Het integreren van componenten tot een complexe machine kan doorgaans pas als deze af zijn. Als dat eerder zou kunnen, betekent dat een kortere ontwikkeltijd. TUE-promovendus Niels Braspenning onderzocht bij ASML of dit via computersimulaties kan. Inderdaad zijn integratieproblemen eerder op te sporen.
De ontwikkeling van een complex systeem bestaat vaak uit twee trajecten; het ontwerpen en bouwen van de componenten en vervolgens het integreren en testen ervan. Met het tweede deel kan meestal pas worden begonnen als het eerste deel af is. Maar tijd is geld en een snelle marktintroductie kan concurrentievoordeel opleveren. Dus is het aantrekkelijk als een systeembouwer alvast met deel twee kan beginnen als deel een nog loopt.
ASML is zo‘n systeemontwikkelaar. De chipmachinebouwer speelt in een concurrentiegevoelige markt, dus het verkorten van de ontwikkeltijd is altijd aantrekkelijk. Daarom zette de chipmachinemaker samen met het Embedded Systems Institute een project op poten om dat idee te verkennen. Binnen het Tangram-programma werkte TU Eindhoven-promovendus Niels Braspenning aan methoden en gereedschappen om componenten buiten en in de loop te simuleren. ’Daarmee kun je eerder integreren en testen en al in een vroeg stadium problemen vinden. De kosten om te repareren liggen dan veel lager‘, vertelt Braspenning.
Alhoewel ontwerpers steeds vaker modellen gebruiken voor het maken van een systeemdesign, is de insteek voor modelgebaseerd integreren en testen net iets anders. ’De modellen moeten niet weergeven zoals het zou moeten zijn, maar zoals het werkelijk is‘, omschrijft Braspenning. ’Dan zitten er dus ook de eventuele integratieproblemen in.‘ Een modelmaker moet dus een beetje de andere richting op werken, niet top-down maar bottom-up.
Mooi weer
Essentieel is om formele modellen te gebruiken. ’Van alles wat je opschrijft moet precies bekend zijn wat het is‘, legt Braspenning uit. Daarvoor moet de onderliggende modelleertaal formeel zijn. ’Als je een formele taal gebruikt, is het modelleerproces verder hetzelfde als met elke andere taal. Aan de universiteiten worden verschillende van dit soort talen ontwikkeld. Ik gebruikte het in Eindhoven ontwikkelde Chi.‘
De volgende stap was om de modellen samen te laten werken met elkaar en met de werkelijke wereld. Daarvoor werkte de promovendus aan de benodigde middleware, gebaseerd op een prototype van de universiteit. ’We werken via een publish-subscribe-infrastructuur. Daarbij publiceert een component zijn data of is geabonneerd op de gegevens van een ander component. Daardoor kan je componenten ontkoppelen‘, legt Braspenning uit.
Om dit volledig werkend te krijgen moest Braspenning een toevoeging aanbrengen; echte tijd. Een gesimuleerde vertraging past de tijdparameter gewoon aan, maar als dat samenwerkt met echte hardware loopt dat spaak. ’Ik heb hiervoor een realtime simulator voor Chi-modellen gebruikt. Dus bij een delay van tien seconden pauzeert de simulatie deze tijd ook daadwerkelijk.‘
ASML‘s nieuwe EUV-machine diende als testcase voor Braspennings vindingen. In de praktijk bleek dat de modelgebaseerde aanpak nuttige resultaten kan opleveren. ’Alleen al door het gedrag formeel op te schrijven loop je tijdens het ontwerpen van de componenten tegen vragen aan in het systeemdesign. De onvolkomenheden op dit hogere niveau komen dus vroeger aan het licht en deze kun je relatief goedkoop oplossen in je ontwerp‘, zegt Braspenning.
De volgende stap was om echt te gaan simuleren met de modellen. ’We hebben een aantal scenario‘s opgesteld en zijn daarmee aan de slag gegaan‘, zegt Braspenning. Ook gebruikten ze een modelchecker. ’Die analyseert alle mogelijke executies van het systeem, dus niet alleen het scenario waarin alles gaat zoals het hoort, de mooi-weer-situatie, maar ook zoals het niet hoort, het slecht-weer-scenario. Dat gaat dus net een stap verder dan simulatie. Er zijn allerlei mogelijkheden waarop die componenten met elkaar kunnen samenwerken, die vind je niet allemaal met simulatie.‘ In beide stappen kwamen er weer onvolkomenheden bovendrijven, met name in de interactie tussen de componenten.
De lakmoestest kwam met de koppeling naar de echte wereld. Braspenning toog twintig weken voor de levering met een laptop naar de leverancier van de EUV-lichtbron. ’Via een model van het vacuümsysteem hebben we de interactie met de echte lichtbron getest‘, vertelt Braspenning. ’Eigenlijk waren we dus al twintig weken eerder bezig met de integratie.‘ Dit leverde mooie resultaten op. ’Door de tests kwamen weer onvolkomenheden naar boven. Een ervan was zelfs vrij ernstig, dit heeft waarschijnlijk een paar dagen cleanroomtijd uitgespaard.‘
Support
Dat deze aanpak werkt, is dus duidelijk. Maar betaalt het zich ook terug? Het kost natuurlijk wel het een en ander om het systeem te modelleren. Daarom keek Braspenning samen met collega-aio Roel Boumen naar de kosten en baten van de methode. ’We hebben samen een kwantitatieve analyse opgesteld. Daaruit komt naar voren dat het de ene keer wel nuttig zal zijn, de andere keer niet. Vooral bij componenten die een hoge mate van integratie vergen, kan modelgebaseerd integreren en testen winst opleveren.‘
Het Tangram-project was bij zijn aanvang vrij experimenteel, omdat het academisch onderzoek direct toepast in een industriële omgeving. Voor Braspenning was dat juist aantrekkelijk. ’Toen ik ervoor koos om te promoveren was wel een van mijn voorwaarden dat het ook een praktisch aspect moest hebben. Ik was ook al afgestudeerd bij ASML, dus Tangram kwam voor mij op het juiste moment.‘ In de praktijk ervoer hij zowel voor- als nadelen. ’Het is leuk om daadwerkelijk met echte systemen bezig te zijn. Maar mensen hebben het erg druk want het component moet wel af. In het begin waren ze daarom wel eens sceptisch, maar toen ze resultaten zagen werden ze steeds enthousiaster.‘
Vanaf januari is Braspenning aan de slag bij ASML om deze toepasbaarheid verder in kaart te brengen. ’Het idee is een aantal cases te doen.‘ Ook zijn de tools nu nog experimenteel. ’De taal en gereedschappen die ik gebruikte zijn prototypes van de universiteiten. Die zijn prima maar support en dergelijke zijn niet commercieel. Daar gaan we dus ook naar kijken.‘