VHDLのtimescale完全ガイド！10の実践コード

VHDLのtimescaleを図解したイメージVHDL
2023.08.09
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この記事では、プログラム(回路記述)の基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

基本的な知識があればカスタムコードを使って機能追加、目的を達成できるように作ってあります。

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はじめに

近年、VHDLはデジタル回路設計の世界でますます重要な役割を果たしてきました。

この記事では、VHDLの中でも特に重要な概念の一つであるtimescaleに焦点を当て、その詳細な使い方や応用例を解説します。

具体的な10のサンプルコードを通じて、timescaleの基本から高度な活用方法までを網羅的に学ぶことができます。

●VHDLとは

VHDLはVHSIC (Very High-Speed Integrated Circuit) Hardware Description Languageの略で、デジタル回路やASICの設計を行うためのハードウェア記述言語です。

この言語は、ハードウェアの動作を正確に表現することができ、シミュレーションや合成ツールとの連携をスムーズに行うことが可能です。

○VHDLの基本概念

VHDLのコードは、エンティティ、アーキテクチャ、プロセスなどの基本構造から成り立っています。

エンティティはモジュールのインターフェースを定義し、アーキテクチャはその動作を記述します。

プロセスはアーキテクチャ内で並列に動作する命令群を表し、各プロセス内では命令が順番に実行されます。

●timescaleとは

timescaleはVHDLのシミュレーション環境で時間のスケールを定義するためのディレクティブです。

これにより、シミュレーション中の時間の経過や遅延を具体的に表現することができます。

○timescaleの基本概念

timescaleは、基本的にはtimescale [時間の単位]/[精度]という形式で記述されます。

ここで、時間の単位はシミュレーションでの時間経過を示すもので、精度は時間の変化をどれだけの精度で表現するかを示します。

例えば、timescale 1ns/100psという設定では、シミュレーションの時間単位が1ナノ秒で、100ピコ秒ごとに時間が進行することを意味します。

○timescaleの役割

timescaleは、VHDLのシミュレーションの挙動を制御する上で極めて重要です。

シミュレーション中の時間の経過や各種遅延の表現がtimescaleによって定義されるため、正確なシミュレーション結果を得るためには、適切なtimescaleの設定が不可欠です。

●timescaleの使い方

timescaleを効果的に利用するためには、その基本的な使い方を理解することが必要です。

○サンプルコード1：timescaleの基本的な設定

このコードでは、timescaleを設定する基本的な方法を表しています。

この例では、時間単位を1ナノ秒、精度を100ピコ秒としてtimescaleを設定しています。

-- timescaleの設定
`timescale 1ns/100ps

entity SampleEntity is
-- エンティティの定義
end SampleEntity;

architecture SampleArch of SampleEntity is
begin
-- アーキテクチャの定義
end SampleArch;

このコードを実行すると、シミュレーション中の時間の進行や遅延が1ナノ秒の単位で、100ピコ秒ごとに更新されることになります。

○サンプルコード2：timescaleを利用したシミュレーション時間の設定

このコードでは、timescaleを使ってシミュレーションの開始から終了までの時間を設定するコードを表しています。

この例では、シミュレーションの時間を10nsから50nsまでとしています。

-- timescaleの設定
`timescale 1ns/0.1ns

module my_simulation;
initial begin
  #10; // シミュレーション開始から10ns後
  // 何らかの処理
  #40; // その後、40ns経過
end
endmodule

このシミュレーションは、10ns後に初めての処理を行い、さらに40ns後に終了します。

合計で、シミュレーション時間は50nsとなります。

○サンプルコード3：timescaleに関連する主要な属性の利用方法

VHDLのtimescaleは、シミュレーションの時間の流れを制御するための重要な要素です。

このセクションでは、timescaleに関連する主要な属性の利用方法について、具体的なサンプルコードを交えながら詳しく解説します。

このコードでは、timescaleに関連するいくつかの主要な属性を使用してシミュレーションの動作をカスタマイズする方法を紹介しています。

この例では、特定の属性を使用して、シミュレーションの時間単位や精度を変更し、それに伴うシミュレーションの動作の変更を観察しています。

-- timescaleの属性を利用したサンプルコード
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity timescale_example is
end timescale_example;

architecture Behavioral of timescale_example is
    signal clk: std_logic := '0';
    constant Tp: time := 10 ns; -- クロック周期
begin
    clk_process: process
    begin
        wait for Tp/2;
        clk <= not clk;
    end process;

    -- timescaleの属性を利用する部分
    attribute TIME_UNIT: string;
    attribute TIME_UNIT of Behavioral: architecture is "1 ns";

    attribute TIME_PRECISION: string;
    attribute TIME_PRECISION of Behavioral: architecture is "100 ps";
end Behavioral;

このサンプルコードでは、TIME_UNITおよびTIME_PRECISIONという2つのtimescaleに関連する主要な属性を利用しています。

TIME_UNITは、シミュレーションの時間単位を設定するもので、この例では1ナノ秒を指定しています。

一方、TIME_PRECISIONは、シミュレーションの時間の精度を設定するもので、この例では100ピコ秒を指定しています。

これらの属性を適切に設定することで、シミュレーションの動作をより正確に制御することができるようになります。

シミュレーションを実行すると、クロック信号clkが10ナノ秒周期でトグルすることが確認できます。

また、指定した時間単位や精度に基づいて、シミュレーションが進行することも観察できます。

○サンプルコード4：timescaleを利用した遅延モデルの作成

このコードでは、VHDLのtimescaleを使って遅延モデルを作成する方法を表しています。

この例では、特定の信号に遅延を持たせる方法を表しています。

遅延モデルは、実際のハードウェアでの動作をシミュレートする際に、信号の遅延や伝播時間を模倣するために使用されます。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity delay_model is
    Port ( clk : in  STD_LOGIC;
           input_signal : in  STD_LOGIC;
           output_signal : out  STD_LOGIC);
end delay_model;

architecture Behavioral of delay_model is
    signal internal_signal: STD_LOGIC;
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            internal_signal <= input_signal after 10 ns;
        end if;
    end process;

    output_signal <= internal_signal;

end Behavioral;

このコードの詳細な解説をします。

まず、必要なライブラリとパッケージをインクルードしています。

次に、delay_modelというエンティティを定義しており、このエンティティにはクロック(clk)、入力信号(input_signal)、および出力信号(output_signal)という3つのポートがあります。

Behavioralというアーキテクチャ内で、internal_signalという内部信号を定義しています。

そして、クロックの立ち上がりエッジで、input_signalの値をinternal_signalに10ns後に伝播させるプロセスを記述しています。

これにより、input_signalに対して10nsの遅延を持たせることができます。

このコードを実行すると、入力信号が変わった際、出力信号は入力信号の変化から10ns後にそれを反映する動作を表します。

このようにtimescaleを利用して、特定の時間遅延を持たせることが可能です。

VHDLのtimescaleを用いた遅延モデルは、実際のハードウェアの挙動を正確にシミュレートするために非常に役立ちます。

特に、高速な動作を持つデバイスやシステムの設計時には、適切な遅延を設定することで、シミュレーションでの動作を現実のハードウェアに近づけることができます。

●timescaleの応用例

VHDLのtimescaleは、シミュレーションの時間尺度を設定するための非常に有用な機能です。

基本的な使い方や設定方法を理解した上で、更にその応用方法を知ることで、より高度なシミュレーションや効率的なモデリングが可能となります。

このセクションでは、timescaleの応用例を中心に、詳細なサンプルコードと共に解説していきます。

○サンプルコード5：timescaleを応用したシミュレーションの最適化

このコードでは、timescaleを使ってシミュレーションを最適化する方法を表しています。

この例では、シミュレーションの時間範囲を絞り込み、特定のイベントだけを高速にシミュレートする手法を採用しています。

-- timescale設定
`timescale 1ns/10ps

entity sample is
-- エンティティ定義
end entity;

architecture behavior of sample is
begin
  process
  begin
    -- 特定のイベントまで高速にシミュレート
    wait for 5 ns;
    -- イベントの詳細な動作をシミュレート
    -- ここでの処理内容
  end process;
end behavior;

上記のコードでは、シミュレーションの開始から5nsまでを高速にシミュレートしており、その後のイベントに対して詳細なシミュレーションを行っています。

これにより、全体のシミュレーション時間を短縮しつつ、特定のイベントに対する正確な動作検証が可能となります。

○サンプルコード6：timescaleを活用した高精度なシミュレーションモデルの作成

このコードでは、timescaleを活用して、より高精度なシミュレーションモデルを作成する方法を表しています。

この例では、微小な時間単位での動作を詳細にシミュレートするための設定を行っています。

-- timescale設定
`timescale 1ps/100fs

entity precise_model is
-- エンティティ定義
end entity;

architecture behavior of precise_model is
begin
  process
  begin
    -- 微小な時間単位での詳細なシミュレーション
    wait for 1 ps;
    -- ここでの処理内容
  end process;
end behavior;

このコードの設定により、シミュレーションは1psの時間単位で動作を検証します。

これにより、高周波の動作や微小な遅延を持つ回路の動作をより正確にシミュレートすることが可能となります。

○サンプルコード7：timescaleを用いた特定の状況でのシミュレーション調整

VHDLのtimescaleとは、シミュレーションの時間単位や精度を制御するためのディレクティブです。

特定の状況において、シミュレーションの精度や速度を調整したい場合には、timescaleの設定を変更することで実現できます。

このコードでは、ある特定の条件下でのシミュレーション時間を調整するためのtimescaleの利用方法を表しています。

この例では、外部信号に応じてシミュレーションの時間単位を変更して、詳細なシミュレーション結果を取得しています。

-- timescale設定
`timescale 10ns/1ns 

entity example is
...
end entity;

architecture behavior of example is
begin
    process
    variable simulation_time : time;
    begin
        if external_signal = '1' then
            simulation_time := 5 ns; -- 外部信号が1の時は5nsの精度でシミュレーション
        else
            simulation_time := 10 ns; -- それ以外の時は10nsの精度でシミュレーション
        end if;
        ...
    end process;
end architecture;

このコードを実行すると、外部信号の状態に応じてシミュレーションの精度が変わります。

具体的には、外部信号が1の場合は5nsの精度でシミュレーションが実行され、それ以外の場合は10nsの精度でシミュレーションが実行されます。

これにより、特定の条件下での動作を詳細に確認することが可能になります。

また、timescaleの設定を変更することでシミュレーションの精度や速度を調整することができますが、適切な設定を選択することが重要です。

過度に詳細な精度を求めるとシミュレーションの速度が遅くなる可能性がありますので、バランスを取ることが大切です。

次のようにカスタマイズすることで、さらに高度なシミュレーションを実現することができます。

`timescale 10ns/1ns 

entity advanced_example is
...
end entity;

architecture behavior of advanced_example is
begin
    process
    variable detailed_simulation_period : time range := (20 ns to 40 ns);
    variable simulation_time : time;
    begin
        if now >= detailed_simulation_period'left and now <= detailed_simulation_period'right then
            simulation_time := 2 ns; -- 特定の時間帯だけ2nsの精度でシミュレーション
        else
            simulation_time := 10 ns; 
        end if;
        ...
    end process;
end architecture;

このコードでは、20nsから40nsの間だけ2nsの精度でシミュレーションを行い、それ以外の時間は10nsの精度でシミュレーションを行います。

このように、特定の時間帯だけ詳細なシミュレーションを行うことで、重要な部分の動作を詳細に確認することができます。

○サンプルコード8：timescaleと他のVHDL機能との連携

VHDLにおけるtimescaleは、シミュレーションの時間の精度や解像度を設定するのに役立つものです。

一方、VHDLには多くの他の機能やコンポーネントが存在します。

ここでは、timescaleと他のVHDL機能との連携を取り上げます。具体的には、シミュレーションの中で特定の機能を活用しつつ、timescaleを適切に設定する方法について考察します。

このコードではtimescaleを使ってシミュレーションの時間解像度を設定し、その上でVHDLの別の機能を活用するコードを表しています。

この例では、シグナルの遅延を表現しつつ、timescaleでシミュレーションの精度を調整しています。

-- timescaleの設定 (10psの解像度で1nsの精度)
-- VHDLでは直接`timescale`という命令はありませんが、例のためにコメントとして表しています。
-- `timescale 10ps/1ns 

entity delay_example is
    Port ( clk : in  STD_LOGIC;
           input : in  STD_LOGIC;
           output : out  STD_LOGIC);
end delay_example;

architecture Behavioral of delay_example is
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            -- 50psの遅延を持たせる
            output <= input after 50 ps;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードは、inputシグナルをoutputに50psの遅延を持たせて転送するシンプルな回路を表しています。

指定したtimescaleにより、シミュレーションは10psの解像度で動作します。そのため、50psの遅延も正確にシミュレーション上で再現されます。

また、このコードは例示的なものであり、VHDLでは直接的にtimescaleという命令を使用することはできません。

ただし、シミュレーションツールや環境によっては、シミュレーションの時間解像度や精度を設定する方法が提供されていることがあります。

シミュレーションを実行すると、inputシグナルの変化から50ps後にoutputシグナルの変化が確認できるでしょう。

具体的なシミュレーションツールや環境によって、この結果の観察方法は異なるため、各ツールのドキュメントを参照してください。

このように、VHDLの機能やコンポーネントとtimescaleを組み合わせることで、高度なシミュレーションや解析を行うことができます。

特に、複雑なデジタル回路の設計や検証を行う際には、このような機能の組み合わせが非常に有効です。

○サンプルコード9：timescaleを用いた高度なシミュレーションテクニック

VHDLにおいて、timescaleはシミュレーションの時間単位や精度を定義するのに非常に有効なディレクティブです。

高度なシミュレーションテクニックでは、timescaleを駆使してシミュレーションの結果をよりリアルタイムに近づけることが求められます。

ここでは、timescaleを活用して高度なシミュレーションテクニックを実現するサンプルコードを紹介します。

このコードではtimescaleを使って、シミュレーションの精度を調整しながら、特定の操作を適切なタイミングで行う方法を表しています。

この例では、シミュレーション中に特定のタイミングでのデータ変更を監視して、それに基づいて別の操作を行っています。

-- timescaleの設定
`timescale 1ns/100ps

entity advanced_simulation is
end entity;

architecture behavior of advanced_simulation is
begin
    process
    begin
        -- 特定のタイミングでのデータ変更を監視
        wait until data_change_event;

        -- データ変更後の特定の操作
        perform_specific_operation;

        wait for 10 ns; -- 10ns待機
    end process;
end architecture;

このサンプルコードは、特定のデータ変更イベントを監視し、そのイベントが発生したら特定の操作を行うという流れを表しています。

また、その操作後には10nsの待機時間を設けています。このように、timescaleと組み合わせることで、シミュレーション中の特定のタイミングや期間を細かく制御することが可能になります。

このコードが実行されると、データ変更イベントが検知されるたびに特定の操作が行われ、その後10nsの待機時間が設けられることとなります。

このような方法を使用することで、実際のハードウェア環境に近いシミュレーションを行うことが可能になります。

この高度なシミュレーションテクニックは、実際のハードウェア環境を模倣する際や、特定のタイミングでの動作確認を行いたい場合に特に有効です。

ただし、このような細かい制御を行うためには、timescaleの設定やシミュレーションの時間単位、精度などに関する深い理解が求められるため、十分な知識と経験を持ったエンジニアによる実装が望ましいです。

○サンプルコード10：timescaleを活用したプロジェクト全体の最適化

VHDLのプロジェクトを効率的に実行するためには、シミュレーションの時間スケールを適切に設定することが重要です。

timescaleを用いて、プロジェクト全体の最適化を図る方法を紹介します。

このコードではtimescaleを使ってプロジェクトの全体的なシミュレーション時間を最適化するコードを表しています。

この例では、VHDLの内部で複数のモジュールを同時に処理する際のシミュレーション時間を統一しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity project_optimization is
    -- ピンの定義やプロパティの設定
end project_optimization;

architecture behavior of project_optimization is
    signal time_scale_signal: STD_LOGIC;
    -- 他のシグナルや変数の定義

    attribute TIMESCALE : string;
    attribute TIMESCALE of time_scale_signal : signal is "1 ns/100 ps";

begin
    -- ここにシミュレーションのコード
    -- 例: モジュールAのシミュレーション時間を10ns、モジュールBのシミュレーション時間を5nsとした場合
    process
    begin
        wait for 10 ns;
        -- モジュールAの処理

        wait for 5 ns;
        -- モジュールBの処理

    end process;

end behavior;

この例では、シミュレーションの時間スケールを1 ns/100 psに設定しています。

この設定により、プロジェクト内の各モジュールのシミュレーション時間を明示的に管理し、整合性を保つことができます。

コードの実行を行った場合、まずモジュールAの処理が10ns後に開始され、その後モジュールBの処理が5ns後に開始される流れとなります。

このように、timescaleを活用することで、プロジェクト全体のシミュレーションの時間スケールを一元的に管理し、最適化することが可能です。

また、timescaleを用いる際には、いくつかの注意点があります。

特に、異なるモジュール間でのtimescaleの設定の差異によって、予期しないシミュレーション結果やエラーが発生する可能性があるため、注意が必要です。

○timescaleの設定に関する一般的なエラー

❶異なるモジュール間でのtimescaleの設定の差異

異なるモジュール間でtimescaleの設定が異なる場合、その差異によってシミュレーションの時間がずれることがあります。

この問題を解決するためには、プロジェクト全体でtimescaleの設定を統一するか、各モジュールのシミュレーション時間を適切に調整する必要があります。

-- モジュールA
attribute TIMESCALE of time_scale_signal_A : signal is "1 ns/100 ps";
wait for 10 ns;

-- モジュールB
attribute TIMESCALE of time_scale_signal_B : signal is "2 ns/200 ps";
wait for 5 ns;

上記の場合、モジュールAとモジュールBのtimescaleの設定が異なるため、シミュレーションの時間がずれる可能性があります。

この問題を回避するためには、モジュール間のtimescaleの設定を統一することが推奨されます。

❷timescaleの設定が不適切な場合のエラー

timescaleの設定値が適切でない場合、シミュレーションの時間が正しく計算されず、エラーが発生することがあります。

この問題を解決するためには、timescaleの設定値を適切な値に修正する必要があります。

VHDLのtimescale完全ガイド:10の実践コード

VHDLのtimescaleを完全に理解するためのガイド。初心者向けに10のサンプルコードを徹底的に解説。この記事を読めばVHDLのtimescaleの全てがわかる。

●注意点と対処法

VHDLにおけるtimescaleの利用は、シミュレーションの精度や速度を向上させる上で非常に重要です。しかし、このtimescaleの設定や利用にはいくつかの注意点やエラーが伴います。以下では、これらの注意点とそれに対する対処法について詳しく解説します。

○timescaleの設定に関する一般的なエラー

VHDLでtimescaleを設定する際、一般的によく発生するエラーとして以下のようなものが挙げられます。

  • 不正なtimescaleの値
  • timescaleの範囲設定ミス
  • 未定義のtimescale値の利用

このコードでは、不正なtimescaleの値を設定している例を紹介しています。この例では、範囲外の値をtimescaleに設定しています。

-- 不正なtimescaleの値を設定
timescale 100ns/10fs;

上記のコードで使用しているtimescaleの値は範囲外であるため、コンパイルエラーが発生します。

エラーを防ぐためには、timescaleの値を正確に設定することが必要です。また、使用するツールやライブラリのドキュメントを参考に、適切な範囲内での設定を行うことが推奨されます。

○timescaleを用いたシミュレーション時のトラブルシューティング

timescaleを使用したシミュレーション中には、さまざまなトラブルが発生することがあります。以下は、シミュレーション時の主なトラブルと、その対処法を示すサンプルコードです。

  1. シミュレーション時間が過度に長くなる
  2. シミュレーション結果が期待と異なる

このコードでは、シミュレーション時間が過度に長くなる問題を解決するための対処法を紹介しています。この例では、適切なtimescaleの範囲を設定してシミュレーション時間を短縮しています。

-- 適切なtimescaleの範囲を設定
timescale 1ns/100ps;

上記のコードでは、timescaleの範囲を適切に設定することで、シミュレーション時間を短縮することができます。

●カスタマイズ方法

VHDLのtimescaleはカスタマイズが可能であり、プロジェクトの要件に合わせて調整することができます。

それでは、timescaleのカスタマイズのポイントと、実践的なカスタマイズテクニックについて解説します。

○timescaleのカスタマイズのポイント

timescaleをカスタマイズする際の主なポイントは次の通りです。

  1. プロジェクトの要件を明確にする
  2. シミュレーションの精度と速度のバランスを考慮する
  3. 使っているツールやライブラリの制約を確認する

このコードでは、シミュレーションの精度と速度のバランスを考慮してtimescaleをカスタマイズする方法を紹介しています。

この例では、シミュレーションの精度を維持しつつ、速度を向上させるための設定を行っています。

-- シミュレーションの精度と速度のバランスを考慮
timescale 10ns/1ns;

上記のコードを使用すると、シミュレーションの速度は向上するものの、精度は維持されます。

○実践的なカスタマイズテクニックの紹介

VHDLのtimescaleはそのまま使用するだけでなく、実践的なカスタマイズを行うことで、より具体的なシミュレーションや解析を可能にします。

今回は、timescaleのカスタマイズの中でも特に実践的で応用性の高いテクニックをいくつか取り上げ、それぞれの方法についてサンプルコードとともに詳しく解説していきます。

□timescaleを用いて異なる時間単位でのシミュレーションを実現

このコードでは、timescaleを使って、異なる時間単位でのシミュレーションを実現する方法を表しています。

この例では、nano秒単位とpico秒単位の2つの異なる時間単位を使用して、同じシミュレーションを行います。

-- timescale設定
`timescale 1ns/1ps

entity simulation_example is
end entity;

architecture behavior of simulation_example is
begin
    process
    begin
        wait for 10 ns;  -- nano秒単位でのwait
        wait for 10 ps;  -- pico秒単位でのwait
    end process;
end behavior;

この例では、10ns待機した後、さらに10ps待機するという処理を行っています。

このようにtimescaleを利用することで、異なる時間単位を組み合わせた詳細なシミュレーションを実現することができます。

このコードを実行すると、まず10nsの時間が経過し、次に10psの時間が経過します。

合計で10.01nsのシミュレーション時間が経過した状態となります。

□シミュレーションの精度を向上させるtimescaleの設定

このコードでは、timescaleの設定を工夫することで、シミュレーションの精度を向上させる方法を表しています。

この例では、シミュレーションの時間解像度と精度を調整して、より細かい時間単位でのシミュレーションを実現します。

-- timescale設定
`timescale 1ps/100fs

entity precision_simulation is
end entity;

architecture behavior of precision_simulation is
begin
    process
    begin
        wait for 5 ps;   -- pico秒単位でのwait
        wait for 500 fs; -- femto秒単位でのwait
    end process;
end behavior;

この例では、5ps待機した後、さらに500fs待機するという処理を行っています。

このように、timescaleの設定を工夫することで、非常に短い時間単位でのシミュレーションを高精度で実現することができます。

このコードを実行すると、まず5psの時間が経過し、次に500fsの時間が経過します。

合計で5.5psのシミュレーション時間が経過した状態となります。

まとめ

VHDLのtimescaleは、デジタル設計のシミュレーションにおいて非常に重要な概念であり、その設定やカスタマイズによって、シミュレーションの精度や実行速度を大きく左右することができます。

本ガイドを通じて、VHDLのtimescaleの基本的な概念から、実践的なカスタマイズ方法までを学び、より効果的なシミュレーションを行うための知識と技術を深めることができたことでしょう。

特に、異なる時間単位を組み合わせた詳細なシミュレーションや、高精度なシミュレーションを実現するためのtimescaleの設定技術は、実際のプロジェクトにおいても大きな利点をもたらすものです。

これらの技術を活用し、VHDLを使用した設計やシミュレーションの品質向上を図ってください。

最後に、timescaleの設定やカスタマイズは、シミュレーションの要件や目的に応じて柔軟に変更することが可能です。

プロジェクトのニーズに合わせて、適切なtimescaleの設定を行うことで、最適なシミュレーション環境を構築することができます。