Новые подходы в дизайне автомобилей

Четыре больших сдвига в дизайне и использовании автомобилей начинают сходиться — электрификация, расширение возможностей подключения, автономное вождение и совместное использование автомобилей — создавая волновой эффект в цепочке поставок автомобильной электроники.

За последние несколько лет электронное содержание автомобилей и других транспортных средств выросло, и электрические системы заменили традиционные механические и электромеханические подсистемы. Это стало ключевой движущей силой для роста полупроводников, и автономные транспортные средства являются детищем этой работы. Но появление этого рынка также приведет к глубоким технологическим и социологическим изменениям.

Со стороны дизайна это уже очевидно. Автомобильная электроника попадает в сферу функциональной безопасности, которая ранее была ограничена медицинскими приборами и военными / аэрокосмическими приложениями. Производители транспортных средств требуют, чтобы каждый участник их цепочки поставок электроники был сертифицирован как соответствующий действующим стандартам, а это означает, что микросхемы, разработанные для частей транспортного средства, которые непосредственно не связаны с безопасностью, теперь должны соответствовать самым строгим правилам.

«Стандарт ISO 26262 устанавливает высокую планку для функциональной проверки и устранения систематических неисправностей, а также возможность обрабатывать случайные последствия неисправностей в операционных устройствах», — сказал Дэвид Лэндолл, архитектор решений OneSpin Solutions. «Некоторые поставщики EDA получают внешнюю сертификацию на соответствие этому стандарту. Это облегчает их клиентам, поставщикам полупроводников, выполнение требований соответствия функциональной безопасности и, в свою очередь, производителям подсистем и транспортных средств делать то же самое ».

По словам Томаса Вонга (Thomas Wong), директора по развитию бизнеса в группе IP в Cadence, дизайнеры SoC обычно стремятся к 10-летнему сроку службы, когда дело доходит до показателей надежности, которые основаны на текущей модели использования и профиле миссии. «Если вы посмотрите на модель использования сегодня, мы едем на работу, припарковываем наши машины и едем домой в 6 часов вечера. Таким образом, вы едете около 20 миль на работу, припаркуете свою машину на 8 часов, а затем — 20 миль, чтобы ехать домой. , Это ваш профиль миссии. Принятие конструктивных ограничений для отражения меняющегося профиля миссии в автомобильной промышленности не является чем-то новым. Рассмотрим полицейские патрульные машины или такси. Их модель использования сильно отличается от того, как средний человек использует их автомобиль. Для полицейских автомобилей и такси будут использоваться шины для тяжелых условий эксплуатации, усиленные подвески, улучшенные тормоза, аккумуляторы большего размера, различные передаточные числа, более мощные коробки передач, и более надежные закуски, между прочим. Основная причина включения более надежных механических и гидравлических систем в эти типы транспортных средств состоит в том, чтобы продлить срок службы транспортного средства. В связи с тенденцией к росту в области электромобилей и автономного вождения системы, которые должны быть более надежными, являются не просто механическими частями. Теперь мы должны убедиться, что все полупроводниковые микросхемы и SoC, которые действительно являются мозгом транспортных средств, выполняют свою миссию на основе новой модели использования и профиля миссии », — сказал он.

Добавьте к этому сочетание автономного вождения и совместного использования автомобилей. «При автономном вождении вы, возможно, захотите отправить свою машину домой, чтобы кто-то еще дома мог ею пользоваться, пока вы на работе», — сказал Вонг. «Затем в 5 часов вечера вы вызываете свой автономный автомобиль, чтобы пойти в офис и забрать вас, и вы идете домой. С электрификацией ваша цена за милю падает, так что вы, вероятно, увидите, что этот сценарий станет реальностью. Вместо двух 20-мильных поездок теперь ваш автомобиль будет проезжать 4 раза по 20 миль, в общей сложности 80 миль в день ».

Вторым сценарием может быть соглашение о совместном использовании автомобилей, сказал он. «Это может быть автосервис без водителя, и ваш автомобиль приносит вам деньги, пока вы находитесь в офисе. Поэтому ваша машина используется 10 часов в день. Подумайте об износе автомобиля. Что еще более важно, как это повлияет на полупроводники, используемые в различных системах вашего автомобиля? Как эти два сценария повлияют на дизайн полупроводников и оценку надежности? »

С появлением любого из этих новых сценариев вождения следует уделять больше внимания случаям использования, которые не были проблемой в прошлом. Это приводит к появлению чипов, которые теперь должны разрабатывать технологические и проектные правила, которые были бы более устойчивыми, чтобы противостоять этому новому уровню использования. А это, в свою очередь, приводит к созданию более надежных транзисторов, новых материалов для металлизации, улучшенных моделей старения, а также к более строгим рекомендациям по проектированию для обеспечения надежности (DfR) и проектированию для производства (DfM), сказал Вонг. «Дизайнеры, возможно, должны более тесно сотрудничать с литейными цехами, чтобы понять механизмы отказа. Модели расширенной надежности должны быть разработаны для обеспечения анализа EM / IR, и должны быть приняты меры для повышения надежности и надежности SoC, такие как обеспечение большего охвата посредством покрытия и методология для реализации избыточных переходов ».

Затем необходимо пересмотреть требования, предусмотренные в AEC-Q100, чтобы определить, необходимо ли обновить эту спецификацию, чтобы отразить модели интенсивного использования в результате совместного использования автомобилей и автономных транспортных средств. «Мы уже видим влияние этих тенденций. Полупроводниковые литейные заводы развернули автомобильные процессы. Дизайн для надежности и дизайн для правил производства были созданы. Компании по производству микросхем вложили средства в обучение своих инженеров навыкам функциональной безопасности. ISO 26262 и готовность к ASIL являются новыми обязательными модными словами. Производители автомобилей и компании, специализирующиеся на технологиях, изучают, как создавать более надежные SoC, которые необходимы по мере приближения к автономным транспортным средствам уровня 3, 4 и 5: резервирование, шаг блокировки, функции активной безопасности, проверка функциональной безопасности, блоки IP с поддержкой ASIL.

Требуется более высокая пропускная способность

Наряду с этими сдвигами происходит одновременный сдвиг в сторону большей связности. В то время как большая часть внимания первоначально была сосредоточена вне транспортного средства с передачей данных между транспортными средствами и транспортными средствами к инфраструктуре, все большее внимание уделяется перемещению огромных объемов данных внутри этих транспортных средств. Автомобильные камеры, радары и LiDAR будут генерировать потоковые видеоданные, и на данный момент неясно, где будут проверяться и обрабатываться все эти данные. Но ясно одно — большие объемы данных должны быть быстро перемещены для автономных транспортных средств, чтобы избежать несчастных случаев.

«Для автомобильной промышленности очевидно, что устаревшие сетевые решения в автомобиле действительно подвергались сомнению с точки зрения пропускной способности и безопасности, а также с перспективой на архитектуру следующего поколения с 2020 по 2025 год и далее», — сказал Тим Лау, старший директор по маркетингу продуктов для автомобильного Ethernet. в Марвелле. «Вот почему вся автомобильная промышленность действительно начала смотреть на другие технологии и, в частности, поняла, что оптимальным решением для высокоскоростного сетевого подключения в автомобиле является автомобильный Ethernet».

Это, в свою очередь, вызывает значительные изменения в автомобильной промышленности. Это влияет на то, что ищут OEM-производители и поставщики первого уровня, а также на то, как они взаимодействуют с другими компаниями в цепочке поставок для ECU следующего поколения, сказал Лау.

Изменение требований к обработке

Все эти данные также оказывают существенное влияние на требования к обработке автомобильных систем. «Поскольку больше решений принимается транспортным средством, а не водителем — что становится требованием для некоторых роботов-такси с совместным проездом — тогда в вычислительных платформах автомобиля требуется больше интеллекта и, следовательно, производительности обработки», — сказал Роберт Дэй, директор автомобильных решений и платформ для бизнеса Embedded & Automotive Line в Arm «В некоторых случаях это приводит к более централизованным компьютерным компьютерам, которые принимают большое количество сенсорной информации и выполняют детальное восприятие и обработку решений, что приводит к функции активации, необходимой для действовать.»

Таким образом, в производительности требуется большой скачок, но он все равно должен соответствовать строгим требованиям к мощности, пространству и температуре современного автомобиля. «В других конструкциях функция восприятия приближается к датчику, а центральный вычислительный механизм принимает решения на основе информации, поступающей от узлов интеллектуального датчика», — сказал Дэй. «В обоих случаях требуется повышение производительности вычислений без ущерба для мощности, доступной в транспортном средстве, что приводит к более производительным ЦП приложений, предоставляемым в многоядерных кластерах, с дополнительными двигателями ускорения, такими как графические процессоры, процессоры видения и процессоры машинного обучения. в автомобильные SoCs. Все эти вычислительные функции также нуждаются в более высоких уровнях безопасности, поскольку решения и действия должны соответствовать тем же или более высоким уровням безопасности, что и функции, инициируемые водителем.

Рис. 1: Расчет функций, необходимых для автономных транспортных средств

И хотя стандарт ISO 26262 обсуждается свободно, существуют дополнительные проблемы регулирования или безопасности, которые также должны быть учтены при разработке IP полупроводников.

«В дополнение ко второй редакции ISO 26262, которая будет выпущена позднее в этом году, и ко всем другим установленным стандартам функциональной безопасности, таким как IEC 61508, IEC 61511, серии EN 5012X, DO-254 и т. Д., Появляется новая нормативно-правовая база.

Это называется SOTIF (Безопасность предполагаемой функции), которая будет выпущена под ISO PAS 21448. Цель этого документа — охватить валидацию и верификацию систем со сложным зондированием и алгоритмами, чьи ограничения в производительности могут вызвать угроза безопасности при отсутствии неисправности. Хотя большинство видов деятельности, определенных в этом новом руководстве, относятся к транспортному средству и системному уровню, они будут иметь прямое влияние на требования к SoC и IP, способствуя получению требований к производительности, которые будут непосредственно распределены по этим элементам », — отметил Дэй.

Усовершенствованные узлы играют роль в автомобильной

Есть дополнительные воздействия на процесс проектирования полупроводников от автомобильной экосистемы, которая ведет вниз по дороге к автономному и связанному, совместному использованию электромобилей.

«Мы начинаем видеть, что компании планируют делать раскладки на 7 нм (самый совершенный на сегодняшний день узел finFET), и они планируют делать автомобильные микросхемы по этой технологии», — сказал Наврадж Нандра, старший директор по маркетингу решений DesignWare Analog и MSIP. Группа в Synopsys. «Это очень удивительно, потому что обычно люди думают об автомобиле как о очень стабильном, используя технологии с очень длинными циклами разработки и квалификации. Но вся эта цепочка поставок была полностью переделана, потому что такие компании, как Nvidia, например, сейчас предоставляют чипсеты для автомобильной промышленности. Но они не происходят из традиционной автомобильной цепочки поставок, поэтому они не обременены всеми этими огромными накладными расходами, которым должны были следовать традиционные поставщики. Для них они нуждаются в последних и лучших в очень короткие сроки,

По словам Нандры, с точки зрения IP, автомобилестроение движет технологическими узлами следующего поколения. «Кроме того, количество программных и цифровых реализаций в автомобильных чипах выросло феноменально. Это означает, что с цифровой частью и частью программного обеспечения вы все равно должны соответствовать всем требованиям функциональной безопасности. Раньше люди говорили о отказоустойчивой функциональной безопасности в контексте полупроводниковых микросхем, и теперь это связано с вашим программным обеспечением, что является очень интересной темой. Как вы делаете свое программное обеспечение, которое находится на вашем SoC, которое обеспечивает функциональную безопасность некоторых блоков IP, в соответствии с требованиями ISO26262?»

Надежность, требования безопасности

Роберт Эйткен, сотрудник Arm Fellow, отметил, что к усовершенствованным автомобильным приложениям предъявляются дополнительные требования, помимо того, что предъявляют многие другие клиенты с точки зрения их требований к надежности или потребностей в тестировании. «Для надежности, он разделен на категории, которым нравится мягкая защита от ошибок, и как она работает с течением времени, что может включать в себя возраст цепи. Это требования, которые зачастую менее строгие, чем в некоторых других областях. Например, для автомобильного дизайна, если он собирается сидеть в автомобиле и ожидаемый срок службы составляет 10 или 20 лет, то вам необходимо убедиться, что память будет обладать достаточной остаточной производительностью, которая по мере старения и производительности устройства ухудшается. , это все еще будет работать ».

Все чаще существует и требование безопасности. Это и тема исследования, и практическое применение для многих проектов и зашифрованной памяти. «В зависимости от приложения вы не хотите, чтобы кто-то мог украсть данные», — сказал Эйткен. «С точки зрения SRAM, это не всегда важно, потому что вероятность того, что кто-то собирается взломать и украсть ваши данные SRAM, невелика. Прежде всего, это действительно сложно сделать. И во-вторых, для многих приложений IOT не очевидно, почему кто-то захочет это сделать. Но для таких вещей, как DRAM, были ситуации, когда кто-то фактически замораживал чип DRAM, он снимал его с платы и расшифровывал на досуге. В этих ситуациях, если содержимое DRAM зашифровано, вы получаете бесполезную информацию. Но если они представлены в виде простого текста, вы получите все виды интересных вещей ».

Однако не все это нужно делать с нуля. Сегменты рынка, включая сетевые и корпоративные серверы, предъявляют те же требования к надежности, что и автомобильные.

«Исходя из качества, которое требуется в этих сетях, чипы оборудования в сети должны проработать 10 лет, а значит, долгий срок службы», — отметил Фрэнк Ферро, старший директор по управлению продуктами в Rambus. «Мы уже разработали нашу IP для очень высоких расширенных температурных диапазонов и провели обширные испытания, поэтому это был легкий шаг для продвижения на автомобильный рынок. Требования очень похожи, а в некоторых случаях автомобильные требования могут быть даже не такими строгими, в зависимости от типов сертификации, как некоторые из сетевых рынков ».

Возможности в автомобильном сегменте в целом также побуждают поставщиков переосмыслить технологию другими способами, и способы ее применения здесь. Одной из таких областей является добыча данных и анализ данных. Автомобильная индустрия ставит перед междисциплинарными командами инженеров одни из самых сложных задач по проектированию систем, и поэтому для того, чтобы здесь добиться успеха, необходимо сделать все остановки.

«Задача теперь не только автомобильная, теперь вам нужно не только убедиться, что дизайн работает должным образом, вы должны перевернуть его с ног на голову и смоделировать / имитировать неправильное поведение дизайна, чтобы в тех случаях, когда это действительно может произойти, дизайн может быть изменен, чтобы иметь возможность корректно выйти из ошибки », — сказал Марк Олен, менеджер по маркетингу продуктов в Mentor, A Siemens Business. «Математик во мне говорит, что это проблема N в квадрате, и мне будет очень любопытно увидеть, как мы попытаемся решить эту проблему на том уровне сигмы, к которому стремятся дизайны. Все понимают, что на самом деле не практично доказать 100% качество. , а вы можете сделать 99,9999%? Экономика начинает играть там с цифрами один на несколько миллионов. Но что теперь происходит, когда вы говорите о целой сети летающих автомобилей с автономным управлением? »

Далее, единственный способ решить некоторые из этих проблем алгоритмически на пути к полностью автономным транспортным средствам — это с помощью нейронных сетей или недетерминированных алгоритмов, сказал Курт Шулер, вице-президент по маркетингу в ArterisIP. «Тем не менее, это сочетается с функциональной безопасностью, поэтому должны быть границы, потому что это F = MA, и в машине чертовски много М, а иногда и А тоже много. Есть ограничения в реальном времени, и это включает в себя проблему прослеживаемости. Все говорят, что с программным обеспечением система станет лучше, но тогда возникает вопрос: «О, вы изменили программное обеспечение, вы изменили систему. Теперь вам нужно ехать на этой машине и получить сертификацию, чтобы самостоятельно проехать этот трек ». Будет ли отрасль делать это? Нет. Нам нужно многое сделать до того, как это станет реальностью ».

Этот сдвиг в мышлении включает в себя определение наилучшего способа заставить систему выполнять фактические вычисления.

«Появление автономного сектора вождения во многом предвещает возврат к прошлому, в то же время делая чистый прорыв в других», — сказал Срикант Ренгараджан, вице-президент по продуктам и развитию бизнеса в Austemper Design Systems. «Правильные вычисления, например, всегда были предполагаемым императивом без отклонений или допусков на отклонения. DSP и подобные задачи были в основном вспомогательными задачами. В машине основная часть обработки, скажем, набора микросхем ADAS, носит эвристический характер. Доминирующие нейронные алгоритмы основаны на стохастике, допускается отклонение. Для разработчика микросхем это смещает акцент с абсолютной корректности на приблизительные вычисления. Полная точность достигается за счет перекрестных проверок на уровне системы, многоканальных вычислений и модульного резервирования, что дает разработчикам чипов больше возможностей.

Нигде это не проявляется так явно, как в сегменте функциональной безопасности, где допускается неправильная работа, если она вероятностно ограничена или может быть обнаружена в пределах интервала отказоустойчивости. Этот подход внедряется в промышленность через ISO26262 и соответствующие стандарты, сказал Ренгараджан.

Сбои в цепочке поставок

Учитывая количество движущихся частей в подключенной, электрической, автономной модели совместного использования автомобилей, в дополнение к решению технических проблем, могут быть и деловые последствия.

«Темпы инноваций для автономных систем резко возрастают, что очень сильно меняет сроки поставки нового кремния для автомобильной промышленности», — сказал Arm’s Day. «Это изменение может рассматриваться как разрушительное для цепочки поставок и может привести к появлению новых игроков на рынке. Увеличение количества программного обеспечения в транспортном средстве с введением автономных функций также означает, что Arm необходимо понимать и поддерживать эту новую экосистему, гарантируя, что эти огромные программные стеки оптимизированы для архитектуры Arm, и рассматривая новые функции, которые Arm может производить для повысить производительность и эффективность системы ».

Хотя некоторые полагают, что отрасль имеет горизонт в поле зрения, вице-президент по маркетингу Helic Мэгди Абадир отметила, что полный удар по всему этому еще не виден. «Автомобили всегда были областью, где люди беспокоятся о надежности и безопасности», — сказал он. «Исторически сложилось так, что речь шла о более высоких стандартах качества, более высоких стандартах надежности, о большей склонности к риску и консервативности при внедрении новых технологий. Это происходит из-за страха перед какой-либо катастрофой, которая может привести к тому, что кто-то будет стоить жизни, или ответственность слишком высока, а гарантии слишком дороги ».

По мере того, как технологии продолжают развиваться и совершенствоваться, будут введены строгие стандарты, требования и спецификации, так что к тому времени, когда они будут подключены, автомобили с электрическим приводом будут готовы, и разработчики полупроводников и систем будут работать над многими изломами. Но по крайней мере в обозримом будущем большие сдвиги принесут другие сдвиги, и результат будет как значительным, так и широко распространенным.

Back to Top