에 부품 및 설비들이 변경된다)에 따라 OEM에 의해 서플라이어에 제공된 데이터는 변경될 것이며, 서플라이어는 바뀌는 목표를 따라야 한다.
여전히 부정적인 사실은 데이터의 일부 측면들은 두 툴 모두에서 동시에 작성되어야 한다는 것이다. 예를 들며 와이어 데이터의 경우, MCAD 시스템은 와이어 길이를 마스터(master)하지만, 하니스 시스템은 절연을 마스터하게 된다. 각 와이어에 대한 많은 특성들이 존재하고 각 특성의 ‘마스터링(mastering)’은 두 시스템 사이에서 변화하게 된다. 이러한 관리 특성의 구성 역시 어떠한 툴이 사용되고, 어떠한 기업이 참여하고 어떠한 항공기가 사용되고, 어떠한 항공기 시리즈가 사용되는지에 따라 변화한다. 전통적인 ‘데이터-교환/덮어쓰기(overwrite)’ 메커니즘은 이러한 형태의 통합을 지원할 수 없다. 사용자는 매번 다른 시스템으로부터 변경들을 임폴트(import)하여 자신이 부분적으로 생성한 모든 변경들을 잃을 수 있는 위험을 스스로 감당해야 했다. 이러한 약점으로 인해 각각의 소규모 설계 변경을 전자적으로 교환하는 것이 아니라 하나의 시스템에서 다른 시스템으로 조심스럽고 인터랙티브하게 교환하고 복사해야 하기 때문에 설계 프로세스에서 상당한 병목현상이 나타났다.
복잡한 데이터 교환 관리 문제를 해결하는 것이 CHS 설계 시스템의 개발에 있어서 1차적인 목표였다. 이것은 전통적인 “데이터-교환/덮어쓰기”를 사용하는 대신에 어떠한 툴이 각각의 특성과 모든 특성에 대해 “마스터(master)”가 될지를 정의하는 일련의 상세하게 사용자 정의된 “마스크(mask)”를 사용한다. 뿐만 아니라, 사용자 정의 “검증(validation)” 모듈은 모든 충돌을 해결하는데 적용될 수 있는 보조적인 데이터 검증 계층을 제공한다. 이를 통해 데이터 교환을 공식적이고 반복적인 동작으로 자동화하여 설계 변경을 인터랙티브하게 동기화하는 느리고 오류 발생이 많은 작업을 제거할 수 있다.

향후 동향

지난 10년 동안 전자 설계 프로세스에 대한 접근법은 상당한 변화가 있었다. 전자 설계는 항상 기계 설계로부터 독립된 업무가 되겠지만(상이한 “구조적 관점”을 가지고 있기 때문에), 개발 수명주기의 단축, 중량의 저감, 보다 높은 품질을 향한 동인들로 인해 프로세스를 관리하기 위한 툴들의 완벽한 통합과 마스터 데이터를 제공하는 “백본(backbone)” 통합 툴의 도입에 대한 요구를 주도하고 있다. 이러한 개선 활동은 ECAD, MCAD, 분석 툴 사이의 통합에서 가장 분명하게 나타나고 있지만, 이러한 툴들이 현재 공유하고 있는 보다 풍부한 데이터 환경이, 특히 전자 하드웨어 및 소프트웨어 설계와 네트워킹과 관련하여 통합 툴의 보다 넓은 개발 커뮤니티를 위한 새로운 기회를 제공하고 있다. 멘토 그래픽스의 CHS와 같은 “백본(backbone)” 통합 툴의 출현으로 툴과 작업 사이의 경계들이 무너지고 있으며 궁극적으로 트랜지스터-게이트에서부터 물리적 하니스에 이르는 통합 플로우를 제공할 미래의 설계 환경을 향해 나아가고 있다. 이를 통해 자동차 업체들은 단축된 시간 척도 내에서 보다 복잡한 차량을 개발할 수 있게 될 것이다. 따라서 이 분야를 지속적으로 주목할 필요가 있다.