À medida que o automóvel continua a sua transição de orientado por hardware para orientado por software, as regras da concorrência na indústria automóvel estão a mudar drasticamente.
O motor foi o núcleo tecnológico e de engenharia do automóvel do século XX. Hoje, este papel é cada vez mais preenchido por software, maior poder computacional e sensores avançados; a maioria das inovações envolve tudo isso. Tudo depende destas coisas, desde a eficiência dos automóveis, o seu acesso à Internet e a possibilidade de condução autónoma, até à mobilidade eléctrica e às novas soluções de mobilidade.
No entanto, à medida que a electrónica e o software se tornam mais importantes, o seu nível de complexidade também aumenta. Tomemos como exemplo o crescente número de linhas de código (SLOC) contidas nos carros modernos. Em 2010, alguns veículos possuíam aproximadamente dez milhões de SLOCs; em 2016, esse número aumentou 15 vezes, para aproximadamente 150 milhões de linhas de código. A complexidade semelhante à de uma avalanche causa sérios problemas com a qualidade do software, como evidenciado por inúmeras análises de carros novos.
Os carros têm um maior nível de autonomia. Portanto, as pessoas que trabalham na indústria automotiva consideram a qualidade e a segurança do software e da eletrônica como requisitos fundamentais para garantir a segurança das pessoas. A indústria automotiva precisa repensar as abordagens modernas de software e arquitetura elétrica e eletrônica.
Resolvendo um problema urgente da indústria
À medida que a indústria automóvel passa de dispositivos orientados por hardware para dispositivos orientados por software, a quantidade média de software e eletrónica num veículo aumenta rapidamente. Hoje, o software representa 10% do conteúdo total dos carros do segmento D ou carros maiores (aproximadamente US$ 1220). A participação média de software deverá crescer 11%. Prevê-se que até 2030 o software será responsável por 30% do conteúdo total do veículo (cerca de US$ 5200). Não é surpreendente que as pessoas envolvidas em alguma fase do desenvolvimento automóvel estejam a tentar beneficiar das inovações proporcionadas pelo software e pela electrónica.
As empresas de software e outros players digitais não querem mais ficar para trás. Eles estão tentando atrair montadoras como fornecedores de primeira linha. As empresas estão expandindo sua participação no conjunto de tecnologia automotiva, passando de recursos e aplicativos para sistemas operacionais. Ao mesmo tempo, as empresas habituadas a trabalhar com sistemas eletrónicos estão a entrar com ousadia no domínio das tecnologias e aplicações dos gigantes tecnológicos. Os fabricantes de automóveis premium estão avançando e desenvolvendo seus próprios sistemas operacionais, abstrações de hardware e processamento de sinais para tornar seus produtos únicos por natureza.
Existem consequências para a estratégia acima. O futuro verá a arquitetura orientada a serviços de veículos (SOA) baseada em plataformas de computação comuns. Os desenvolvedores vão agregar muitas novidades: soluções na área de acesso à Internet, aplicativos, , análises avançadas e sistemas operacionais. As diferenças não estarão no hardware tradicional do carro, mas na interface do usuário e na forma como ela funciona com software e eletrônica avançada.
Os carros do futuro passarão para uma plataforma de novas vantagens competitivas de marca.
Provavelmente incluirão inovações em infoentretenimento, e recursos de segurança inteligentes baseados em comportamento “à prova de falhas” (por exemplo, um sistema capaz de desempenhar sua função principal mesmo que parte dele falhe). O software continuará a descer na pilha digital para se tornar parte do hardware sob o disfarce de sensores inteligentes. As pilhas serão integradas horizontalmente e receberão novas camadas que migrarão a arquitetura para SOA.
As tendências da moda mudam as regras do jogo. Eles influenciam o software e a arquitetura eletrônica. Essas tendências impulsionam a complexidade e a interdependência das tecnologias. Por exemplo, novos sensores e aplicações inteligentes criarão . Se as empresas automóveis quiserem permanecer competitivas, precisam de processar e analisar dados de forma eficaz. Atualizações modulares de SOA e atualizações over-the-air (OTA) se tornarão requisitos essenciais para dar suporte a software complexo em frotas. Eles também são muito importantes para a implementação de novos modelos de negócios nos quais os recursos aparecem sob demanda. Haverá uma utilização crescente de sistemas de infoentretenimento e, embora em menor grau, de sistemas avançados . A razão é que há cada vez mais desenvolvedores de aplicativos terceirizados que fornecem produtos para veículos.
Devido às exigências de segurança digital, a estratégia de controle de acesso convencional deixa de ser interessante. É hora de mudar para , projetado para prever, prevenir, detectar e proteger contra ataques cibernéticos. À medida que surgem capacidades de condução altamente automatizada (HAD), precisaremos de convergência de funcionalidade, poder computacional superior e altos níveis de integração.
Explorando dez hipóteses sobre a futura arquitetura elétrica ou eletrônica
O caminho de desenvolvimento tanto da tecnologia como do modelo de negócio ainda não está claramente definido. Mas com base na nossa extensa investigação e opiniões de especialistas, desenvolvemos dez hipóteses sobre a futura arquitetura dos veículos elétricos ou eletrónicos e as suas implicações para a indústria.
A consolidação de unidades de controle eletrônico (ECU) se tornará cada vez mais comum
Em vez de múltiplas ECUs específicas para funções específicas (como no atual estilo “adicionar uma função, adicionar uma janela”), a indústria mudará para uma arquitetura de ECU de veículo unificada.
Na primeira fase, a maior parte da funcionalidade estará focada em controladores de domínio federados. Para domínios principais de veículos, eles substituirão parcialmente a funcionalidade atualmente disponível em ECUs distribuídas. O desenvolvimento já está em andamento. Esperamos que o produto final chegue ao mercado em dois ou três anos. É mais provável que a consolidação ocorra em pilhas relacionadas às funções ADAS e HAD, enquanto funções mais básicas do veículo podem reter um maior grau de descentralização.
Estamos caminhando para a direção autônoma. Portanto, a virtualização das funções de software e a abstração do hardware se tornarão essenciais. Esta nova abordagem pode ser implementada de diferentes maneiras. É possível combinar hardware em pilhas que atendam a diferentes requisitos de latência e confiabilidade. Um exemplo pode ser uma pilha de alto desempenho que suporta funcionalidades HAD e ADAS e uma pilha separada de baixa latência e orientada por tempo para funções básicas de segurança. Ou você pode substituir a ECU por um “supercomputador” de backup. Outro cenário possível é quando abandonamos completamente o conceito de unidade de controle em favor de uma rede de computação inteligente.
As mudanças são impulsionadas principalmente por três factores: custos, novos participantes no mercado e procura de HAD. A redução do custo de desenvolvimento de recursos e do hardware de computação necessário, incluindo equipamentos de comunicação, acelerará o processo de consolidação. O mesmo pode ser dito dos novos participantes no mercado automóvel que provavelmente irão revolucionar a indústria com uma abordagem centrada em software para a arquitetura dos veículos. A crescente demanda por funcionalidade e redundância do HAD também exigirá um maior grau de consolidação da ECU.
Alguns fabricantes de automóveis premium e os seus fornecedores já estão ativamente envolvidos na consolidação da ECU. Estão dando os primeiros passos para atualizar sua arquitetura eletrônica, embora no momento ainda não exista um protótipo.
Indústria limitará o número de pilhas utilizadas para equipamentos específicos
O suporte à consolidação normaliza o limite da pilha. Separará as funções do veículo e do hardware da ECU, o que inclui o uso ativo da virtualização. O hardware e o firmware (incluindo o sistema operacional) dependerão dos principais requisitos funcionais, em vez de fazerem parte do domínio funcional do veículo. Para garantir a separação e a arquitetura orientada a serviços, o número de pilhas deve ser limitado. Abaixo estão as pilhas que poderão formar a base para as futuras gerações de carros em 5 a 10 anos:
- Pilha orientada pelo tempo. Neste domínio, o controlador está diretamente conectado ao sensor ou atuador, enquanto os sistemas devem suportar requisitos rigorosos em tempo real, mantendo baixa latência; o agendamento de recursos é baseado no tempo. Esta pilha inclui sistemas que alcançam o mais alto nível de segurança veicular. Um exemplo é o domínio clássico Automotive Open Systems Architecture (AUTOSAR).
- Pilha orientada por tempo e evento. Essa pilha híbrida combina aplicativos de segurança de alto desempenho com suporte para ADAS e HAD, por exemplo. Os aplicativos e periféricos são separados pelo sistema operacional, enquanto os aplicativos são programados por tempo. Dentro de um aplicativo, o agendamento de recursos pode ser baseado no tempo ou na prioridade. O ambiente operacional garante que os aplicativos de missão crítica sejam executados em contêineres isolados, separando claramente esses aplicativos de outros aplicativos no veículo. Um bom exemplo é o AUTOSAR adaptativo.
- Pilha orientada a eventos. Esta pilha concentra-se no sistema de infoentretenimento, que não é crítico para a segurança. Os aplicativos são claramente dissociados dos periféricos e os recursos são agendados usando agendamento ideal ou baseado em eventos. A pilha contém funções visíveis e usadas com frequência: Android, Automotive Grade Linux, GENIVI e QNX. Esses recursos permitem que o usuário interaja com o veículo.
- Pilha de nuvens. A pilha final cobre o acesso aos dados e coordena-os externamente e às funções do veículo. Essa pilha é responsável pelas comunicações, bem como pela verificação (autenticação) da segurança da aplicação e estabelece uma interface automotiva específica, incluindo diagnóstico remoto.
Fornecedores automotivos e fabricantes de tecnologia já começaram a se especializar em algumas dessas pilhas. Um excelente exemplo é o sistema de infoentretenimento (pilha orientada a eventos), onde as empresas estão desenvolvendo capacidades de comunicação – 3D e navegação avançada. O segundo exemplo é a inteligência artificial e a detecção para aplicações de alto desempenho, onde os fornecedores estão a associar-se aos principais fabricantes de automóveis para desenvolver plataformas informáticas.
No domínio orientado ao tempo, AUTOSAR e JASPAR suportam a padronização dessas pilhas.
Middleware abstrairá aplicativos de hardware
À medida que os veículos continuam a evoluir em direção a plataformas de computação móvel, o middleware permitirá que os veículos sejam reconfigurados e que seu software seja instalado e atualizado. Hoje em dia, o middleware em cada ECU facilita a comunicação entre os dispositivos. Na próxima geração de veículos, ligará o controlador de domínio às funções de acesso. Usando o hardware da ECU no carro, o middleware fornecerá abstração, virtualização, SOA e computação distribuída.
Já existem evidências de que a indústria automóvel está a migrar para arquiteturas mais flexíveis, incluindo middleware. Por exemplo, a plataforma adaptativa AUTOSAR é um sistema dinâmico que inclui middleware, suporte a sistemas operacionais complexos e modernos microprocessadores multi-core. Contudo, os desenvolvimentos disponíveis neste momento estão limitados a apenas um ECU.
A médio prazo, o número de sensores a bordo aumentará significativamente
Nas próximas duas a três gerações de veículos, os fabricantes de automóveis instalarão sensores com funções semelhantes para garantir que as reservas relacionadas com a segurança sejam suficientes.
A longo prazo, a indústria automóvel desenvolverá soluções de sensores dedicadas para reduzir o seu número e custo. Acreditamos que combinar radar e câmera poderá ser a solução mais popular nos próximos cinco a oito anos. À medida que as capacidades de condução autónoma continuam a crescer, a introdução de lidars será necessária. Eles fornecerão redundância tanto no campo da análise de objetos quanto no campo da localização. Por exemplo, uma configuração de direção autônoma SAE International L4 (alta automação) provavelmente exigiria inicialmente de quatro a cinco sensores lidar, incluindo aqueles montados na parte traseira para navegação na cidade e visibilidade de quase 360 graus.
É difícil dizer algo sobre o número de sensores nos veículos a longo prazo. Ou seu número aumentará, diminuirá ou permanecerá o mesmo. Tudo depende da regulamentação, da maturidade técnica das soluções e da capacidade de utilização de múltiplos sensores em diferentes casos. Os requisitos regulamentares poderiam, por exemplo, aumentar a monitorização do condutor, levando a mais sensores dentro do veículo. Podemos esperar ver mais sensores eletrônicos de consumo usados no interior do veículo. Sensores de movimento, monitoramento de saúde (frequência cardíaca e sonolência), reconhecimento facial e de íris são apenas alguns dos possíveis casos de uso. Porém, para aumentar o número de sensores ou mesmo manter tudo igual, será necessária uma gama mais ampla de materiais, não apenas nos próprios sensores, mas também na rede do veículo. Portanto, é muito mais lucrativo reduzir o número de sensores. Com o advento de veículos altamente automatizados ou totalmente automatizados, algoritmos avançados e aprendizado de máquina podem melhorar o desempenho e a confiabilidade dos sensores. Graças a tecnologias de sensores mais potentes e capazes, sensores desnecessários podem não ser mais necessários. Os sensores usados hoje podem se tornar obsoletos - mais sensores funcionais aparecerão (por exemplo, sensores ultrassônicos podem aparecer em vez de um assistente de estacionamento baseado em câmera ou lidar).
Os sensores ficarão mais inteligentes
As arquiteturas de sistemas precisarão de sensores inteligentes e integrados para gerenciar as grandes quantidades de dados necessários para uma condução altamente automatizada. Funções de alto nível, como fusão de sensores e posicionamento XNUMXD, serão executadas em plataformas de computação centralizadas. Os loops de pré-processamento, filtragem e resposta rápida provavelmente estarão localizados na borda ou realizados dentro do próprio sensor. Uma estimativa estima que a quantidade de dados que um carro autônomo irá gerar a cada hora seja de quatro terabytes. Portanto, a IA passará da ECU para os sensores para realizar o pré-processamento básico. Requer baixa latência e baixo desempenho computacional, especialmente quando se compara o custo de processamento de dados em sensores e o custo de transmissão de grandes quantidades de dados em um veículo. A redundância das decisões rodoviárias no HAD exigirá, no entanto, convergência para a computação centralizada. Muito provavelmente, estes cálculos serão calculados com base em dados pré-processados. Sensores inteligentes monitorarão suas próprias funções, enquanto a redundância de sensores melhorará a confiabilidade, a disponibilidade e, portanto, a segurança da rede de sensores. Para garantir o desempenho adequado do sensor em todas as condições, serão necessárias aplicações de limpeza do sensor, como descongeladores e removedores de poeira e sujeira.
Serão necessárias redes de dados redundantes e com potência total
As aplicações essenciais e críticas para a segurança que exigem alta confiabilidade usarão ciclos totalmente redundantes para tudo o que for necessário para manobras seguras (comunicações de dados, energia). , os computadores centrais e as redes de computação distribuídas que consomem muita energia exigirão novas redes redundantes de gerenciamento de energia. Os sistemas tolerantes a falhas que suportam controle com fio e outras funções HAD exigirão o desenvolvimento de sistemas redundantes. Isto melhorará significativamente a arquitetura das implementações modernas de monitoramento tolerante a falhas.
"Ethernet automotiva" se tornará a espinha dorsal do carro
As redes automotivas atuais não são suficientes para atender às necessidades de transporte do futuro. O aumento das taxas de dados, os requisitos de redundância para HADs, a necessidade de segurança e proteção em ambientes conectados e a necessidade de protocolos padronizados entre setores provavelmente levarão ao surgimento da Ethernet automotiva. Tornar-se-á um facilitador essencial, especialmente para um barramento de dados central redundante. As soluções Ethernet serão necessárias para fornecer comunicações confiáveis entre domínios e atender às demandas em tempo real. Isto será possível graças à adição de extensões Ethernet, como Audio Video Bridging (AVB) e redes sensíveis ao tempo (TSN). Os representantes da indústria e a OPEN Alliance apoiam a adoção da tecnologia Ethernet. Muitas montadoras já deram esse grande passo.
As redes tradicionais, como redes de interconexão local e redes de controladores, continuarão a ser utilizadas no veículo, mas apenas para redes fechadas de nível inferior, como sensores. Tecnologias como FlexRay e MOST provavelmente serão substituídas pela Ethernet automotiva e suas extensões, AVB e TSN.
No futuro, esperamos que a indústria automotiva também utilize outras tecnologias Ethernet - HDBP (produtos de largura de banda de alto atraso) e tecnologias de 10 Gigabit.
Os OEMs sempre terão controle rigoroso sobre a conectividade de dados para garantir a segurança funcional e o HAD, mas abrirão interfaces para permitir o acesso de terceiros aos dados
Os gateways centrais de comunicação que transmitem e recebem dados críticos para a segurança sempre se conectarão diretamente ao back-end do OEM. O acesso aos dados será aberto a terceiros quando não for proibido pelas regras. O infotainment é um “anexo” do veículo. Nesta área, as interfaces abertas emergentes permitirão que os fornecedores de conteúdos e aplicações implementem os seus produtos, enquanto os OEM aderem aos padrões da melhor forma possível.
A atual porta de diagnóstico a bordo será substituída por soluções telemáticas conectadas. O acesso de manutenção à rede de veículos não será mais necessário, mas poderá fluir através de backends OEM. Os OEMs fornecerão portas de dados na parte traseira do veículo para determinados casos de uso (rastreamento de veículos roubados ou seguro pessoal). No entanto, os dispositivos pós-venda terão cada vez menos acesso às redes internas de dados.
Os grandes operadores de frotas desempenharão um papel mais importante na experiência do utilizador e criarão valor para os clientes finais. Eles poderão oferecer veículos diferentes para finalidades diferentes dentro da mesma assinatura (por exemplo, para deslocamento diário ou escapadelas de fim de semana). Eles serão obrigados a usar vários back-ends OEM e consolidar dados em suas frotas. Grandes bancos de dados permitirão então que os operadores de frota monetizem dados consolidados e análises não disponíveis no nível OEM.
Os carros usarão serviços em nuvem para combinar informações de bordo com dados externos
Os dados “não sensíveis” (ou seja, dados que não estão associados à identidade ou segurança) serão cada vez mais processados na nuvem para obter informações adicionais. A disponibilidade destes dados fora do OEM dependerá de leis e regulamentos futuros. À medida que os volumes crescem . A análise é necessária para processar informações e extrair dados importantes. Estamos comprometidos com a condução autônoma e outras inovações digitais. A utilização eficaz dos dados dependerá da partilha de dados entre vários intervenientes no mercado. Ainda não está claro quem fará isso e como. No entanto, os principais fornecedores automóveis e empresas de tecnologia já estão a construir plataformas automóveis integradas que podem lidar com esta nova riqueza de dados.
Componentes atualizáveis aparecerão em carros que suportarão comunicação bidirecional
Os sistemas de teste a bordo permitirão que os veículos verifiquem automaticamente se há atualizações. Poderemos gerenciar o ciclo de vida do veículo e suas funções. Todas as ECUs enviarão e receberão dados de sensores e atuadores, recuperando dados. Esses dados serão usados para desenvolver inovações. Um exemplo seria construir uma rota baseada nos parâmetros do veículo.
A capacidade de atualização OTA é obrigatória para o HAD. Com essas tecnologias, teremos novos recursos, segurança cibernética e implantação mais rápida de recursos e software. Na verdade, a capacidade de atualização OTA é a força motriz por trás de muitas das mudanças importantes descritas acima. Além disso, esta capacidade também requer uma solução de segurança abrangente em todos os níveis da pilha – tanto fora do veículo como dentro da ECU. Esta solução ainda não foi desenvolvida. Será interessante ver quem fará isso e como.
As atualizações do carro poderão ser instaladas como em um smartphone? A indústria precisa de superar as limitações nos contratos de fornecedores, os requisitos regulamentares e as preocupações de segurança e privacidade. Muitas montadoras anunciaram planos para lançar ofertas de serviços OTA, incluindo atualizações over-the-air para seus veículos.
Os OEMs padronizarão suas frotas em plataformas OTA, trabalhando em estreita colaboração com fornecedores de tecnologia nesta área. A conectividade nos veículos e as plataformas OTA tornar-se-ão em breve muito importantes. Os OEMs entendem isso e estão procurando ganhar mais propriedade neste segmento de mercado.
Os veículos receberão atualizações de software, recursos e segurança durante sua vida útil. As autoridades reguladoras provavelmente fornecerão manutenção de software para garantir a integridade do design do veículo. A necessidade de atualização e manutenção de software levará a novos modelos de negócios para manutenção e operação de veículos.
Avaliando o impacto futuro do software automotivo e da arquitetura eletrônica
As tendências que impactam a indústria automotiva estão criando incertezas significativas relacionadas ao hardware. No entanto, o futuro do software e da arquitetura eletrônica parece promissor. Todas as possibilidades estão abertas para a indústria: os fabricantes de automóveis poderiam formar associações industriais para padronizar a arquitetura dos veículos, os gigantes digitais poderiam implementar plataformas de nuvem integradas, os players de mobilidade poderiam fabricar seus próprios veículos ou desenvolver pilhas de veículos com código-fonte aberto e software de recursos, os fabricantes de automóveis poderiam introduzir carros autônomos cada vez mais sofisticados com conectividade à Internet.
Em breve, os produtos não serão mais centrados em hardware. Eles serão orientados a software. Esta transição será difícil para as empresas automobilísticas que estão acostumadas a produzir automóveis tradicionais. No entanto, dadas as tendências e mudanças descritas, mesmo as pequenas empresas não terão escolha. Eles terão que se preparar.
Vemos várias etapas estratégicas principais:
- Ciclos de desenvolvimento de veículos e funções de veículos separados. Os OEMs e os fornecedores de nível XNUMX devem decidir como desenvolverão, oferecerão e implantarão recursos. Devem ser independentes dos ciclos de desenvolvimento dos veículos, tanto do ponto de vista técnico como organizacional. Dados os atuais ciclos de desenvolvimento de veículos, as empresas precisam encontrar uma forma de gerir a inovação de software. Além disso, devem considerar opções de atualizações e upgrades (como unidades de computação) para frotas existentes.
- Definir valor agregado alvo para desenvolvimento de software e eletrônicos. Os OEMs devem identificar recursos diferenciadores para os quais possam estabelecer padrões de referência. Além disso, é fundamental definir claramente o valor acrescentado pretendido para os seus próprios desenvolvimentos de software e eletrónica. Você também deve identificar áreas onde os produtos serão necessários e tópicos que só deverão ser discutidos com o fornecedor ou parceiro.
- Defina um preço explícito para o software. Para dissociar o software do hardware, os OEMs precisam repensar os processos e mecanismos internos para comprar software diretamente. Além da customização tradicional, também é importante analisar como uma abordagem ágil ao desenvolvimento de software pode ser vinculada ao processo de aquisição. É aqui que os fornecedores (nível um, nível dois e nível três) também desempenham um papel crítico, pois precisam fornecer um valor comercial claro às suas ofertas de software e sistemas para que possam capturar uma parcela maior da receita.
- Desenvolva um diagrama organizacional específico para a nova arquitetura eletrônica (incluindo backends). A indústria automobilística precisa mudar os processos internos para entregar e vender produtos eletrônicos e software avançados. Eles também precisam considerar diferentes configurações organizacionais para tópicos eletrônicos relacionados a veículos. Basicamente, a nova arquitetura “em camadas” exige a potencial ruptura da atual configuração “vertical” e a introdução de novas unidades organizacionais “horizontais”. Além disso, há necessidade de expandir as capacidades e habilidades dos desenvolvedores de software e eletrônicos em equipes.
- Desenvolva um modelo de negócios para componentes individuais de veículos como um produto (especialmente para fornecedores). É fundamental analisar quais recursos agregam valor real à arquitetura futura e podem, portanto, ser monetizados. Isso ajudará você a se manter competitivo e a capturar uma parcela significativa do valor da indústria eletrônica automotiva. Posteriormente, será necessário encontrar novos modelos de negócios para a venda de software e sistemas eletrônicos, seja um produto, um serviço ou algo completamente novo.
À medida que a nova era do software e da eletrónica automóvel começa, muda fundamentalmente tudo sobre os modelos de negócio, as necessidades dos clientes e a natureza da concorrência. Acreditamos que muito dinheiro será ganho com isso. Mas para capitalizar as mudanças iminentes, todos na indústria devem repensar a sua abordagem à produção automóvel e definir (ou alterar) as suas ofertas com sabedoria.
Este artigo foi desenvolvido em colaboração com a Global Semiconductor Alliance.
Fonte: habr.com