지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어의 포괄적 디지털트윈 

4월 셋째 주, 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어와 지멘스 EDA(舊 멘토, 지멘스 비즈니스)가 나란히 개최한 컨퍼런스, ‘2021 지멘스 전기차/자율주행차 기술 온라인 컨퍼런스’, ‘Siemens EDA Forum’은 ‘칩에서부터 모빌리티까지’란 자동차 산업의 디지털 전환에 대한 80여 개 강연을 제공했다. 전자의 경우 본래 6, 7일 양일간 개최됐어야 했지만, 페이지가 다운되면서 Siemens EDA Forum이 시작된 주에 대부분 함께 진행됐다. 산업의 강력한 디지털 전환 요구와 지멘스에 대한 높은 기대가 서버 폭주로 이어졌다. 지멘스가 말하는 포괄적 디지털트윈이란 무엇인지, 자동차 산업을 위한, 혁신적인 E/E 시스템 개발을 그들이 어떻게 지원하는지를 들어봤다.

글 | 한상민 기자_han@autoelectronics.co.kr

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왠지 익숙한 영상이 모니터에 펼쳐졌다. 
현대기아의 여러 광고처럼, ‘매드맥스’처럼 레이싱 고글을 쓴 드라이버를 태운 차가 먼지를 휘날리며 광활한 사막을 질주한다. 2018년 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어(Siemens Digital Industries Software)를 통해 소개받은 풀 3D 프린팅 카, 자동차 커스터마이즈의 미래에 대한 해크로드(Hackrod)의 ‘라 벤디타(La Bandita)’를 떠올리게도 한다. 사막 위의 이 카트는 전기차 시대의 새로운 차량 E/E 아키텍처 플랫폼 카누(Canoo)의 ‘스케이트카트(SkateKart)’였다. 이 영상에 강력한 의미를 부여하는 나지막한 음성의 설명이 이어졌다.



『기본 플랫폼에서 운전석과 같은 여러 물리적 사양들을 마음대로 적용할 수 있다. 기계적 오버행으로 프론트와 리어 간 거리를 효과적으로 확장할 수 있다. 새로운 개념은 아니지만, e드라이브트레인의 유연성 덕분에 예전보다 더 효과적으로 적용할 수 있다. 여기서는 세단, SUV, 픽업트럭, 고성능 차량은 물론, 대중교통, 엔터테인먼트 차량도 가능하다. 전통적인 차량 아키텍처에서는 불가능했지만, 네트워크와 소프트웨어, 전기, 전자, 기계적 환경을 함께 고려하는 현대적인 E/E 시스템에서는 가능하다. 

카누, 리비안, 테슬라, 루시드 등 수많은 전기차 스타트업들은 전통적인 OEM보다 유리한 위치에 있다. 그들은 처음부터 이런 차에 집중하기 때문이다. 현재의 차량 아키텍처는 소프트웨어와 네트워크, ECU가 필수이고, 소비자들 또한 이런 측면을 선호한다. 게다가 이들 기업은 자체 모델을 개발하면서도 이같은 스케이트보드를 다른 OEM에 판매하는 비즈니스 모델을 전개한다. 

협력 기업들은 도메인 간 통합에 대한 요건을 공유하고 충족할 수 있어야 한다. 예를 들어, 마그나, 피스커, 폭스콘은 개발 프로세스에서 그들만의 핵심가치를 공유한다. 하지만 이런 협력이 제품 출시를 앞당기고 투자 리스크를 줄일 수 있지만, 여러 데이터의 사용과 표준화의 절차를 통한 효율적인 협업 달성은 말처럼 쉽지가 않다. 이것이 불가능한 환경이라면 문제가 발생하고 제품 출시는 늦춰진다.』   





4월 셋째 주, 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어와 지멘스 EDA(舊 멘토, 지멘스 비즈니스)가 개최한 컨퍼런스, ‘2021 지멘스 전기차/자율주행차 기술 온라인 컨퍼런스’와 ‘Siemens EDA Forum’에서는 위의 스케이트보드에 대한 지멘스 EDA의 더글라스 A. 버치키(Douglas A. Burcicki) 이사의 강연을 비롯해 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어의 대표 연사들이 자동차 산업의 디지털 전환에 있어 “왜 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어와 함께 해야 하는지”에 대해 강력히 어필했다.   

요약하면 이렇다. ▶전기 자율주행의 미래에서 혁신적인 E/E 시스템, 소프트웨어의 완전하고 효율적인 개발은 자동차의 혁신을 이끄는 중심이지만, 이 혁신을 제대로 전개하려면 결국 모든 것을 기계적인 시스템과 원활히 통합하고 차별화할 수 있으며, 그 사이의 모든 복잡성을 극복해야만 한다. ▶기업은 그들의 사업을 이어 가기 위해 짧은 주기 내에 혁신 제품을 출시해야만 하고, 이를 위한 변화, 제품의 개발, 생산, 생산 이후의 서비스 등 모든 과정의 내외부 협업을 개방된 디지털 환경에서 원활하게 전개할 수 있어야 한다. 

▶이 모든 것을 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어의 ‘엑셀러레이트(Xcelerator)’ 포트폴리오가 지원한다. 





포괄적인 디지털트윈  

전기차 시장은 아직까지 공급자 중심 시장이지만 전 세계적으로 100여 개가 넘는 전기차 OEM이 경쟁하면서 5년 안에 수요의 폭발을 보게 될 것이다. 이뿐 아니라, 전기차의 발전은 스마트시티, 스마트그리드, 스마트 딜리버리 등 전 세계 도시의 새로운 이니셔티브, 자율주행과 함께 모빌리티의 세계를 바꾸고 있다. 컴퓨터의 연산능력과 속도, 인터넷 연결성, AI와 머신러닝, 5G와 같은 기술 발전이 더욱 빨라지고 모든 것이 연결되는 세상의 중심이 자동차가 되면서 OEM은 제품 복잡성의 증가와 기술 변화의 가속, 경쟁 심화로 더 빠른 혁신을 이뤄야만 하게 됐다. 이런 대전환의 시대에 자동차와 부품을 제조하는 제조산업은 어떤 방향성을 갖고 R&D를 하고 혁신을 전개해야 할까. 

이에 대해 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어 코리아의 오병준 사장은 다음과 같이 말한다. “전기차 시장이 수요 중심이 되면 브랜드 간 경쟁으로 더 빨리 시장에 진출하고 고객의 니즈를 반영하는 OEM이 승자가 될 것입니다. 이를 기업 제조 전략 관점에서 본다면 ▶디지털트윈 ▶모델 기반 시스템 엔지니어링(MBSE) ▶스마트팩토리 ▶클라우드 플랫폼 등 디지털 전환에 중점을 둬야 한다는 것입니다.” 

디지털트윈은 매우 익숙한 용어다. 하지만 제품을 디자인, 시뮬레이션하는 수준에서 말하는 것이 아니다. 지멘스가 말하는 진정한 디지털트윈은, 제품의 개발, 생산, 생산 이후의 서비스까지 총체적인 접근이다. 이것을 포괄적인 디지털트윈(Comprehensive Digital Twin)이라고 부른다. 이런 것을 지원하는 기업은 지멘스가 유일하다.

“물리적인 개발, 테스트 시간을 절감함으로써 타임 투 마켓, 혁신 속도를 가속화하는 것, 더 많이, 더 빨리할 수 있는 것이 디지털트윈의 최대 가치입니다. 코로나 시대에 자동차 산업은 디지털트윈을 통해 사업체계를 더욱 강화할 수 있습니다.” 오 사장이 말했다. 

자동차 및 수송산업 전략부문 낸드 코하르(Nand Kochhar) 부사장은 “지멘스는 포괄적인 디지털트윈, 가상과 현실 세계의 클로스드 루프(Closed Loop)의 연결을 통해 제품의 설계와 생산, 서비스 활동을 끊임없이 최적화할 수 있고, 전 과정에서 수집한 데이터 및 분석 결과로 더욱 고객에 맞춤화된 차량을 빠르게 설계할 수 있습니다. 품질과 효율을 유지하면서 광범위한 제품군에 빠르게 대응할 수 있습니다”라고 말했다. 





MBSE는 디지털트윈을 제품개발 단계, R&D 혁신에 접목한 것이다. 이를 통해 제품 개발 초기에 모든 결함과 이슈를 찾아내고 최적화함으로써 생산 차원에서의 문제점을 최소화하고 리콜을 줄인다. MBSE는 뿐만 아니라 엔지니어링 차원에서 협업에 대한 혁신이다. 여러 회사에서 CAD, CAE, EDS, 하네스, E/E SW 개발 등이 사일로별로 진행되고, 부서 간 PLM을 통해 데이터를 공유하고 프로세스를 진행하고는 있지만, 현실은 다양한 툴, 데이터 포맷으로 인해 개발 속도, 효율성이 떨어지는 커다란 문제에 직면해 있다.  

오 사장은 “지멘스의 MBSE 플랫폼은 기존 MBSE의 모든 이슈를 엔드 투 엔드로 관리하고 모든 작업을 병렬로 진행할 수 있도록 최적화합니다. 진정한 MBSE로의 전환은 전기차 시장에서 고객사가 타임 투 마켓을 달성할 수 있도록 돕는 핵심 요소 중 하나입니다”라고 설명했다. 

디지털트윈, MBSE 등은 리콜에 대한 솔루션이면서 스마트팩토리에 대한 것이다. OEM은 자동차의 전자화 심화에 따라 리콜 문제로 수조 원의 손실을 입고 있다. 이런 품질 이슈를 최소화하기 위해서는 생산단계 이전부터 문제를 찾아내고 해결해야만 리콜을 줄이고, 타임 투 마켓을 당겨 비용을 최소화할 수 있다. 

코하르 부사장은 “이에 대한 솔루션이 지멘스의 ‘클로스드 루프 퀄리티(Closed Loop Quality)’ 개념입니다. 이는 비용과 생산 지시를 관장하는 ERP, 제품개발 사이클을 관리하는 PLM, 제품생산을 관리하는 MES, 품질에 대한 QMS, 그리고 IoT를 통해 모든 과정을 연결, 통합한 데이터 모델 하의 피드백 시스템입니다”라고 말했다. 





R&D와 생산 과정에서 애플리케이션의 중요성 또한 갈수록 높아지고 있다. 다양한 시스템들이 클로스드 루프에서 데이터를 주고받고, 프로세스가 통합되면서 단일 아키텍처, 패키지에서 적절한 애플리케이션 개발 없이는 엔드 유저의 요구사항을 빠르게 만족시킬 수 없게 됐다. 특히 과거의 애플리케이션 개발 방법론으로는 적시에 데이터와 애플리케이션을 제공할 수 없기 때문에, 지멘스는 로우코드 플랫폼을 제공해 제조업의 디지털 애플리케이션 환경을 조기에 구축하고 다양한 애플리케이션, 클라우드 환경을 쉽게 만들고 통합할 수 있게 하고 있다. 

클라우드는 이같은 디지털 애플리케이션, 디지털 전환에서 중대한 환경이다. 이는 기업이 직접 IT 투자를 했던 때보다 훨씬 더 많은 자원, 애플리케이션, 비즈니스 프로세스를 활용할 수 있게 할 뿐만 아니라 엔지니어링 소프트웨어도 제공한다. 

오 사장은 “지멘스의 제품을 떠나, 디지털 애플리케이션 아키텍처는 매우 중요합니다. 이는 비즈니스와 IT 유저들이 쉽게 협업할 수 있게 하고, 애플리케이션 개발 속도를 10배 빠르게 할 수 있습니다. 비용도 크게 절약합니다. 이런 것이 인더스트리 4.0 시대에 가장 중요한 인프라입니다”라고 말했다.

왜 지멘스인가. 지멘스가 고객의 기존 소프트웨어, IT 환경을 지원하는 개방적인 솔루션과 개인에 최적화된 디지털트윈 환경을 제공하기 때문이다. 이런 것을 통합적으로 제공하기 위한 지멘스의 브랜드가 바로 엑셀러레이터다. 고객의 모든 계층, 업무, 협업, 애플리케이션, IoT, 분석, 운영, 개발, 시뮬레이션 등 모든 것을 아우르는 솔루션의 집합체다.   


미래 자동차로 가속    
  
엑셀러레이터 포트폴리오는 디지털 사업의 기술 근간이며, 맞춤화를 통해 고객과 특정 산업의 요건을 충족하고 모든 기업의 디지털화를 지원한다. 

코하르 부사장은 “우리는 자동차 산업의 고객을 위한 구체적인 솔루션을 개발해 디지털화를 지원하고 있습니다. 자율주행차 개발(AVD)과 자동차의 전기화(VE)를 위한 디지털 스레드가 있고 소프트웨어 및 시스템 엔지니어링(SSE), 가속화된 제품 개발(APD), 스마트 제조(SM), IoT 및 분석(ITA)이 이를 지원합니다”라고 설명했다.  

예를 들어, 자율주행차 검증에서 가장 어려운 부분은 가능 시나리오가 너무 많다는 것이다. 또, 여기서 안전은 시장 진출을 위한 전제조건이지만, 차는 편안해야 대중 수용성을 확보하고 고객 이목을 끌 수 있다. 이것이 브랜드 평판을 높이는 핵심이다. 이런 점에서 엑셀러레이터와 지멘스의 심센터가 도움을 준다. 지멘스는 실리콘 칩부터 차량, 도시교통의 레벨까지 엔지니어링 전 분야에 걸쳐 전기, 자율주행 개발을 위한 연속적인 프레임워크를 제공한다. 시작은 Pre-silicon 확인과 검증부터다. 

“자율주행차에 있어 칩은 브랜드 차별화의 핵심입니다. 지멘스의 시뮬레이션과 에뮬레이션 환경을 통해 칩 레벨 설계가 자동차와 주행환경에 미치는 영향을 평가해 그 복잡성과 비용, 엄격한 적용 기준에 따른 기업의 미래 차량 플랫폼을 위한 맞춤형 시스템온칩을 개발할 수 있도록 합니다. 에너지 소모와 연산능력, 보안성, 기능안전성까지 최적화를 이룰 수 있습니다. 칩은 기능과 성능에 영향을 끼칠 수 있습니다. 칩 개발 초기에 기능적 요건을 충족하면, 칩 설계를 더욱 빠르게, 효과적으로 최적화할 수 있습니다.” 코하르 부사장이 설명했다.  





다음은 시스템과 차량 레벨에서의 확인과 검증이다. 예를 들어, 주행거리 극대화, 빠른 충전은 원활한 제조 운영을 통한 생산 효율화와 함께 모든 차량 제조사의 시장 점유율 확보의 필수 조건이다. 여기서 전통적인 OEM은 물론, 수십 년에 걸쳐 쌓을 수 있는 제조 전문성이 없는 스타트업에게 지멘스 솔루션은 여러 가지 장점을 제공한다.

코하르 부사장은 “예를 들어 배터리와 e파워트레인에서, 지멘스는 리튬이온 셀의 화학 분석에서부터 셀과 배터리 팩의 설계, 열 관리, 차량 통합까지 매끄러운 디지털 스레드를 제공합니다. e파워트레인에서 조합 가능한 종합 시뮬레이션 프레임워크를 제공해 엔지니어가 성능과 수명, 소음, 진동 등 다양한 문제를 최적화할 수 있게 합니다”라고 말했다. 

자율주행 부문에서는 포괄적인 디지털트윈 기반의 고충실도 센서, 차량, 환경 시뮬레이션으로 시스템 수준에서 자율주행을 위한 하드웨어와 소프트웨어의 안전성, 쾌적성을 보장하면서 개발 검증을 할 수 있도록 한다. 차량 주변을 인식하고 결정을 제어하는 시스템 역량을 최적화해 차량 안팎에서 안전성과 쾌적성을 개선한다. 이뿐만 아니라, 지멘스의 솔루션은 도시 수준에서 디지털트윈을 통해 여러 자율주행차, 플릿의 주행 시스템을 연결할 수도 있다. 지역적 특성을 고려한 대중교통과 공유 서비스, 보행자를 반영할 수 있다.  





“예를 들어, 모비스는 제한적인 개발 기간 내에 시스템 안전성과 쾌적성을 입증해야 했는데, 대량의 가상 시뮬레이션으로 이를 가속화했습니다. 수명 기간 중 알고리즘이 맞닥뜨릴 사례를 이용해 개발 프로세스를 앞당겼습니다. 엑셀러레이터 포트폴리오에 포함된 심센터 Prescan360 툴 체인을 이용해 설계, 검증 프로세스의 효율성을 높였습니다.” 코하르 부사장이 말했다. 


E/E 시스템의 개발  

지멘스 EDA의 버치키 이사가 보여준 스케이트카트 영상으로 돌아가면, 이런 미래의 비전에 필요한 통합을 실현하는 가장 최선의 방법은 바로 MBSE다. 지멘스는 전기 자율주행 시대의 E/E 아키텍처와 시스템 설계의 최적화, 개발을 위한 MBSE 프레임워크를 제공한다. 이는 유연한 개방 생태계로 ECAD와 MCAD를 독창적으로 결합하고, 심지어 EMI, 열 관리 등의 문제까지 모두 대응한다. 지멘스는 이처럼 자동차 속성 최적화에 있어 업계 최고의 1D, 3D, CFD 솔루션, 광범위한 테스트 포트폴리오 등을 제공해 목표를 쉽고, 빠르고, 완벽하게 달성할 수 있도록 돕는다. 게다가 제조 부분도 연계해 생산 이전 시뮬레이션으로 프로세스를 확인 검증해 제조 비용 효율성을 높인다. 

버치키 이사는 “지멘스의 MBSE는 제품 정의, 커넥티드 엔지니어링, 제품 확인과 검증, 통합 프로그램 계획과 실행, 품질 엔지니어링 등 핵심 분야를 포괄적 디지털트윈과 함께 활용해 높은 시너지를 발휘합니다. 이렇게 하면 개별 부분의 합보다 10배는 더 효율화할 수 있습니다”라고 말했다. 

▶제품 정의는 가상 도메인에서 여러 차원에 걸쳐 물리적 제품의 정의를 수립하는 1차 생성 단계다. 구체적인 설계, 시뮬레이션 모델, 다학제적인 모델을 통한 요건 사양, 인터페이스, 아키텍처 모델이 포함된다. ▶커넥티드 엔지니어링은 시스템 아키텍처 모델과 연결된 실시간 정보를 활용해 동작을 시뮬레이션하고 리스크와 영향, 장애를 파악하고 복잡한 시스템이 가진 문제를 해결한다. 추적 가능한 요소들을 포함한다. 엔지니어링은 제품 성능과 속성 반응의 균형을 평가해 제품 동작을 최적화한다. ▶제품 확인과 검증은 올바른 것을 만들고 있는지, 제대로 만들고 있는지에 대한 것이다. 사용자의 니즈를 충족하는지, 시스템 사양이 올바르게 적용됐는지를 말한다. 검증은 제품 개발 초기부터 연속적으로 진행된다. ▶통합 프로그램 계획과 실행을 위한 시스템적 접근은 시간뿐 아니라 비용과 자원 스케줄링, 기술적 요건까지 통합해 모든 프로그램 결과물을 관리한다. ▶품질 엔지니어링은 사용자의 위험, 보안, 신뢰성에 대한 것이다. 이 모든 단계가 자동으로 최적화된다.

모델 기반 접근은 추상성 수준과 상관없이 동일 데이터 세트를 활용한다. 이를 통해 차량 레벨에서 요구조건과 기능 복잡성, 구현을 관리해 기능적 구현에 관한 멀티 도메인 시뮬레이션과 검증을 실행한다.     

“예를 들어, 소프트웨어 효율과 자동차 무게는 전기차의 주행거리 성능에 직접적인 영향을 미치는데, 설계의 핵심 요소를 최적화하려면 각 분야에 동시다발적으로 미치는 영향을 이해해야 합니다. 지멘스는 제네러티브 엔진을 통해 설계 최적화 절차를 자동화해 많은 시간과 노력이 필요한 수작업을 제거했습니다. 기능은 아키텍처가 되고, 회로도는 물리적 하네스 설계가 되며, 통신 아키텍처는 소프트웨어 배정과 네트워크 구조로 만들어집니다.” 버치키 이사가 설명했다.  





코하르 부사장은 “테슬라는 12V 전기 시스템 설계를 위한 대안 솔루션을 검토하고 있었습니다. 강력한 전기 시스템의 구성과 제어, 와이어 하네스 분야 선도 공급사와 원활한 협력이 중요했는데, 생산이 증가함에 따라 하네스 공급사와의 데이터 교환이 더욱 중요했습니다. 여기서 테슬라는 엑셀러레이터에 포함된 강력한 전기 시스템 환경인 Capital 솔루션을 활용했습니다”라고 말했다. 

Capital은 지멘스의 E/E 시스템 개발 툴 스위트로 혁신적으로 복잡성을 해결한다. 시스템, 소프트웨어, 전기 간 분리된 프로세스가 아닌 완전한 디지털 스레드를 자연스럽게 구현한다. ECU 내부 AUTOSAR 기반 임베디드 소프트웨어 구현과 같은 요소도 지원한다. 또 제품 설계와 제조 프로세스를 유연하게 매핑한다. 

공정 계획을 생성하고 MCAD, ALM, PLM, ERP, MES, 시뮬레이션 시스템에 활용되는 비용 및 품질 보증, 폼보드 레이아웃, 업무 밸런싱, 작업 지시와 같은 리포트들도 생성한다. 모든 분야에서 생성된 데이터는 A/S에도 사용된다. 완벽한 디지털 스레드를 통해 자동으로 BOM을 불러와 전자 서비스 매뉴얼을 생성하고, 이를 딜러 네트워크에 쉽고 빠르게 전달할 수 있으며 진단 및 문제해결을 위한 상호적 환경을 조성한다. 

카 메이커는 전기, 자율주행의 시대에 고객의 니즈를 반영한 차량을 더욱 빨리 완성해야만 한다. 이런 요구에 따라 자동차의 설계는 더욱 복잡해지고 있다. 맞춤화 수준이 증가함에 따라 자동차의 복잡성, 설계와 생산 전략 간 시너지의 필요성도 증가했다. 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어는 디지털 세상에서 정확하게 자동차를 설계하고 시뮬레이션할 수 있는 개방형 디지털 솔루션을 제공한다. 엑셀러레이터의 포괄적인 포트폴리오를 통해 혁신을 가속하고 제품과 생산 운영의 정확한 디지털트윈을 생성해 스마트 제품과 스마트한 생산 운영의 복잡성을 관리할 수 있도록 돕는다.