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테크놀로지

ARM 저전력 리더십, 모바일 산업을 넘어 혁신을 만들다

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항상 켜져 있고(Always-On), 언제나 접속되어 있는(Always-Connected) 스마트 환경을 위한 필수, 저전력 기술

직장인 정인씨는 퇴근길 지하철에 오르자마자 제일 먼저 스마트폰을 꺼내 들었다. 이미 낮 시간 동안 소비한 전력 때문에 배터리의 잔량이 많이 남지 않았지만, 지루한 퇴근길에 스마트폰 게임을 포기하기란 쉽지 않은 일. 그런데, 친구가 세운 게임 스코어를 막 넘어서려는 순간, 방전되어 버린 스마트폰 배터리, 정인씨는 심한 허탈감에 애꿎은 스마트폰만 쳐다본다.”

 대학생 예진씨가 가방 속에 꼭 넣고 다니는 기기는 최근 구매한 태블릿 PC. 스마트폰보다 훨씬 넓은 화면에서 평소 즐겨보는 영화와 드라마를 언제 어디서든 볼 수 있다는 점이 태블릿의 매력이다. 하지만 꼭 챙겨야 하는 물건이 있다. 바로 충전 케이블. 시원한 화면과 빠른 성능은 만족스럽지만, 예상보다 빨리 닳는 배터리가 예진씨는 늘 아쉽다.”

스마트기기 시장의 최대 화두, 저전력

스마트폰, 태블릿 PC와 같이 이미 일상생활과 뗄래야 뗄 수 없는 모바일 기기에서 저전력은 단연 최고의 화두이다. 지난 해 휴대폰 전문 리서치회사인 마케팅인사이트가 스마트폰을 구매한지 6개월 된 사용자 5,351명을 대상으로 실시한 ‘휴대폰 배터리 만족도’ 조사 결과에 따르면, 58%의 응답자가 배터리 사용 시간에 불만을 가지고 있다고 답했으며, 특히 LTE(Long Term Evolution) 스마트폰을 사용하는 응답자들의 불만율은 62%로 높았다. 이러한 결과에서도 볼 수 있듯이, 항상 켜져 있고(Always-On), 언제나 접속되어 있는(Always-Connected) 스마트 환경을 구축하기 위해서는 전력의 효율을 극대화 하면서, 빠르고 높은 성능을 유지하거나 향상시키는 것이 가장 중요한 과제인 것.

시장조사기관 가트너(Gartner)의 지난 2월 발표에 따르면, 올해 세계 스마트폰 시장 규모는 2,396억 달러 규모에 이르면서 2,186억 달러인 전체 PC 시장 규모를 넘어설 전망이라고 한다. 지난 해 세계 스마트폰 시장 규모가 사상 처음으로 노트북 시장을 넘어선데 이어 PC 전체 시장을 위협하게 된 것이다. 게다가 스마트폰이나 태블릿 PC가 개인용 기본 컴퓨팅 디바이스로 자리잡으면서, 그에 따른 콘텐츠 생성과 소비 역시 기하급수적으로 증가하고 있다.

빅리틀 프로세싱 기술 도입 가속화

 최적 성능의 저전력 프로세서 기술 선도 기업 ARM은 빅리틀(big.LITTLE) 프로세싱 기술이 세계 유수의 모바일 칩 제조사들에 의해 채택됐다고 발표했다. 삼성전자와 르네사스 모바일(Renesas Mobile)은 이미 빅리틀 프로세싱 기술을 이용한 제품 개발 계획을 발표했고, CSR, 후지쯔 반도체(Fujitsu Semiconductor) 및 미디어텍(MediaTek) 등을 포함한 다섯 개 회사의 빅리틀 제품 개발 계획이 올해 안에 추가 공개될 예정이다.

ARM의 빅리틀 프로세싱은 일반적인 모바일 작업 환경에서 프로세서의 에너지 소비량을 최대 70%까지 낮출 수 있게 해주어, 2000년 이후 60배, 2008년 이후 12배로 성능이 향상되면서 콘텐츠 생성과 사용에 필요한 에너지 역시 급증하고 있는 스마트폰에 필수적인 기술이 되고 있다.

ARM의 사이먼 시거스(Simon Segars) 수석 부사장 겸 미주법인 사장은 “빅리틀 프로세서 기술은 ARM의 저전력 리더십을 토대로 높은 성능과 함께 에너지를 효율적으로 사용하는 프로세싱의 새로운 기준을 제시한다. 일반적인 작업 환경에서 프로세서의 에너지 소비를 최대 70%까지 줄임으로써, 빅리틀 기술은 사용자가 스마트폰 상에서 더 오랜 시간 동안 더 많은 작업을 수행할 수 있게 한다”며, “스마트폰과 태블릿이 사용자의 기본 컴퓨팅 디바이스로 계속해서 진화함에 따라, 파트너사들 역시 항상 켜져 있고(Always-On), 언제나 접속되어 있는(Always-Connected) 사용자 경험을 위한 혁신적인 솔루션을 제공하기 위해 꾸준히 ARM을 찾고 있다”고 말했다.

이미 태블릿 및 스마트폰 출하량이 PC를 넘어섰고, 2013년 십억 여대의 스마트폰 출시가 전망되고 있는 가운데, 스마트 모바일 디바이스의 폭발적인 성장이 예상되고 있다. 이와 함께 더욱 풍부한 모바일 경험을 원하고 있는 사용자들에게, 즉각적인 브라우징, 콘솔 수준의 게임, 수일간 지속되는 배터리 수명 등 이전에 불가능했던 경험을 가능하게 하는 것이 바로 빅리틀과 같은 저전력 기술이다.

ARM의 빅리틀 프로세싱 기술은 스마트폰 및 모바일 기기들의 다양한 요구조건을 만족시키는 SoC(시스템온칩) 개발을 가능하게 한다. 오늘날의 스마트폰은 고성능과 배터리 수명 모두를 만족시킬 수 있어야 한다. ARM의 빅리틀 기술은 ARM 프로세서 기반의 플랫폼에서 사용할 수 있는 다양한 종류의 어플리케이션과 완벽하게 호환되며, 모바일 디바이스의 성능을 폭넓게 향상시키는 동시에 에너지 효율성을 증가시킨다.

삼성전자 시스템 LSI 디바이스 솔루션 사업부 마케팅 담당 김태훈 상무는 “스마트폰과 태블릿이 사용자들의 기본적인 컴퓨팅 디바이스로 진화하고 있는 가운데, 업계 최초로 빅리틀 기반의 어플리케이션 프로세서를 탑재한 삼성의 엑시노스 5 옥타(Exynos 5 Octa)는 최적화된 전력소비와 함께 다양한 모바일 작업을 처리, 뛰어난 사용자 경험을 제공하면서 혁신을 주도할 것”이라고 말했다.

ARM Cortex A53 칩

 ARM 저전력 기술력의 상징, 빅리틀(big.LITTLE) 프로세싱

 ARM은 오늘날 폭증하고 있는 저전력에 대한 요구가 생겨나기 이전부터 프로세서 설계의 첫 번째 목표를 전력의 효율성을 향상시키는 것에 두고 지속적인 노력을 기울여 왔다. 그런 노력의 결과물로 나온 것이 빅리틀(big.LITTLE) 프로세싱 기술이다. 빅리틀 프로세싱은 상호 보완적 기능을 가진 두 개의 코어를 하나의 칩에 결합해 태스크(Task)가 필요로 하는 퍼포먼스에 따라 적합한 코어를 사용하는 기술이다. 즉, 게임, GPS와 같이 데이터 처리량이 많고 복잡한 태스크에는 고성능 코어를, 웹 브라우징이나 이메일 같이 상대적으로 간단한 태스크에는 저전력 코어를 사용하도록 하는 방식이다. 이는 제한된 배터리 환경의 모바일 기기에서 데이터 처리 능력을 최고 수준으로 끌어 올린 혁신적 기술로 프로세서의 에너지 소비량을 최대 70%까지 낮춰준다. 2013년 현재, 세계 유수의 모바일 칩 제조사들이 차세대 모바일 AP 설계를 위해 Cortex-A7과 Cortex-A15을 활용한 ARM의 빅리틀 기술을 도입하고 있으며, 이에 따라 2013년 모바일 업계의 키워드는 빅리틀이 될 것으로 많은 전문가들이 예상하고 있다.

지난 2월 스페인 바르셀로나에서 개최된 모바일 월드 콩그레스(Mobile World Congress) 2013은 빅리틀 프로세싱을 적용한 스마트 디바이스의 시대가 개막할 것임을 재확인할 수 있는 자리였다. ARM의 제임스 브루스(James Bruce) 수석 모바일 스트래티지스트(Lead Mobile Strategist)는 “올해 빅리틀 프로세싱이 적용된 첫 스마트폰 모델이 나올 것으로 예상되며, 2년 후에는 빅리틀 프로세싱이 적용된 스마트폰이 보편화될 것”이라고 말한 바 있다. 즉, 지난 해 스마트폰 업계의 화두가 쿼드코어(Quad-core) 프로세서로 대변되는 ‘고성능’이었다면, 올해는 성능뿐 아니라 ‘저전력’에도 중점을 둔 프로세서의 시대가 본격적으로 열리고 있음으로 풀이된다.

ARM Cortex-A50 시리즈와 함께 모바일을 넘어서는 저전력 리더십

빅리틀 프로세싱은 비단 모바일 기기에만 국한된 기술이라고 봐서는 안 된다. 지난 10월 발표된 ARMv8 아키텍처 기반 ARM® Cortex-A53 프로세서와 Cortex-A57 프로세서는 기존 32비트 프로세싱의 확장은 물론, 전력 효율이 높은 64비트 프로세싱 기술을 도입, ARM 파트너사들이 빅리틀 프로세서를 새로운 분야로 적용할 수 있는 길을 열었다. Cortex-A57 프로세서는 동일한 전력으로도 현존하는 최고 성능의 스마트폰보다 최대 3배의 성능을 제공할 수 있으며, 모바일의 전력 환경에서도 전통적인 PC에 근접한 컴퓨팅 성능을 제공한다. 또한, Cortex-A53은 1/4 수준의 전력 만으로도 오늘날의 슈퍼폰에서 누릴 수 있는 사용자 경험을 제공하는 저전력에 특화된 프로세서이다.

GPU컴퓨팅으로 저전력을 구현하는 ARM Mali GPU이처럼 ARM의 가장 진화된 고성능 애플리케이션 프로세서인 Cortex-A57과 전력 효율이 가장 크면서도 세계에서 가장 작은 64비트 프로세서인 Cortex-A53이 빅리틀 프로세서로 구성되었을 때, 미래 슈퍼폰을 포함한 모바일 분야는 물론 네트워킹, 서버, 심지어는 고성능 컴퓨팅 분야까지 ARM의 혁신이 영향을 미치게 될 것이다. 그리고 이런 혁신의 바탕에는 저전력에 특화된 ARM의 기술력이 단단한 뿌리 역할을 하고 있다.

저전력에 대한 요구는 GPU(그래픽 프로세서 유닛, Graphic Pro cessor Unit)로도 이어진다. 모바일 기기에서 게임을 하고, 고화질 영상을 보는 것이 보편화되면서 빠른 반응속도뿐 아니라 한층 높은 수준의 비주얼 컴퓨팅 역시 사용자들의 기기 선택에 중요한 요소로 작용하게 되었다. 이에 따라 탁월한 그래픽 성능으로 사용자들을 만족시키면서도 에너지 효율성이 돋보이는 GPU로서 ARM의 Mali가 시장에서 점차 두각을 보이고 있다.

Mali GPU의 가장 주목할 만한 특징은 ‘GPU 컴퓨팅’을 최초로 지원하는 프로세서라는 점이다. GPU 컴퓨팅이란 GPU가 그래픽 프로세싱의 역할만을 수행하던 것에서 벗어남을 의미한다. 즉, GPU 아키텍처에서 보다 효과적으로 활용될 수 있는 어플리케이션의 실행 시, 기존에 CPU를 통해 처리했던 태스크를 GPU 자체에서 바로 처리할 수 있도록 하여 에너지 효율성을 향상시키는 기술이라고 보면 된다. 특히 최근 발표된, Mali-T600 시리즈 GPU는 최적의 작업을 가장 효율적인 아키텍처에서 수행할 수 있게 해 스마트폰, 태블릿, 스마트 TV 등 하이엔드 디바이스에서 사진 편집 및 비디오 안정화 같은 기능의 구현을 가능하게 한다.

ARM  로드맵

저전력 리더십으로 사물간 인터넷의 토대를 만들다Mali GPU는 ARM Cortex-A 프로세서 시리즈와 동일한 SoC(시스템온칩)에 통합되도록 개발되었기 때문에, ARM은 이미 다양한 분야에 탑재되어 있는 Cortex-A 프로세서와 함께 보다 확장된 ARM의 에코시스템을 바탕으로 앞으로 소비자들의 선택의 폭이 더욱 넓어질 것으로 기대한다.

지금까지 업계를 선도하는 모바일 프로세서 전문 기업으로 잘 알려져 온 ARM은 저전력 리더십을 기반으로 이제 모바일을 넘어서 스마트 환경 구축 및 관련 업계 전반의 발전에 기여하고 있다. 그 일환 중 하나로, ARM은 C&WW(Cable & Wireless Worldwide), Neul 등 유무선 통신 기술 기업들과 함께 Weightless(www.weightless.org)라는 개방형 무선 기술 표준화에 주도적으로 참여하고 있다. ARM이 주요 회원사로 활약하고 있는 Weightless SIG(Special Interest Group)에 따르면, 사물간 인터넷(Internet of Things)의 진정한 구현을 위해서는 2달러 미만의 칩셋, 최대 10km의 반경제한, 10년간 지속 가능한 배터리라는 요건들이 갖추어져야 한다. 그렇기 때문에 수년간 쌓아온 저전력 리더십을 보유한 ARM이 이와 같은 요건을 담은 무선 기술 표준화에 앞장서고 있는 것이다.

오렌지(Orange)의 이브 메트르(Yves Maitre) 모바일 멀티미디어 및 디바이스 서비스 담당 수석 부사장은 “고객들의 모바일 인터넷 사용이 용이해지면서 데이터 사용량도 크게 증가하고 있다. 이와 함께, HD 콘텐츠 소비 및 멀티미디어 서비스 사용이 증가하고 있는 것은 물론, 새로운 커넥티드 경험이 등장하고 있다”고 말하며, “초고속 모바일 네트워크의 발전을 최대한 활용, 이동통신사와 디바이스 제조사들은 커넥티드 디바이스 시장에서의 성장을 지속하고 새로운 사용자 경험을 제공하기 위해 ARM의 Cortex 프로세서와 빅리틀 기술처럼 고성능과 에너지 효율성을 두루 갖춘 프로세싱 기술이 필요하다”고 설명했다.

또한 본 맥코넬(Von McConnell) 스프린트(Sprint) 이사는 “배터리 소비는 오늘날 스마트폰의 대중화와 함께 데이터 사용량이 기하급수적으로 증가하면서 중요한 요소로 자리잡았다. ARM의 Cortex 프로세서와 빅리틀 프로세싱은 스마트폰의 성능과 에너지 효율성 증가를 돕는 무한한 잠재력을 갖추고 있다”고 말했다.

아이씨엔 오승모 기자 oseam@icnweb.co.kr

 

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TSN; A Milestone for Industry

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The proven communications standard Ethernet has been optimized through the addition of quality-of-service mechanisms. Various new IEEE standards will enable Ethernet to reliably transmit several protocols (including real-time-capable ones) in parallel within predefined maximum time limits. Industrial users and car manufacturer are already getting ready to employ it.

The steel arms move perfectly in step with one another and wave their grippers at the viewer. Not even the minutest delay is noticeable when the two industrial robots perform their graceful machine ballet. This perfect coordination is due to a technology that is currently ushering in a new era of industrial communication: Time-Sensitive Networking (TSN).

For the past 40 years or so, Ethernet has been the undisputed leader when it comes to the transmission of digital data through cables. Siemens has been there from the very beginning and even launched the first Industrial Ethernet network on the market: SINEC H1. As a result, Ethernet was not only used in offices but also, in particular, in industrial manufacturing. However, the standard had a problem from the very start – it could not guarantee that the data packets transmitted by the sender would arrive at the recipient within a certain amount of time. This is an unacceptable situation for industrial controllers – after all, sensor measurements and control signals musn’t take too long to arrive at their destination if a machine is to operate reliably. They need real-time communication within milliseconds – a task for which Ethernet was not originally conceived.

An important development: In the future, everything will build on Ethernet with TSN and can be operated in parallel as required.

An important development: In the future, everything will build on Ethernet with TSN and can be operated in parallel as required. (@siemens)

That’s why users who want real-time communication via Ethernet need to employ technological extensions such as the widespread Profinet standard. In machines, for example, this standard connects sensors, actuators, and drives to the central controller by adding real-time data transfer capabilities to Ethernet, enabling applications up to and including the precise control of servo drives. “However, to do that you generally need special hardware components inside the connected devices,” explains Matthias Gärtner, Head of System Management at the Simatic Controller unit of Siemens. “Moreover, the various real-time Industrial Ethernet solutions cannot be run in parallel on the same Ethernet network.”

TSN will enable all data – including real-time information – to be transmitted through a single network in effect simultaneously.

This problem will soon be a thing of the past, because the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), which is responsible for standardizing various systems, has extended Ethernet by adding the urgently needed mechanisms for real-time communication. These include time-controlled transmission, synchronization, and bandwidth reservation. In this way, the IEEE is improving the quality of service by means of TSN. This will enable Ethernet to supply the same time information to all of the connected devices that support these extended standards. As a result, the entire network will be precisely synchronized. In addition, reservation protocols ensure that the data packets are transmitted from the sender to the destination via all the intervening switches according to a predefined timetable. The TSN standards also take into account the topology of the network in question – i.e. whether the network is arranged in the form of a star, a ring, or a line and the number of switches between the sender and the recipient. Moreover, the standards also include seamless redundancy processes.

Attractive for the entire industry: In addition to real time-capable communication within machines, communication between machines can now also happen in real time, improving throughput in the entire plant system.

Attractive for the entire industry: In addition to real time-capable communication within machines, communication between machines can now also happen in real time, improving throughput in the entire plant system. (@siemens)

A Single Network for All Data
“It’s a historic moment for Ethernet,” says Gärtner. “In the future, it will be possible to use standard hardware components for Profinet and other real-time industrial communication protocols that are based on TSN. This will enable all data – including real-time information – to be transmitted through a single network in effect simultaneously.” Users will automatically benefit from the steadily increasing bandwidth of standard Ethernet, which will be needed more and more as a result of the increasing IP connectivity of the automation systems. It will also make communication more robust because the switching resources in the TSN switches are firmly reserved for the requested real-time communication needs so that information can no longer be lost due to buffer overflows, for example.

In addition to a rising demand for real-time-capable communication in machines via Profinet, there is also a growing demand for deterministic (i.e. predetermined) data exchange between different machines. Examples include cooperative robots that simultaneously work on the same work piece and so need to precisely coordinate their movements with one another. The OPC UA standard with the PubSub (Publish/Subscribe) extension has now established itself in this area. It can also employ Ethernet with TSN as its transmission medium. “I expect Ethernet with TSN to be introduced into the entire industrial manufacturing process,” says Gärtner. “But that’s not all. Car manufacturer also want to use the new standard to transmit the large amounts of data from reversing cameras within vehicles, for example, or to make autonomous driving possible, which won’t be achievable without onboard networks that incorporate quality-of-service mechanisms.” The time for this has now come. The first TSN components are now being launched on the market and Siemens will use actual TSN products to demonstrate deterministic machine-to-machine communication over OPC UA PubSub at Hannover Messe 2018. These products will be purchasable at the end of the year, when Ethernet with TSN will have finally arrived in the modern world of digitalization and “Industrie 4.0”.

more info at http://www.siemens.com/tsn

 

 

[Box]

Interview about TSN: “Ideally Prepared for the Future”

 

Siemens is one of the driving forces behind the development of Ethernet with TSN. Sven Gottwald, Head of System and Vertical Management for Industrial Communication and Identification, explains how the application of the new standard benefits users.

Why is Ethernet with TSN such an important development?

Because it means that we no longer need different Industrial Ethernet solutions for deterministic communication in industry. In the future, they will all run on the widely used Ethernet with TSN and can do so in parallel without restrictions. This includes Profinet, OPC UA PubSub, and all other TCP/IP-based protocols. This convergence is a huge benefit for industrial users, because it enables all types of data to be transmitted through a single physical network in which time-sensitive information always has precedence so that it reliably arrives on time. That’s precisely what companies need in order to fully exploit the potential of digitalization and “Industrie 4.0”.

How does Ethernet with TSN regulate the “timetable” for the data?

The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), which is responsible for the standardization, provides two options for this: It’s either done by a central unit or the connected devices negotiate it among themselves. As a member of the “Labs Network Industrie 4.0” (LNI4.0) testbed, Siemens prefers the second option because the use of a central unit requires extensive reconfiguration every time a change occurs in the network. However, if the system configures itself, it’s easy to integrate new devices. That’s why we talk of “Plug & Work”-capable networks, which greatly benefit our customers.

What is Siemens doing with regard to Ethernet with TSN?

The entire automation industry is working hard on this topic of course. However, Siemens is certainly one of the leading companies in this area. We are actively involved in all of the major standardization bodies, such as the IEEE, the IEC, the OPC-F, and the PI. We also supply the editor for some of the TSN IEEE standards.

The first TSN products will start shipping before the year is out. That’s why our customers are ideally prepared for the digital future with Siemens.

 

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Faster time-to-market with a digital twin

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Faster time-to-market with a digital twin

New machines for the innovation-driven electronics industry have to be developed and put into operation very quickly. Chinese company Bozhon has joined forces with Siemens to do just that.

Streaming the latest episode of your favorite TV series on the train is no longer a vision of the future, it’s a daily reality. The latest apparel, books, or even food: Today nearly everything can be purchased with a tap of your finger on your smartphone. Consumers expect new products to be delivered at once, to be of the highest quality, and include the most recent technology. That goes for smartphones, too: users expect them to constantly have the very latest technology, and frequently buy a new replacement model after just a short period of time.

A secretive industry with short production cycles
If companies in the high-tech and electronics industry want to meet the strong competitive pressures, they have to keep their innovation and production cycles as short as possible in order to bring out new products faster than their competitors. It is also important to keep the competition from learning about your operations, because every detail about the machines used allows conclusions to be drawn about production. The short product and innovation cycles in the electronics industry also place a tremendous amount of time pressure on machine manufacturers. They are expected to deliver high-precision machines for manufacturing the new models – and they have to do so as quickly as possible while maintaining absolute secrecy. Fast engineering is required, as are fault-free machines. One company that can hold its own in this difficult market and is highly familiar with challenges faced by its customers is Chinese machine manufacturer Bozhon Precision Industry Technology Co.Ltd. Bozhon worked with Siemens on one of its many current projects that included the development of a digital twin.

The project Bozhon and Siemens had in mind sounded a little unusual at first: In the lead-up to the Hannover Messe, in Germany Siemens created a digital twin for a machine that was being manufactured concurrently in China. It involved an assembly cell with robot arms, and it was used at the trade show to demonstrate how the front and back of a cell phone housing are joined together.

Faster time-to-market with a digital twin

Faster time-to-market with a digital twin (@siemens)

Virtual commissioning saves a great deal of time
Bozhon’s objective: to achieve up to 30% in time savings by improving engineering efficiency accelerate the development, delivery, and commissioning of new machines at the customer site. To simulate the desired end product, a virtual 3D model of the planned machine was created, including an interface with the open, cloud-based IoT operating system MindSphere. This enabled data to be recorded and analyzed during subsequent operations and in this way to facilitate actions such as predictive maintenance and power optimization.

The digital twin was a fully detailed representation of the actual prospective machine that would allow its sequences of movement to be simulated. The outcome: the entire value chain was comprehensively represented, tested, and optimized in digital form, from product design through planning and designing the machine itself, all the way to the production process and performance. For Bozhon the development of a digital twin was the right course to pursue, as Karl Chen, CMO of Bozhon, explains: “The development of a digital twin enabled us to meet the demand for simulations. We expect digital twins to include more functions in the future and therefore further enhance companies’ long-term competitiveness.”

While the developers were working step-by-step to simulate the machine using the digital twin while also completing a virtual commissioning process, the real machine was being manufactured at the same time in China. Fast development and commissioning of machines creates a crucial advantage for machine manufacturers in their race against the competition – and the digital twin puts them a step ahead.

 

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Twins with potential

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Bausch + Ströbel plans to make engineering at least 30 percent more efficient by 2020

The digital twin has long since established itself in industry, where it’s revolutionizing processes along the entire value chain. As a virtual representation of a product, production process, or performance, it enables the individual process stages to be seamlessly linked. This creates a consistent improvement in efficiency, minimizes failure rates, shortens development cycles, and opens up new business opportunities: In other words, it creates a lasting competitive edge.

The foundations of Industry 4.0
For these very reasons, IT analysis and market research institute Gartner expects half of all major industrial companies to be using digital twins by 2021, increasing their effectiveness by ten percent (link to the whole study can be found in the related link section). To leverage the full potential of the digital twin, however, real systems in the future don’t just need to be networked with each other: They also need to develop the ability to “think” and act autonomously. Development is trending in the direction of artificial intelligence, from simple mutual perception and interaction to communication and independent optimization. This also requires integrated information systems that permit a continuous exchange of information.

Developing digital twins calls for powerful software systems that can implement them along the whole value chain – for planning and designing products, machines, and plants and operating products and production systems. This allows users to act much more flexibly and efficiently and to customize their manufacturing.

A lean team of young engineers at Electra Meccanica designed, simulated, and manufactured its new electric car in only two years, thanks to the digital twin

A lean team of young engineers at Electra Meccanica designed, simulated, and manufactured its new electric car in only two years, thanks to the digital twin (@siemens)

Overview of benefits
The digital twin of the product is created as early as the definition and design stage of a planned product. This allows engineers to simulate and validate product properties depending on the respective requirements: for example, is the product stable, and is it intuitive to use? Does the car bodywork offer the lowest possible air resistance? Do the electronics operate reliably? Whether it involves mechanics, electronics, software, or system performance, the digital twin can be used to test and optimize all of these elements in advance.
The same applies to the digital twin of production. It involves every aspect, from the machines and plant controllers to entire production lines in the virtual environment. This simulation process can be used to optimize production in advance with PLC code generation and virtual commissioning. As a result, sources of error or failure can be identified and prevented before actual operation begins. This saves time and lays the groundwork for customized mass production, because even highly complex production routes can be calculated, tested, and programmed with minimal cost and effort in a very short time.

In turn, the digital twin of performance is constantly fed with operational data from products or the production plant. This allows information like status data from machines and energy consumption data from manufacturing systems to be constantly monitored. In turn, this makes it possible to perform predictive maintenance to prevent downtime and optimize energy consumption. And some companies use data-driven services to develop new business models, as shown in the example of mechanical engineering firm Heller. At the same time, data-driven knowledge about systems like MindSphere – the open, Cloud-based IoT operating system from Siemens – can be fed back into the entire value chain all the way to the product system. This generates a completely closed decision-making loop for the continuous optimization process.

Virtual commissioning saves a great deal of time for the chinese electronics company Bozhon

Virtual commissioning saves a great deal of time for the chinese electronics company Bozhon (@siemens)

Comprehensive range of products and services
The Siemens Digital Enterprise Suite offers perfectly coordinated and integrated software and automation solutions to create a comprehensive approach: A central data platform is used to digitalize industry’s entire value-added process. Intelligent industrial communication networks provide for simple data exchanges within the different production modules and collect operational data on an ongoing basis.

The Defense-in-Depth strategy from Siemens ensures that companies are positioned to deal with growing industrial security requirements, and that industrial plants are effectively protected from both internal and external attacks. Standard-compliant security mechanisms – from password protection to continuous security monitoring – provide reliable and customized protection for the digital factory.

MindSphere also serves as a platform for developing new digital business models for industrial companies, and it completes the Siemens portfolio of data-driven digital services for the industrial environment. It offers state-of-the-art security functions for data acquisition in the field and for transferring and storing this data in the cloud.

Initial achievements
With the Siemens Digital Enterprise Suite, customers can begin investing today in future-proof solutions for the step-by-step implementation of Industrie 4.0. For example, special-purpose machine manufacturer Bausch + Ströbel uses digitalization as a key to consistency in its engineering. The company is expecting an increase in efficiency of at least 30 percent by 2020 thanks to the time saved during engineering alone.

Likewise, Schunk – the world market leader in clamping technology and gripping systems – is already using digitalization solutions for its electrically controlled gripping system components. This new engineering process will lead to significantly shorter project timelines, faster commissioning, and a substantial increase in efficiency when building similar plants.

Bausch + Ströbel plans to make engineering at least 30 percent more efficient by 2020

Bausch + Ströbel plans to make engineering at least 30 percent more efficient by 2020 (@siemens)

On every level
Networking machines with each other and with higher-level systems enables resources and production data to be centrally managed. This ensures cost benefits in procurement and operation, – meaning that order data is available throughout the entire company, and it’s possible to identify optimal strategies for allocating orders to the various production sites within the organization. In addition, material stock, logistics processes, and tool availability can be seen at a glance and efficiently coordinated.

Thanks to improved documentation of manufacturing processes and production parameters, the potential offered by the digital twin in the area of quality management is just as exciting. If manufacturers know exactly what component has been installed, with what features, in what products, and how it was installed, they can provide a targeted response to potential problems and optimize their processes. In its Simatic production facility in Amberg, Germany, Siemens is already using a comprehensive documentation and evaluation system and has achieved an extremely low error rate in production.

And in the process industry, too, the digital twin is ensuring greater efficiency and productivity: With the step from Integrated Engineering to Integrated Operations, Siemens enables companies in the process industry to build a comprehensive data model from plant engineering to operation. In this field as well, digitalization ensures a shorter time to market, greater flexibility, and increased efficiency. This gives companies the opportunity to respond successfully to the volatility and diversity of global markets and to increase their productivity as well as energy and resource efficiency.

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