Mentres o automóbil continúa a súa transición de hardware a software, as regras da competencia na industria automotriz están cambiando drasticamente.
O motor foi o núcleo tecnolóxico e de enxeñería do automóbil do século XX. Hoxe, este papel está cada vez máis ocupado polo software, unha maior potencia informática e sensores avanzados; a maioría das innovacións implican todo isto. Todo depende destas cousas, desde a eficiencia dos coches, o seu acceso a Internet e a posibilidade de condución autónoma, ata a mobilidade eléctrica e as novas solucións de mobilidade.
Non obstante, a medida que a electrónica e o software se fan máis importantes, o seu nivel de complexidade tamén aumenta. Tomemos como exemplo o número crecente de liñas de código (SLOC) contidas nos automóbiles modernos. En 2010, algúns vehículos tiñan aproximadamente dez millóns de SLOC; en 2016, esta cifra aumentara 15 veces ata aproximadamente 150 millóns de liñas de código. A complexidade tipo avalancha causa serios problemas coa calidade do software, como demostran as numerosas revisións de coches novos.
Os coches teñen un maior nivel de autonomía. Polo tanto, as persoas que traballan na industria do automóbil consideran a calidade e seguridade do software e da electrónica como requisitos fundamentais para garantir a seguridade das persoas. A industria do automóbil ten que repensar os enfoques modernos do software e da arquitectura eléctrica e electrónica.
Resolvendo un problema acuciante da industria
A medida que a industria do automóbil pasa de dispositivos accionados por hardware a dispositivos accionados por software, a cantidade media de software e electrónica nun vehículo está a aumentar rapidamente. Hoxe, o software constitúe o 10 % do contido total dos coches para o segmento D ou os coches máis grandes (uns 1220 dólares). Espérase que a cota media do software creza un 11%. Prevese que para 2030 o software representará o 30% do contido total do vehículo (uns 5200 dólares). Non é de estrañar que as persoas implicadas nalgunha fase do desenvolvemento do automóbil intenten beneficiarse das innovacións facilitadas polo software e a electrónica.
As empresas de software e outros reprodutores dixitais xa non queren quedar atrás. Están tentando atraer aos fabricantes de automóbiles como provedores de primeiro nivel. As empresas están a ampliar a súa participación na pila tecnolóxica do automóbil pasando das funcións e aplicacións aos sistemas operativos. Ao mesmo tempo, as empresas afeitas a traballar con sistemas electrónicos están entrando audazmente no ámbito das tecnoloxías e aplicacións dos xigantes tecnolóxicos. Os fabricantes de automóbiles premium avanzan e desenvolven os seus propios sistemas operativos, abstraccións de hardware e procesamento de sinal para facer que os seus produtos sexan únicos por natureza.
Hai consecuencias para a estratexia anterior. O futuro verá unha arquitectura orientada ao servizo de vehículos (SOA) baseada en plataformas informáticas comúns. Os desenvolvedores engadirán moitas cousas novas: solucións no campo do acceso a Internet, aplicacións, , sistemas operativos e analíticos avanzados. As diferenzas non estarán no hardware tradicional do coche, senón na interface de usuario e no seu funcionamento co software e a electrónica avanzada.
Os coches do futuro pasarán a unha plataforma de novas vantaxes competitivas de marca.
Estes probablemente incluirán innovacións de infoentretemento, e funcións de seguridade intelixentes baseadas nun comportamento "a prueba de fallos" (por exemplo, un sistema capaz de realizar a súa función clave aínda que unha parte falle). O software continuará baixando na pila dixital para converterse en parte do hardware baixo o pretexto de sensores intelixentes. As pilas integraranse horizontalmente e recibirán novas capas que moverán a arquitectura a SOA.
As tendencias da moda cambian as regras do xogo. Inflúen no software e na arquitectura electrónica. Estas tendencias impulsan a complexidade e a interdependencia das tecnoloxías. Por exemplo, crearanse novos sensores e aplicacións intelixentes . Se as empresas de automoción queren seguir sendo competitivas, necesitan procesar e analizar os datos de forma eficaz. As actualizacións SOA modulares e as actualizacións por aire (OTA) converteranse en requisitos fundamentais para admitir software complexo nas flotas. Tamén son moi importantes para a implantación de novos modelos de negocio nos que aparecen características baixo demanda. Haberá un uso cada vez maior de sistemas de infoentretemento e, aínda que en menor medida, avanzados . O motivo é que cada vez hai máis desenvolvedores de aplicacións de terceiros que ofrecen produtos para vehículos.
Debido aos requisitos de seguridade dixital, a estratexia do control de acceso convencional deixa de ser interesante. É hora de cambiar a , deseñada para predicir, previr, detectar e protexer contra ataques cibernéticos. A medida que xurdan as capacidades de condución altamente automatizada (HAD), necesitaremos converxencia de funcionalidades, potencia informática superior e altos niveis de integración.
Explorando dez hipóteses sobre a arquitectura eléctrica ou electrónica do futuro
O camiño de desenvolvemento tanto da tecnoloxía como do modelo de negocio aínda non está claramente definido. Pero baseándonos nas nosas extensas investigacións e opinións de expertos, desenvolvemos dez hipóteses sobre a futura arquitectura de vehículos eléctricos ou electrónicos e as súas implicacións para a industria.
A consolidación de unidades de control electrónico (ECU) será cada vez máis común
En lugar de varios ECU específicos para funcións específicas (como no estilo actual "engadir unha función, engadir unha xanela"), a industria pasará a unha arquitectura de ECU unificada para vehículos.
Na primeira fase, a maior parte da funcionalidade centrarase nos controladores de dominio federados. Para os dominios de vehículos principais, substituirán parcialmente a funcionalidade actualmente dispoñible nas ECUs distribuídas. O desenvolvemento xa está en marcha. Estamos esperando o produto acabado no mercado en dous ou tres anos. É máis probable que a consolidación se produza en pilas relacionadas coas funcións ADAS e HAD, mentres que as funcións máis básicas do vehículo poden manter un maior grao de descentralización.
Avanzamos cara á condución autónoma. Polo tanto, a virtualización das funcións do software e a abstracción do hardware converterase en imprescindible. Este novo enfoque pódese implementar de diferentes xeitos. É posible combinar hardware en pilas que cumpran diferentes requisitos de latencia e fiabilidade. Un exemplo pode ser unha pila de alto rendemento que admita as funcións HAD e ADAS, e unha pila separada de baixa latencia e controlada polo tempo para as funcións de seguridade básicas. Ou pode substituír a ECU por un "superordenador" de copia de seguridade. Outro escenario posible é cando abandonamos por completo o concepto de unidade de control en favor dunha rede informática intelixente.
Os cambios son impulsados principalmente por tres factores: custos, novos participantes no mercado e demanda de HAD. A redución do custo do desenvolvemento de funcións e do hardware informático necesario, incluídos os equipos de comunicacións, acelerará o proceso de consolidación. O mesmo pódese dicir dos novos participantes no mercado da automoción que probablemente perturben a industria cun enfoque centrado no software da arquitectura de vehículos. A crecente demanda de funcionalidades e redundancia HAD tamén requirirá un maior grao de consolidación de ECU.
Algúns fabricantes de automóbiles premium e os seus provedores xa están activamente implicados na consolidación de ECU. Están dando os primeiros pasos para actualizar a súa arquitectura electrónica, aínda que polo momento aínda non hai ningún prototipo.
A industria limitará o número de pilas utilizadas para equipos específicos
O soporte de consolidación normaliza o límite de pila. Separará as funcións do vehículo e do hardware da ECU, que inclúe o uso activo da virtualización. O hardware e o firmware (incluído o sistema operativo) dependerán dos requisitos funcionais fundamentais en lugar de formar parte do dominio funcional do vehículo. Para garantir a separación e a arquitectura orientada a servizos, o número de pilas debe ser limitado. Abaixo amósanse as pilas que poderían formar a base para as futuras xeracións de coches en 5-10 anos:
- Pila impulsada polo tempo. Neste dominio, o controlador está conectado directamente ao sensor ou ao actuador, mentres que os sistemas deben soportar requisitos estritos en tempo real mantendo unha baixa latencia; a programación de recursos baséase no tempo. Esta pila inclúe sistemas que acadan o máis alto nivel de seguridade do vehículo. Un exemplo é o dominio clásico Automotive Open Systems Architecture (AUTOSAR).
- Pila impulsada por tempo e eventos. Esta pila híbrida combina aplicacións de seguridade de alto rendemento con soporte para ADAS e HAD, por exemplo. As aplicacións e os periféricos están separados polo sistema operativo, mentres que as aplicacións están programadas por tempo. Dentro dunha aplicación, a programación de recursos pode basearse no tempo ou a prioridade. O ambiente operativo garante que as aplicacións de misión crítica se executen en contedores illados, separando claramente estas aplicacións doutras aplicacións do vehículo. Un bo exemplo é o AUTOSAR adaptativo.
- Pila impulsada por eventos. Esta pila céntrase no sistema de infoentretemento, que non é fundamental para a seguridade. As aplicacións están claramente desvinculadas dos periféricos e os recursos están programados mediante a programación óptima ou baseada en eventos. A pila contén funcións visibles e de uso frecuente: Android, Automotive Grade Linux, GENIVI e QNX. Estas características permiten ao usuario interactuar co vehículo.
- Pila de nubes. A pila final abrangue o acceso aos datos e coordina estes e as funcións do vehículo externamente. Esta pila encárgase das comunicacións, así como da verificación da seguridade da aplicación (autenticación) e establece unha interface específica para o automóbil, incluíndo diagnósticos remotos.
Os provedores de automóbiles e os fabricantes de tecnoloxía xa comezaron a especializarse nalgunhas destas pilas. Un exemplo excelente é o sistema de infoentretemento (pila impulsada por eventos), onde as empresas están a desenvolver capacidades de comunicación: navegación 3D e avanzada. O segundo exemplo é a intelixencia artificial e a detección para aplicacións de alto rendemento, onde os provedores están a colaborar con fabricantes de automóbiles clave para desenvolver plataformas informáticas.
No dominio do tempo, AUTOSAR e JASPAR admiten a estandarización destas pilas.
O middleware abstraerá as aplicacións do hardware
A medida que os vehículos continúan evolucionando cara a plataformas informáticas móbiles, o middleware permitirá reconfigurar os vehículos e instalar e actualizar o seu software. Hoxe en día, o middleware en cada ECU facilita a comunicación entre dispositivos. Na próxima xeración de vehículos, vinculará o controlador de dominio ás funcións de acceso. Usando o hardware da ECU do coche, o middleware proporcionará abstracción, virtualización, SOA e computación distribuída.
Xa hai evidencias de que a industria do automóbil está a cambiar a arquitecturas máis flexibles, incluíndo middleware. Por exemplo, a plataforma adaptativa AUTOSAR é un sistema dinámico que inclúe middleware, soporte de sistemas operativos complexos e modernos microprocesadores multinúcleo. Non obstante, os desenvolvementos dispoñibles neste momento limítanse a só un ECU.
A medio prazo, o número de sensores a bordo aumentará significativamente
Nas próximas dúas ou tres xeracións de vehículos, os fabricantes de automóbiles instalarán sensores con funcións similares para garantir que as reservas relacionadas coa seguridade sexan suficientes.
A longo prazo, a industria do automóbil desenvolverá solucións de sensores dedicadas para reducir o seu número e custo. Cremos que a combinación de radar e cámara pode ser a solución máis popular nos próximos cinco ou oito anos. A medida que as capacidades de condución autónoma seguen crecendo, será necesaria a introdución de lidars. Aportarán redundancia tanto no ámbito da análise de obxectos como no da localización. Por exemplo, unha configuración de condución autónoma SAE International L4 (alta automatización) probablemente requiriría inicialmente de catro a cinco sensores lidar, incluídos os montados na parte traseira para a navegación na cidade e unha visibilidade de case 360 graos.
É difícil dicir algo sobre o número de sensores nos vehículos a longo prazo. Ou o seu número aumentará, diminuirá ou permanecerá igual. Todo depende da normativa, da madurez técnica das solucións e da capacidade de utilizar varios sensores en diferentes casos. Os requisitos regulamentarios poderían, por exemplo, aumentar a supervisión do condutor, o que levaría a máis sensores no interior do vehículo. Podemos esperar ver máis sensores electrónicos de consumo utilizados no interior do vehículo. Os sensores de movemento, a vixilancia da saúde (frecuencia cardíaca e somnolencia), o recoñecemento facial e do iris son só algúns dos posibles casos de uso. Non obstante, para aumentar o número de sensores ou mesmo manter as cousas iguais, será necesario un abano máis amplo de materiais, non só nos propios sensores, senón tamén na rede de vehículos. Polo tanto, é moito máis rendible reducir o número de sensores. Coa chegada de vehículos altamente automatizados ou totalmente automatizados, os algoritmos avanzados e a aprendizaxe automática poden mellorar o rendemento e a fiabilidade dos sensores. Grazas a tecnoloxías de sensores máis potentes e capaces, é posible que xa non sexan necesarios sensores innecesarios. Os sensores que se usan hoxe poden quedar obsoletos: aparecerán sensores máis funcionais (por exemplo, en lugar dun asistente de aparcamento ou lidar baseado en cámara, poden aparecer sensores ultrasónicos).
Os sensores serán máis intelixentes
As arquitecturas dos sistemas necesitarán sensores intelixentes e integrados para xestionar a gran cantidade de datos necesarios para a condución altamente automatizada. As funcións de alto nivel como a fusión de sensores e o posicionamento 3D executaranse en plataformas informáticas centralizadas. O preprocesamento, o filtrado e os bucles de resposta rápida probablemente estarán situados no bordo ou se realizarán dentro do propio sensor. Unha estimación sitúa en catro terabytes a cantidade de datos que xerará un coche autónomo cada hora. Polo tanto, a IA pasará da ECU aos sensores para realizar un preprocesamento básico. Require baixa latencia e baixo rendemento computacional, especialmente cando se compara o custo de procesar datos en sensores e o custo de transmitir grandes cantidades de datos nun vehículo. Non obstante, a redundancia das decisións viarias en HAD requirirá a converxencia para a computación centralizada. O máis probable é que estes cálculos se calculen en base a datos preprocesados. Os sensores intelixentes supervisarán as súas propias funcións, mentres que a redundancia dos sensores mellorará a fiabilidade, a dispoñibilidade e, polo tanto, a seguridade da rede de sensores. Para garantir un rendemento axeitado do sensor en todas as condicións, serán necesarias aplicacións de limpeza de sensores, como desconxeladores e eliminadores de po e sucidade.
Requiriranse redes de datos redundantes e potencia completa
As aplicacións clave e críticas para a seguridade que requiren unha alta fiabilidade utilizarán ciclos totalmente redundantes para todo o necesario para unha manobra segura (comunicacións de datos, enerxía). , os ordenadores centrais e as redes de computación distribuídas que consumen enerxía requirirán novas redes redundantes de xestión de enerxía. Os sistemas tolerantes a fallos que admitan o control por cable e outras funcións HAD requirirán o desenvolvemento de sistemas redundantes. Isto mellorará significativamente a arquitectura das implementacións modernas de monitorización tolerante a fallos.
"Ethernet automotriz" ascenderá para converterse na columna vertebral do coche
As redes de automóbiles actuais non son suficientes para satisfacer as necesidades do transporte futuro. O aumento das taxas de datos, os requisitos de redundancia para os HAD, a necesidade de seguridade e protección en ambientes conectados e a necesidade de protocolos estandarizados entre industrias probablemente provocarán a aparición da Ethernet automotriz. Convertirase nun habilitador clave, especialmente para un bus de datos central redundante. Requiriranse solucións Ethernet para proporcionar comunicacións fiables entre dominios e satisfacer as demandas en tempo real. Isto será posible grazas á incorporación de extensións Ethernet como Audio Video Bridging (AVB) e redes sensibles ao tempo (TSN). Os representantes da industria e a OPEN Alliance apoian a adopción da tecnoloxía Ethernet. Moitos fabricantes de automóbiles xa deron este gran paso.
As redes tradicionais, como as redes locais de interconexión e as redes de controladores, seguirán utilizándose no vehículo, pero só para redes pechadas de nivel inferior, como sensores. Tecnoloxías como FlexRay e MOST probablemente serán substituídas por Ethernet automotriz e as súas extensións AVB e TSN.
No futuro, esperamos que a industria do automóbil tamén utilice outras tecnoloxías Ethernet: HDBP (produtos de ancho de banda de alto retardo) e tecnoloxías 10-Gigabit.
Os OEM sempre terán un control estrito sobre a conectividade de datos para garantir a seguridade funcional e HAD, pero abrirán interfaces para permitir o acceso de terceiros aos datos.
As pasarelas de comunicacións centrais que transmiten e reciben datos críticos para a seguridade sempre conectaranse directamente ao backend OEM. O acceso aos datos estará aberto a terceiros cando non estea prohibido pola normativa. O infoentretemento é un "anexo" ao vehículo. Nesta área, as interfaces abertas emerxentes permitirán aos provedores de contido e aplicacións despregar os seus produtos mentres os OEM cumpren os estándares o mellor posible.
O porto de diagnóstico a bordo de hoxe será substituído por solucións telemáticas conectadas. Xa non será necesario o acceso de mantemento á rede do vehículo, pero poderá circular a través dos backends OEM. Os OEM proporcionarán portos de datos na parte traseira do vehículo para determinados casos de uso (rastrexo de vehículos roubados ou seguro persoal). Non obstante, os dispositivos de posventa terán cada vez menos acceso ás redes de datos internas.
Os operadores de grandes flotas desempeñarán un papel máis importante na experiencia do usuario e crearán valor para os clientes finais. Poderán ofrecer diferentes vehículos para diferentes fins dentro dunha mesma subscrición (por exemplo, para desprazamentos diarios ou escapadas de fin de semana). Deberán usar varios backends OEM e consolidar os datos nas súas flotas. As grandes bases de datos permitirán aos operadores de flotas monetizar datos e análises consolidados que non están dispoñibles a nivel de OEM.
Os coches utilizarán servizos na nube para combinar información a bordo con datos externos
Os datos "non sensibles" (é dicir, os datos que non están asociados á identidade ou á seguridade) procesaranse cada vez máis na nube para obter información adicional. A dispoñibilidade destes datos fóra do OEM dependerá das futuras leis e regulamentos. A medida que medran os volumes . A analítica é necesaria para procesar información e extraer datos importantes. Apostamos pola condución autónoma e outras innovacións dixitais. O uso eficaz dos datos dependerá do intercambio de datos entre varios axentes do mercado. Aínda non está claro quen fará isto e como. Non obstante, os principais provedores de automóbiles e empresas tecnolóxicas xa están a construír plataformas integradas de automoción que poden xestionar esta nova riqueza de datos.
Os compoñentes actualizables aparecerán nos coches que admitirán a comunicación bidireccional
Os sistemas de proba a bordo permitirán aos vehículos comprobar automaticamente as actualizacións. Poderemos xestionar o ciclo de vida do vehículo e as súas funcións. Todas as ECU enviarán e recibirán datos de sensores e actuadores, recuperando datos. Estes datos serán utilizados para desenvolver innovacións. Un exemplo sería construír unha ruta baseada nos parámetros do vehículo.
A capacidade de actualización OTA é imprescindible para HAD. Con estas tecnoloxías, teremos novas funcións, ciberseguridade e unha implantación máis rápida de funcións e software. De feito, a capacidade de actualización OTA é a forza motriz detrás de moitos dos cambios importantes descritos anteriormente. Ademais, esta capacidade tamén require unha solución de seguridade completa en todos os niveis da pila, tanto fóra do vehículo como dentro da ECU. Esta solución aínda está por desenvolver. Será interesante ver quen o fará e como.
Poderanse instalar as actualizacións do coche como nun teléfono intelixente? A industria debe superar as limitacións nos contratos de provedores, os requisitos regulamentarios e as preocupacións de seguridade e privacidade. Moitos fabricantes de automóbiles anunciaron plans para lanzar ofertas de servizos OTA, incluíndo actualizacións ao aire para os seus vehículos.
Os OEM estandarizarán as súas flotas en plataformas OTA, traballando en estreita colaboración cos provedores de tecnoloxía nesta área. A conectividade dentro do vehículo e as plataformas OTA pronto serán moi importantes. Os OEM entenden isto e buscan gañar máis propiedade neste segmento de mercado.
Os vehículos recibirán actualizacións de software, funcións e seguridade durante a súa vida útil. As autoridades reguladoras probablemente proporcionarán mantemento de software para garantir a integridade do deseño do vehículo. A necesidade de actualizar e manter o software dará lugar a novos modelos de negocio para o mantemento e operación de vehículos.
Avaliación do impacto futuro do software automotriz e da arquitectura electrónica
As tendencias que afectan á industria do automóbil están a xerar importantes incertezas relacionadas co hardware. Non obstante, o futuro do software e da arquitectura electrónica parece prometedor. Todas as posibilidades están abertas á industria: os fabricantes de automóbiles poderían formar asociacións industriais para estandarizar a arquitectura dos vehículos, os xigantes dixitais poderían implementar plataformas na nube a bordo, os xogadores de mobilidade poderían fabricar os seus propios vehículos ou desenvolver pilas de vehículos con código aberto e software de características, os fabricantes de automóbiles poderían introducir coches autónomos cada vez máis sofisticados con conectividade a Internet.
Os produtos pronto deixarán de estar centrados no hardware. Estarán orientados ao software. Esta transición será difícil para as empresas de automóbiles que están afeitas a producir automóbiles tradicionais. Non obstante, dadas as tendencias e os cambios descritos, incluso as pequenas empresas non terán opción. Terán que preparar.
Vemos varios pasos estratéxicos principais:
- Separa os ciclos de desenvolvemento do vehículo e as funcións do vehículo. Os fabricantes de equipos originales e provedores de nivel 1 deben decidir como desenvolverán, ofrecerán e implementarán funcións. Deben ser independentes dos ciclos de desenvolvemento do vehículo, tanto desde o punto de vista técnico como organizativo. Dados os ciclos actuais de desenvolvemento de vehículos, as empresas necesitan atopar un xeito de xestionar a innovación de software. Ademais, deberían considerar opcións de actualizacións e actualizacións (como unidades de cálculo) para as flotas existentes.
- Definir valor engadido obxectivo para o desenvolvemento de software e electrónica. Os fabricantes de equipos originales deben identificar características diferenciadoras para as que poden establecer puntos de referencia. Ademais, é fundamental definir claramente o valor engadido obxectivo para os seus propios desenvolvementos de software e electrónica. Tamén debe identificar as áreas onde se necesitarán produtos e os temas que só deben ser discutidos co provedor ou socio.
- Establece un prezo explícito para o software. Para desvincular o software do hardware, os OEM deben repensar os procesos e mecanismos internos para comprar software directamente. Ademais da personalización tradicional, tamén é importante analizar como se pode vincular un enfoque áxil ao desenvolvemento de software ao proceso de adquisición. Aquí é onde os provedores (nivel 1, 2 e 3) tamén xogan un papel fundamental xa que necesitan proporcionar un valor comercial claro ás súas ofertas de software e sistemas para que poidan captar unha maior parte dos ingresos.
- Desenvolver un diagrama de organización específico para a nova arquitectura electrónica (incluíndo backends). A industria do automóbil debe cambiar os procesos internos para entregar e vender produtos electrónicos e software avanzados. Tamén deben considerar diferentes configuracións organizativas para temas electrónicos relacionados cos vehículos. Basicamente, a nova arquitectura "en capas" require a interrupción potencial da configuración "vertical" actual e a introdución de novas unidades organizativas "horizontais". Ademais, é necesario ampliar as capacidades e habilidades dos desenvolvedores de software e electrónica en equipos.
- Desenvolver un modelo de negocio para compoñentes individuais do vehículo como produto (especialmente para provedores). É fundamental analizar cales son as características que engaden un valor real á futura arquitectura e, polo tanto, poden ser monetizadas. Isto axudarache a manterte competitivo e a capturar unha parte significativa do valor da industria electrónica do automóbil. Posteriormente, haberá que atopar novos modelos de negocio para vender software e sistemas electrónicos, xa sexa un produto, un servizo ou algo completamente novo.
A medida que comeza a nova era do software e da electrónica do automóbil, cambia fundamentalmente todo sobre os modelos de negocio, as necesidades dos clientes e a natureza da competencia. Cremos que con isto haberá moito diñeiro para gañar. Pero para aproveitar os cambios inminentes, todos os integrantes da industria deben repensar o seu enfoque para a fabricación de automóbiles e establecer (ou cambiar) as súas ofertas con prudencia.
Este artigo foi desenvolvido en colaboración coa Global Semiconductor Alliance.
Fonte: www.habr.com