ماكينزي: إعادة النظر في هندسة البرمجيات والالكترونيات في السيارات

مع استمرار السيارة في الانتقال من الأجهزة التي تعتمد على الأجهزة إلى الأجهزة التي تسيطر عليها البرمجيات ، تتغير قواعد المنافسة في صناعة السيارات.

كان المحرك هو النواة التكنولوجية والهندسية لسيارة القرن العشرين. اليوم ، لعبت هذا الدور بشكل متزايد من قبل البرمجيات ، وقوة الحوسبة الكبيرة وأجهزة الاستشعار الحديثة ؛ ترتبط معظم الابتكارات مع كل هذا. يعتمد كل شيء على هذه الأشياء ، بدءًا من كفاءة السيارات ووصولها إلى الإنترنت وإمكانية القيادة المستقلة ، والتي تنتهي بالتنقل الكهربائي والحلول النقالة الجديدة.

ومع ذلك ، إلى جانب أهمية الإلكترونيات والبرمجيات ، يتزايد مستوى تعقيدها أيضًا. خذ على سبيل المثال العدد المتزايد من سطور الكود (SLOC) الموجودة في السيارات الحديثة. في عام 2010 ، كان بعض السيارات حوالي عشرة ملايين SLOCs. بحلول عام 2016 ، زاد هذا الرقم بنسبة 15 مرة وبلغ حوالي 150 مليون سطر من الكود. يسبب التعقيد الشبيه بالانهيار الجليدي مشاكل خطيرة في جودة البرنامج ، كما يتضح من العديد من المراجعات للسيارات الجديدة.

السيارات لديها مستوى متزايد من الحكم الذاتي. لذلك ، يعتبر العاملون في صناعة السيارات أن جودة وسلامة البرامج والأجهزة الإلكترونية من المتطلبات الأساسية لضمان سلامة الأشخاص. تحتاج صناعة السيارات إلى إعادة التفكير في الأساليب الحديثة للبرمجيات ، وكذلك في الهندسة الكهربائية والإلكترونية.

حل مشكلة الصناعة الحادة

مع انتقال صناعة السيارات من الأجهزة القائمة على الأجهزة إلى الأجهزة التي تسيطر عليها البرمجيات ، فإن متوسط ​​عدد البرامج والأجهزة الإلكترونية في السيارة ينمو بسرعة. اليوم ، يمثل البرنامج 10٪ من إجمالي محتوى السيارة لشريحة أكبر من D أو مركبة أكبر (حوالي 1،220 دولارًا). من المتوقع أن ينمو متوسط ​​حصة البرنامج بنسبة 11 ٪. من المتوقع أنه بحلول عام 2030 سيمثل البرنامج 30٪ من إجمالي محتويات السيارات (حوالي 5200 دولار). مما لا يثير الدهشة ، أن الأشخاص المشتركين في مرحلة أو أخرى من صناعة السيارات يحاولون الاستفادة من الابتكارات التي يتم تنفيذها باستخدام البرامج والإلكترونيات.



لم تعد شركات البرمجيات والمشغلات الرقمية الأخرى تريد أن تكون في الخلفية. انهم يحاولون جذب شركات صناعة السيارات والموردين من الدرجة الأولى. تعمل الشركات على توسيع مشاركتها في "تكدس" تكنولوجيا السيارات من خلال الانتقال من الميزات والتطبيقات إلى أنظمة التشغيل. في الوقت نفسه ، دخلت الشركات المعتادة على العمل مع الأنظمة الإلكترونية بجرأة في مجال تطبيق التقنيات والتطبيقات من عمالقة التقنية. لا تقف شركات تصنيع السيارات الفاخرة في وضع ثابت وتقوم بتطوير أنظمة التشغيل الخاصة بها ، وتجريد الأجهزة وطرق معالجة الإشارات بحيث تكون منتجاتها فريدة من نوعها بطبيعتها.

الاستراتيجية المذكورة أعلاه لها عواقب. في المستقبل ، نحن في انتظار بنية الخدمات الموجهة (SOA) للسيارة القائمة على منصات الحوسبة المشتركة. سيضيف المطورون الكثير من الأشياء الجديدة: حلول في مجال توفير الوصول إلى الإنترنت والتطبيقات وعناصر الذكاء الاصطناعي والتحليلات المتقدمة وأنظمة التشغيل. لن تكون الاختلافات في أجهزة السيارات التقليدية ، ولكن في واجهة المستخدم وفي العمل مع البرامج والإلكترونيات المتقدمة.

سوف تنتقل سيارات المستقبل إلى منصة المزايا التنافسية للعلامة التجارية الجديدة.



على الأرجح ، ستشمل الابتكارات في مجال المعلومات والترفيه ، وقدرات القيادة المستقلة وميزات الأمان الذكية القائمة على السلوك "المتسامح مع الأعطال" (على سبيل المثال ، نظام يمكنه أداء وظيفته الرئيسية ، حتى لو فشل جزء منها). سيستمر البرنامج في تحريك المكدس الرقمي ليصبح جزءًا من الجهاز تحت ستار أجهزة الاستشعار الذكية. ستصبح الأكوام متكاملة بشكل أفقي وستتلقى مستويات جديدة تترجم البنية إلى الخدمية.

اتجاهات الموضة تغير قواعد اللعبة. أنها تؤثر على البرمجيات والهندسة المعمارية الإلكترونية. تحدد هذه الاتجاهات مدى تعقيد التكنولوجيا وترابطها. على سبيل المثال ، ستنشئ المستشعرات والتطبيقات الذكية الجديدة "طفرة في البيانات" في السيارة . إذا أرادت شركات السيارات أن تظل قادرة على المنافسة ، فإنها تحتاج إلى معالجة البيانات وتحليلها بكفاءة. ستكون تحديثات الخدمية المعيارية والتحديثات اللاسلكية (OTA) من المتطلبات الرئيسية لدعم برامج الأسطول المتطورة. كما أنها مهمة جدًا لتنفيذ نماذج أعمال جديدة تظهر فيها الوظائف حسب الطلب. أنظمة المعلومات والترفيه ، وإلى حد أقل ، سيتم استخدام أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) أكثر وأكثر. السبب هو أن هناك المزيد والمزيد من مطوري التطبيقات من الجهات الخارجية الذين يقدمون منتجات للسيارات.

نظرًا لمتطلبات الأمان الرقمية ، لم تعد استراتيجية التحكم في الوصول التقليدية مثيرة للاهتمام. حان الوقت للانتقال إلى مفهوم الأمان المتكامل المصمم للتنبؤ بالهجمات السيبرانية ومنعها واكتشافها وحمايتها. عندما تتوفر إمكانيات قيادة آلية عالية (HADs) ، نحتاج إلى تقارب وظيفي ، وقدرة فائقة على الحوسبة ودرجة عالية من التكامل.

دراسة عشرة فرضيات حول الهندسة الكهربائية أو الإلكترونية المستقبلية

لم يتم تحديد مسار التطوير لكل من التكنولوجيا ونموذج الأعمال بشكل واضح. ولكن استنادًا إلى أبحاثنا الواسعة وآراء الخبراء ، قمنا بتطوير عشرة فرضيات تتعلق بالهندسة الكهربائية أو الإلكترونية المستقبلية للسيارة وعواقبها على الصناعة.

على نحو متزايد ، سيتم دمج وحدات التحكم الإلكترونية (ECU / ECU).

بدلاً من العديد من وحدات التحكم الإلكترونية المحددة لوظائف محددة (كما في النموذج الحالي بأسلوب "إضافة وظيفة ، إضافة نافذة") ، ستتحول الصناعة إلى الهيكل الموحد للسيارة وحدة التحكم الإلكترونية.

في المرحلة الأولى ، ستركز معظم الوظائف على وحدات تحكم المجال المتكاملة. بالنسبة لنطاقات المركبات الرئيسية ، ستحل هذه الأجهزة جزئيًا محل الوظائف المتوفرة الآن في وحدات التحكم الإلكترونية الموزعة. التنمية جارية بالفعل. نحن في انتظار المنتج النهائي في السوق في غضون سنتين إلى ثلاث سنوات. من المحتمل أن يحدث الدمج في المداخن المرتبطة بوظائف ADAS و HAD ، بينما قد يحتفظ المزيد من وظائف السيارة الأساسية بدرجة أعلى من اللامركزية.

نحن نتحرك نحو القيادة الذاتية. لذلك ، فإن المحاكاة الافتراضية لوظائف البرنامج والاستخراج من الأجهزة ستصبح ضرورية ببساطة. يمكن تنفيذ هذا النهج الجديد بطرق مختلفة. يمكنك دمج الأجهزة في مكدسات تلبي متطلبات مختلفة فيما يتعلق بالاختفاء والموثوقية. على سبيل المثال ، يمكنك استخدام مكدس عالي الأداء يدعم وظائف HAD و ADAS ، ومكدس منفصل يتم التحكم فيه بواسطة الوقت مع زمن استجابة منخفض لوظائف الأمان الأساسية. أو يمكنك استبدال الكمبيوتر بنسخة احتياطية واحدة "كمبيوتر فائق". سيناريو آخر ممكن هو عندما نتخلى تماما عن مفهوم وحدة التحكم لصالح شبكة الكمبيوتر الذكية.

وتحدث التغييرات في المقام الأول عن ثلاثة عوامل: التكاليف ، والمشاركين الجدد في السوق والطلب على HAD. إن تخفيض تكلفة تطوير الميزات ومعدات الحوسبة اللازمة ، بما في ذلك معدات الاتصالات ، سوف يسرع عملية الدمج. يمكن قول الشيء نفسه عن الداخلين الجدد إلى سوق السيارات ، والتي من المحتمل أن تقوض الصناعة من خلال نهج موجه نحو هندسة هيكل السيارة. الطلب المتزايد على وظائف HAD والتكرار سوف يتطلب أيضًا درجة أعلى من دمج وحدة التحكم الإلكترونية.

بعض شركات صناعة السيارات الممتازة ومورديها يشاركون بالفعل بنشاط في تعزيز وحدة التحكم الإلكترونية إنهم يتخذون الخطوات الأولى لتحديث بنيتهم ​​الإلكترونية ، رغم أنه لا يوجد في الوقت الحالي نموذج أولي حتى الآن.

ستحد الصناعة من عدد المداخن المستخدمة لمعدات محددة

تتبع الدمج يضبط قيود المكدس. سيتيح لك فصل وظائف السيارة وأجهزة الكمبيوتر ، بما في ذلك الاستخدام الفعلي للمحاكاة الافتراضية. تعتمد الأجهزة والبرامج الثابتة (بما في ذلك نظام التشغيل) على المتطلبات الوظيفية الأساسية ، وليس على جزء المجال الوظيفي للسيارة. لتوفير بنية فاصلة وموجهة نحو الخدمة ، يلزمك الحد من عدد الكدسات. فيما يلي الأكوام التي يمكن أن تصبح أساسًا للأجيال القادمة من السيارات خلال 5-10 سنوات:

• الوقت مدفوعة كومة. في هذا المجال ، يتم توصيل وحدة التحكم مباشرة بالمستشعر أو بالمشغل ، في حين يجب أن تدعم الأنظمة المتطلبات الصارمة في الوقت الفعلي وفي نفس الوقت يكون لها زمن انتقال منخفض ؛ تخطيط الموارد يعتمد على الوقت. تشتمل هذه المجموعة على الأنظمة التي تحقق أعلى مستوى من سلامة السيارة. مثال على ذلك هو المجال الكلاسيكي لهندسة السيارات مفتوحة المصدر (AUTOSAR).
• كومة يقودها الوقت والأحداث. تجمع هذه المجموعة المختلطة بين تطبيقات الأمان عالية الأداء من خلال ، على سبيل المثال ، دعم ADAS و HAD. يتم فصل التطبيقات والأجهزة الطرفية عن طريق نظام التشغيل ، في حين يتم جدولة التطبيقات في الوقت المناسب. ضمن التطبيق ، يمكن أن يستند تخطيط الموارد إلى الوقت أو الأولوية. تتيح بيئة التشغيل تنفيذ التطبيقات الهامة في الحاويات المعزولة ، والتي تفصل بوضوح بين هذه التطبيقات والتطبيقات الأخرى في السيارة. مثال جيد على ذلك هو AUTOSAR التكيفي.
• الحدث مدفوعة كومة. يركز هذا المكدس على نظام المعلومات والترفيه غير الضروري للأمان. يتم فصل التطبيقات بوضوح عن الأجهزة الطرفية ، ويتم تخطيط الموارد باستخدام التخطيط الأمثل أو القائم على الحدث. تحتوي الحزمة على وظائف مرئية شائعة الاستخدام: Android و Automotive Grade Linux و GENIVI و QNX. هذه الوظائف تسمح للمستخدم بالتفاعل مع السيارة.
• كومة سحابة. يغطي المكدس الأخير الوصول إلى البيانات وينسقها ووظائف السيارة من الخارج. هذه المكدس مسؤولة عن الاتصال ، وكذلك عن التحقق من أمان التطبيق (المصادقة) ، وإعداد واجهة سيارة معينة ، بما في ذلك التشخيص عن بعد.

بدأت شركات صناعة السيارات ومصنعو التكنولوجيا بالفعل في التخصص في بعض هذه المداخن. ومن الأمثلة الصارخة على ذلك نظام المعلومات والترفيه (مكدس يحركه الحدث) ، حيث تقوم الشركات بتطوير قدرات الاتصالات - ثلاثي الأبعاد والتنقل المتقدم. والمثال الثاني هو الذكاء الاصطناعي والاستشعار للتطبيقات عالية الأداء ، حيث يتعاون الموردون مع شركات صناعة السيارات الرئيسية لتطوير منصات الحوسبة.

في مجال يتم التحكم فيه عبر الزمن ، يدعم AUTOSAR و JASPAR توحيد هذه المداخن.

سوف الوسيطة مجردة التطبيقات من الأجهزة

مع استمرار تطور المركبات نحو منصات الحوسبة المحمولة ، ستسمح البرمجيات الوسيطة بإعادة تشكيل السيارات وتثبيت برامجها وتحديثها. الآن يسهل البرنامج الوسيط في كل كمبيوتر الاتصال بين الأجهزة. في الجيل التالي من المركبات ، ستربط وحدة تحكم المجال بوظائف الوصول. باستخدام أجهزة ECU داخل السيارة ، توفر البرمجيات الوسيطة التجريد ، والمحاكاة الافتراضية ، الخدمية ، والحوسبة الموزعة.

هناك بالفعل أدلة على أن ممثلي قطاع السيارات يتجهون نحو أبنية أكثر مرونة ، بما في ذلك البرمجيات الوسيطة. على سبيل المثال ، تعتبر منصة AUTOSAR التكيفية نظامًا ديناميكيًا يتضمن الوسيطة ، ودعم نظام التشغيل المعقد ، والمعالجات الدقيقة متعددة النواة الحديثة. ومع ذلك ، فإن التطوير المتاح حاليًا يقتصر على كمبيوتر واحد فقط.

في المدى المتوسط ​​، سيزداد عدد أجهزة الاستشعار المحمولة جواً زيادة كبيرة

في الجيلين أو الثلاثة أجيال القادمة من المركبات ، ستقوم شركات صناعة السيارات بتركيب أجهزة استشعار بميزات مماثلة لضمان أن احتياطيات السلامة كافية.



على المدى الطويل ، ستطور صناعة السيارات حلول استشعار مخصصة لتقليل كميتها وتكلفتها. نعتقد أن الجمع بين الرادار والكاميرا قد يكون الحل الأكثر شعبية في السنوات الخمس إلى الثماني القادمة. مع استمرار إمكانات القيادة الذاتية في النمو ، سوف تكون هناك حاجة إلى إدخال الأغطية. وسوف توفر التكرار في مجال تحليل الكائن وفي مجال التوطين. على سبيل المثال ، لتكوين SAE International L4 (التشغيل الآلي العالي) لقيادة ذاتية التشغيل في البداية ، ربما تحتاج إلى أربعة إلى خمسة أجهزة استشعار ليدرية ، بما في ذلك تلك التي سيتم تثبيتها في الخلف للتنقل في المدينة ولرؤية 360 درجة تقريبًا.

على المدى الطويل ، من الصعب قول أي شيء عن عدد أجهزة الاستشعار في المركبات. إما أن يزيد عددهم أو يقل أو يبقى كما هو. كل هذا يتوقف على اللوائح والنضج الفني للقرارات والقدرة على استخدام أجهزة استشعار متعددة في حالات مختلفة. قد تعمل المتطلبات التنظيمية ، على سبيل المثال ، على تعزيز التحكم في السائق ، مما سيؤدي إلى زيادة في عدد أجهزة الاستشعار داخل السيارة. من المتوقع أن يتم استخدام المزيد من الإلكترونيات الاستهلاكية في مقصورة الركاب. تعتبر مجسات الحركة والمراقبة الصحية (معدل ضربات القلب والنعاس) والوجه والتعرف على قزحية العين مجرد بعض الاستخدامات الممكنة. ومع ذلك ، من أجل زيادة عدد أجهزة الاستشعار أو حتى ترك كل شيء كما هو ، ستكون هناك حاجة إلى قائمة أوسع من المواد ، ليس فقط في أجهزة الاستشعار نفسها ، ولكن أيضا في شبكة السيارة. لذلك ، هو أكثر ربحية للحد من عدد من أجهزة الاستشعار. مع ظهور مركبات مؤتمتة للغاية أو مؤتمتة بالكامل ، يمكن للخوارزميات المتقدمة والتعلم الآلي زيادة أداء وموثوقية المستشعرات. بفضل تقنيات اللمس الأكثر قوة وظيفية ، قد لا تكون هناك حاجة إلى أجهزة استشعار إضافية. قد تصبح أجهزة الاستشعار المستخدمة اليوم قديمة - ستظهر أجهزة استشعار أكثر وظيفية (على سبيل المثال ، قد تظهر أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية بدلاً من مساعد وقوف السيارات استنادًا إلى كاميرا أو غطاء).

أجهزة الاستشعار تصبح أكثر ذكاء

ستحتاج بنية النظام إلى أجهزة استشعار ذكية ومتكاملة للتحكم في كميات البيانات الضخمة اللازمة للقيادة الآلية للغاية. ستعمل الميزات عالية المستوى مثل الجمع بين أجهزة الاستشعار وتحديد المواقع ثلاثية الأبعاد على منصات الحوسبة المركزية. من المحتمل أن تكون دورات المعالجة المسبقة والترشيح وردود الفعل السريعة موجودة عند الحدود أو تعمل مباشرة في المستشعر نفسه. وفقا لأحد التقديرات ، فإن كمية البيانات التي ستنتجها سيارة مستقلة كل ساعة هي أربعة تيرابايت. وبالتالي ، سينتقل الذكاء الاصطناعي من الكمبيوتر إلى أجهزة الاستشعار للمعالجة المسبقة الأساسية. يتطلب الأمر زمنًا منخفضًا وأداءً حسابيًا منخفضًا ، خاصةً إذا قارنت تكلفة معالجة البيانات في المستشعرات وتكلفة نقل كميات كبيرة من البيانات في السيارة. ومع ذلك ، سيتطلب التكرار لقرارات الطرق في HAD التقارب للحوسبة المركزية. على الأرجح ، سيتم حساب هذه الحسابات بناءً على البيانات التي تمت معالجتها مسبقًا. ستقوم المستشعرات الذكية بمراقبة وظائفهم الخاصة ، في حين أن التكرار في أجهزة الاستشعار سيزيد من موثوقية وتوافر وبالتالي حماية شبكة الاستشعار. لضمان التشغيل الصحيح للمستشعر في أي ظرف من الظروف ، ستكون هناك حاجة لتطبيقات تنظيف المستشعرات - منتجات مضادة للجليد ووسائل لإزالة الغبار والأوساخ.

السلطة الكاملة وشبكات البيانات الزائدة المطلوبة

ستستخدم التطبيقات الأساسية والمهمة التي تتطلب موثوقية عالية دورات متكررة بالكامل لكل ما هو ضروري للمناورة الآمنة (نقل البيانات ، وإمدادات الطاقة). سيتطلب إدخال تقنيات electromobile وأجهزة الكمبيوتر المركزية وشبكات الحوسبة الموزعة كثيفة الاستهلاك للطاقة شبكات جديدة لإدارة الطاقة الزائدة عن الحاجة. تتطلب الأنظمة الآمنة من الفشل التي تدعم التحكم السلكي ووظائف HAD الأخرى تطوير أنظمة التكرار. سيؤدي ذلك إلى تحسين بنية تطبيقات تجاوز الفشل الحديثة بشكل ملحوظ.

سوف يرتفع إيثرنت السيارات ويصبح العمود الفقري للسيارة

شبكات السيارات الحديثة ليست كافية لتلبية احتياجات المركبات المستقبلية. من المحتمل أن تؤدي معدلات البيانات المرتفعة ، ومتطلبات التكرار الخاصة بـ HAD ، والحاجة إلى الأمان والحماية في البيئات المتصلة ، والحاجة إلى بروتوكولات موحدة عبر الصناعة إلى ظهور شبكة إيثرنت للسيارات. ستصبح أداة تمكين أساسية ، خاصة بالنسبة لحافلة البيانات المركزية الزائدة عن الحاجة. ستكون حلول Ethernet مطلوبة لتوفير اتصال موثوق عبر المجال وتلبية متطلبات الوقت الفعلي. سيكون هذا ممكنًا بفضل إضافة ملحقات Ethernet مثل Audio Video Bridging (AVB) والشبكات الحساسة للوقت (TSN). تدعم الصناعة و OPEN Alliance اعتماد تقنية Ethernet. اتخذت العديد من شركات صناعة السيارات بالفعل هذه الخطوة الكبيرة.

سيستمر استخدام الشبكات التقليدية مثل الشبكات المترابطة المحلية وشبكات التحكم في السيارة ، ولكن فقط للشبكات ذات المستوى الأدنى المغلقة ، على سبيل المثال ، في أجهزة الاستشعار. من المرجح أن يتم استبدال تقنيات مثل FlexRay و MOST بشبكة إيثرنت للسيارات وملحقاتها - AVB و TSN.

في المستقبل ، نتوقع أن تستخدم صناعة السيارات أيضًا تقنيات Ethernet الأخرى - HDBP (منتجات النطاق الترددي العالي التأخير) وتقنيات 10 جيجابت.

تتحكم شركات تصنيع المعدات الأصلية دائمًا بشكل صارم في اتصال البيانات من أجل الأمان الوظيفي و HAD ، لكنها ستفتح واجهات حتى تتمكن الأطراف الخارجية من الوصول إلى البيانات.

سيتم دائمًا توصيل بوابات الاتصالات المركزية التي تنقل وتستقبل البيانات الهامة للأمان مباشرةً بـ الواجهة الخلفية لـ OEM. سيكون الوصول إلى البيانات مفتوحًا لأطراف ثالثة عندما لا تكون القواعد محظورة. المعلومات والترفيه هو "تطبيق" على السيارة. - , OEM- , .

. , OEM-. OEM- ( ). .

. (, ). OEM- . , OEM.

,

«» ( , ) . OEM . . . . . , . , .

,

. . , . . .

OTA HAD. , . , OTA , . , — , . . , .

? , , . OTA, .

OEM- OTA, . OTA . OEM- .

, . , , , . - .

, , , . . : , , , , , , - .

. . , . , , . .

:

• . OEM- , , . , , . , . , (, ) .
• . OEM- , . , . , , , .
• . , OEM- , . , . ( , ) , - , .
• ( ). . , . , «» «» «» . , .
• - ( ). , , , . . - , , - .

, , -, . , . , ( ) .

Global Semiconductor Alliance.