2a.6 物理制約のトレードオフ設計
2a.6 Trade-off Design for Physical Constraints
📘 概要｜Overview
本節では、SystemDKにおける複数の物理制約（熱・電気・機械・EMIなど）を同時に考慮した
トレードオフ設計（Constraint Trade-off Design）の基本指針を解説します。
This section explains basic principles of constraint trade-off design,
which addresses multiple physical domains (thermal, electrical, mechanical, EMI) concurrently in SystemDK.
パッケージ設計・SoC配置・配線構成などの実装レイヤでは、
単一制約の最適化が他領域で不具合を生むことが多く、バランス重視の設計が求められます。
🔁 代表的なトレードオフ例｜Representative Trade-offs
| 領域A | 領域B | トレードオフ内容 | 対策例 |
|---|---|---|---|
| 熱放熱（Thermal） | EMI/EMC | メタル板による熱拡散 vs 放射ノイズ増加 | 導電性フィルム、接地設計最適化 |
| SI（信号整合） | PI（電源整合） | リターンパス最短化 vs プレーン分割によるノイズ | GNDスティッチ、マルチレイヤGND |
| 応力緩和 | 放熱性 | 柔軟バッファ層 vs 熱伝導率低下 | サーマルバッファ材の選定 |
| 配線密度 | 熱拡散 | 高密度配線 vs 層間熱流妨害 | 熱ビア配置、レイヤ構成最適化 |
| EMI対策 | 高速信号 | 終端・抑制フィルタ vs シグナルディグレ | 差動伝送、スルーレート制御 |
📐 トレードオフ設計のフレームワーク｜Design Framework for Trade-offs
- Constraint Mapping（制約可視化）
- 各ドメインの制約因子と影響範囲を構造図にマッピング
- e.g. 熱源、信号経路、応力集中、GNDループ
- Conflict Detection（衝突検出）
- 同一領域に複数制約が交差していないか検証
- FEMやEMCシミュレーションによる定量評価
- Priority Decision（優先順位決定）
- 信頼性・性能・製造性の観点から優先制約を明示
- Design Iteration（反復設計）
- 設計ツールやパラメータ調整によりバランス設計を繰り返す
🛠 実装支援ツールとトレードオフ評価｜Tools for Trade-off Evaluation
| ツール / Tool | 用途 / Purpose |
|---|---|
| ANSYS Icepak / Fluent | 熱流解析（Thermal Simulation） |
| ANSYS SIwave / HFSS | SI/PI/EMI電磁界解析 |
| ABAQUS / COMSOL | 応力分布シミュレーション |
| Cadence Sigrity / Allegro | 多領域配線と制約設計 |
| Constraint Map Sheet (CMS) | 手動による制約設計ドキュメント表現（教育向け） |
🎓 教育的メッセージ｜Educational Message
「部分最適は全体不良」
複合制約の中で“ほどほどの最適”を見出す技術が、SystemDK設計力の核心。
“Local optimization leads to global degradation.”
The essence of SystemDK design lies in balancing conflicting constraints, not in optimizing each in isolation.
🔗 関連節｜Linked Sections
f2a_1_systemdk_overview.md：SystemDK設計の全体像f2a_2_sipi.md：SI/PIトレードオフの詳細f2a_3_thermal.md：熱と信号のバランス設計f2a_4_mechanical.md：応力設計と熱との衝突f2a_5_emi_emc.md：ノイズ制約との整合
📎 参考資料｜References
- “System Design Methodology for Multi-Domain Constraints,” IEEE Access
- “Multiphysics Aware Package Design,” SEMI Whitepaper
- JEITA/JEDEC Design-for-Reliability Guidelines
- Educational Workshop on System Constraint Co-Design (DCA / Jisso Univ.)