チップからシステムまでのスマートマニュファクチュアリングを推進

シミュレーションと半導体が、舞台裏から製造現場に至るまで、製造業をどのように進化させ、インテリジェントなワークフロー、設備、製品を通じて産業を変革しているかをご紹介します。

製造業が、より迅速かつスマートに、しかも生産中断を最小限に抑えつつ、稼働できるとしたら何が起こるでしょうか。工場が新たな需要に迅速に適応し、人とロボットがシームレスに協力し、さらにはプロセスがリアルタイムで改善される世界を想像してみてください。

このビジョンは、人工知能（AI）を活用したソリューション、産業用IoT（IIoT）デバイス（センサーなど）、および5G接続を通じてイノベーションを牽引する半導体によって現実のものとなります。

スマートマニュファクチュアリングを『スマート』にするものとは

従来の工場では、不正確さ、遅延、予測不可能な設備トラブルなどの課題に直面していますが、効率性、スピード、先見性を提供するスマートマニュファクチュアリングを導入することで、こうした課題を克服することができます。スマートマニュファクチュアリングとは何でしょうか。CESMII（スマートマニュファクチュアリング研究所）では、これを「工場やプラント内、さらにはバリューチェーン全体でビジネス／デジタル／物理システムを調整するための効率的かつ協調的なアプローチ」と定義しています。

高度なセンサーとデータ駆動型のプロセスにより、工場やプラントはもはや事後対応型ではなく、適切な情報に基づき、相互に連携しながら、先手を打った対応が可能となり、継続的な改善を図ることができます。自動化によって日常業務を管理しつつ、意思決定モデルによって固有の問題に迅速に対処することもできます。従来の工場は、スマートマニュファクチュアリングを導入することで、スマートファクトリーへと進化し、今日の変化し続ける市場の需要に対応できる体制を整えることができます。

スマートファクトリーは、相互接続された機械、ネットワーク、および最新技術に支えられています。例として、AI/ML、IIoTセンサー、クラウドコンピューティングなどが挙げられます。これらのツールは、情報収集、データの高速転送、ワークフローの改善を実現しますが、多くの場合、自動化やロボット技術と連動して機能します。

付加製造技術は通常、自動化技術として分類されることはありませんが、3Dプリンティングは多くのスマートマニュファクチュアリング環境で重要な役割を果たし、設計と製造の効率化、生産時間の短縮、迅速なプロトタイピングを実現するだけでなく、コストの低減と複雑な部品の製造も支援します。

Deloitte社が大手メーカー600社を対象にして実施した「2025年スマートマニュファクチュアリングおよびオペレーション調査」では、メーカーがスマートマニュファクチュアリングプロセスを導入するために、センサー、自動化、AIなどの技術に投資していることが明らかになっています。今後2年間の最優先目標を1つまたは2つ挙げてもらったところ、41％が工場自動化機器、34％がアクティブセンサー、28％がビジョンシステムへの投資を計画していると回答しました。

スマートマニュファクチュアリングの基盤を探る

スマートマニュファクチュアリングの成功を支えるものは何でしょうか。それは、適切な基盤、すなわちスマートインフラです。スマートマニュファクチュアリングでは、ハードウェアとソフトウェアを活用して、生産ラインをできる限り中断なく維持し、問題発生の可能性を低減することができます。

たとえば、多くのスマートマニュファクチュアリングデバイスはモノのインターネット（IoT）ネットワークに接続されており、IIoT（産業用IoT）によって、産業用の物理的な資産がデジタルシステムにリンクすることで、データ駆動型の意思決定が可能になります。このシステムは、インフラに組み込まれたセンサーからデータを収集することで、最適化を実行し、望ましい結果を達成するとともに、予測分析を用いて潜在的な問題を特定します。

シミュレーションとデジタルツインは、物理的な資産やプロセスの監視、分析、テストを行うための仮想環境を提供することで、IoTセンサーをサポートします。しかし、IoTセンサーはデータの検出、処理、共有において半導体に依存します。また、システムオンチップ（SoC）の一種であるマイクロコントローラーに加えて、中央処理装置（CPU）やグラフィックスプロセッシングユニット（GPU）などのマイクロプロセッサも、半導体を使用してセンサー信号を解釈します。

IoTセンサーがリアルタイムで収集するデータは、物理的な資産を統合的に仮想表現した「デジタルツイン」に取り込むことができます。これにより、物理的なシステムに影響を与えることなく、リアルタイムの監視、予知保全、what-if解析によるシナリオテスト、および性能の最適化を実現することができます。

AI/MLアルゴリズムは、データパターンの特定、プロセスの最適化、欠陥の防止、メンテナンスの必要性の予測を行い、スマートマニュファクチュアリングとスマートインフラで重要な役割を果たします。また、クラウドベースのサーバー上にIoTセンサーデータを保存し、処理する手助けもします。クラウドシステムは、自動化、解析、高度な通信技術（5Gなど）をサポートし、遅延の低減と帯域幅の拡大を実現します。

Deloitte社の報告書によると、メーカーの57%が施設またはネットワークレベルでクラウドコンピューティングを利用し、同じく57%がデータ分析を導入しているほか、46%がIIoTソリューションを統合し、42%が5G接続を採用しています。

最適なソリューションを見つける

Synopsysのエンジニアリングソリューションは、初期のチップ設計から製造現場に至るまで、個々のコンポーネントとシステム全体の両方に対応しています。しかし、スマートマニュファクチュアリングプロセスを支える半導体は、適切に設計および製造しなければなりません。

電子設計自動化（EDA）ツールは、チップの設計、検証、およびシリコンライフサイクルマネジメント（SLM）において極めて重要な役割を果たします。たとえば、Synopsysの3DIC Compilerプラットフォームは、2.5Dおよび3Dマルチダイ設計をサポートしています。高度なチップ設計は、複雑なデータ処理、高速通信、および自動化をサポートし、インダストリー5.0の基本的な要素であるリアルタイム解析およびカスタマイズを実現します。

インダストリー4.0では技術と自動化に焦点を当てていましたが、インダストリー5.0では、その技術と人の関係を重視しています。欧州委員会では、インダストリー5.0をインダストリー4.0よりも広範なものと位置づけており、持続可能性、人間中心主義、レジリエンスの3つの柱を強調しています。

半導体は、カスタマイズされた産業用機械およびプロセスに必要な情報を生み出す大量のセンサーデータを処理することで、それぞれの柱、特に人間中心主義を支えています。半導体が支えているものとしては、特定のニーズに対応するスマート制御システムや、独自の用途向けのハードウェアなども挙げられます。

マルチフィジックスシミュレーションは、半導体業界を含む幅広い業界の設計と製造をサポートします。たとえば、チップからシステムまでカバーする電磁界シミュレーションプラットフォームAnsys HFSS-ICでは、異種集積回路（IC）からシステムに至る設計のシグナル／パワーインテグリティを解析することで、設計の初期段階での知見獲得と、サインオフ精度の向上を図り、ファウンドリ認証済みの設計を市場投入するまでの時間を短縮することができます。

同様に、モデルベースシステムズエンジニアリング（MBSE）やモデルベースプロセスエンジニアリング（MBPE）などのシミュレーション技術を統合することで、スタンピング、鋳造、成形から、混合、瓶詰め、包装に至る製造プロセスを改善することができます。

包装・瓶詰めラインシステムの主要メーカーであるKrones社は、先ごろ、GPUネイティブの流体シミュレーションソフトウェアAnsys Fluentを含むSynopsysのソリューションを利用して、仮想組み立てラインを構築することで、廃棄物を削減するとともに、シミュレーションサイクルを3～4時間から5分未満まで短縮することができました。この取り組みは、Synopsys、業界のリーダー企業、およびAnsys ApexチャネルパートナーであるCADFEM Germany社をはじめとする戦略的パートナーの支援を受けて実施されました。

マルチフィジックスシミュレーションは、力学から流体力学、電磁気学、材料科学まで、あらゆる物理学分野を網羅し、製造プロセスの改良と物理的なプロトタイプへの依存度の低減に貢献します。マルチフィジックスシミュレーション以外の分野では、Ansysのデジタルツインソリューションによって、AI/MLを統合し、製造プロセスをさらに詳細に検証できるほか、Ansysの付加製造技術ソリューションによって、3Dプリント部品の応力や欠陥を評価することができます。

エネルギー効率に優れたソリューションを提供する大手企業Danfoss社の子会社であるDanfoss Drives社では、Ansys, part of Synopsysのシミュレーションソリューションとインダストリー5.0のテクノロジーを統合し、主力製品である交流（AC）ドライブの生産を最適化しています。同社はAI/ML、デジタルツイン、Pythonベースのツールなどのシミュレーションソリューションを活用することで、シミュレーションの利用を広く開放し、物理的なプロトタイプの削減、コスト削減、時間短縮に取り組むと同時に、持続可能性の推進に貢献しています。

Danfoss Drives社の仮想設計、テスト、最適化担当責任者であるMichael Laursen氏は次のように述べています。「これまでは、非常に初期のもの、エンジニアが作業に使用するもの、製造および試作用のもの、そして最終版の計4つのプロトタイプを作成していましたが、Ansysのシミュレーションとデジタルツインモデルを導入して、そのうちの1つのプロトタイプを削減したところ、開発期間を6～9ヵ月短縮し、費用を大幅に節約することができました。時間は非常に重要ですが、初期プロトタイプのコストも無視できません。」

今すぐ製造プロセスを進化させましょう

Synopsysのエンジニアリングソリューションは、シリコンからシステムに至るまで、イノベーション、運用、パフォーマンスを向上させる先進的なデジタルツールをスマートファクトリーに提供します。

Synopsysが革新的なソリューションによって産業プロセスや装置をどのようにサポートしているかをご覧ください。また、e-book 『デジタルエンジニアリングを活用した産業プロセスと製造の最適化』もぜひご覧ください。