À medida que o carro continua a passar de dispositivos controlados por hardware para controlados por software, as regras de concorrência na indústria automotiva estão mudando.
O motor era o núcleo tecnológico e de engenharia do automóvel do século XX. Hoje, esse papel é cada vez mais desempenhado por software, grande poder computacional e sensores modernos; a maioria das inovações está conectada a tudo isso. Tudo depende disso, desde a eficiência dos carros, seu acesso à Internet e a possibilidade de direção autônoma, terminando com a mobilidade elétrica e novas soluções móveis.
No entanto, juntamente com a importância da eletrônica e do software, seu nível de complexidade também está aumentando. Tomemos, por exemplo, o número crescente de linhas de código (SLOC) contidas nos carros modernos. Em 2010, alguns carros tinham cerca de dez milhões de SLOCs; até 2016, esse número aumentou 15 vezes e totalizou aproximadamente 150 milhões de linhas de código. A complexidade do tipo avalanche causa sérios problemas com a qualidade do software, conforme evidenciado por inúmeras revisões de carros novos.
Os carros têm um nível aumentado de autonomia. Portanto, as pessoas que trabalham na indústria automotiva consideram a qualidade e a segurança de software e eletrônicos como requisitos essenciais para garantir a segurança das pessoas. A indústria automotiva precisa repensar as abordagens modernas do software, bem como da arquitetura elétrica e eletrônica.
Solução de um problema agudo da indústria
À medida que a indústria automotiva passa de dispositivos controlados por hardware para dispositivos controlados por software, o número médio de software e eletrônicos em um veículo está crescendo rapidamente. Hoje, o software representa 10% do conteúdo total do veículo para um segmento maior D ou maior (aproximadamente US $ 1.220). A participação média do software deve crescer 11%. Prevê-se que até 2030 o software representará 30% do conteúdo total dos carros (cerca de US $ 5200). Sem surpresa, as pessoas envolvidas em um estágio ou outro de fabricação de automóveis estão tentando capitalizar em inovações implementadas com software e eletrônicos.
As empresas de software e outros players digitais não querem mais estar em segundo plano. Eles estão tentando atrair montadoras como fornecedores de primeira linha. As empresas estão expandindo sua participação na “pilha” da tecnologia automotiva, passando de recursos e aplicativos para sistemas operacionais. Ao mesmo tempo, as empresas acostumadas a trabalhar com sistemas eletrônicos entram com ousadia no campo de aplicação de tecnologias e aplicativos de gigantes técnicos. Fabricantes de carros premium não estão parados e estão desenvolvendo seus próprios sistemas operacionais, abstrações de hardware e métodos de processamento de sinais para que seus produtos sejam únicos por natureza.
A estratégia acima tem consequências. No futuro, estamos aguardando a arquitetura orientada a serviços (SOA) do veículo com base em plataformas de computação comuns. Os desenvolvedores adicionarão muitas coisas novas: soluções no campo de acesso à Internet, aplicativos,
elementos de inteligência artificial , análises avançadas e sistemas operacionais. As diferenças não estarão no hardware tradicional do carro, mas na interface do usuário e no trabalho com software e eletrônica avançada.
Os carros do futuro passarão para uma plataforma de novas vantagens competitivas da marca.
Provavelmente, incluirão inovações de informação e entretenimento,
recursos de direção autônoma e
recursos inteligentes de segurança com base no comportamento "tolerante a falhas" (por exemplo, um sistema que pode desempenhar sua função principal, mesmo que parte dele falhe). O software continuará a descer a pilha digital para se tornar parte do hardware sob o disfarce de sensores inteligentes. As pilhas serão integradas horizontalmente e receberão novos níveis que traduzirão a arquitetura em SOA.
As tendências da moda estão mudando as regras do jogo. Eles afetam o software e a arquitetura eletrônica. Essas tendências determinam a complexidade e a interdependência da tecnologia. Por exemplo, novos sensores e aplicativos inteligentes criarão um
"boom de dados" no veículo . Se as empresas automotivas desejam permanecer competitivas, precisam processar e analisar dados com eficiência. Atualizações modulares de SOA e atualizações sem fio (OTA) serão os principais requisitos para oferecer suporte a sofisticados softwares de frota. Eles também são muito importantes para a implementação de novos modelos de negócios nos quais as funções aparecem sob demanda. Os sistemas de informação e lazer e, em menor grau, os
sistemas avançados de
assistência ao motorista (ADAS) serão cada vez mais utilizados. O motivo é que há cada vez mais desenvolvedores de aplicativos de terceiros que fornecem produtos para veículos.
Devido aos requisitos de segurança digital, uma estratégia convencional de controle de acesso não é mais interessante. É hora de avançar para um
conceito de segurança integrado projetado para prever, prevenir, detectar e proteger contra ataques cibernéticos. Quando os recursos de direção altamente automatizados (HADs) estão disponíveis, precisamos de convergência funcional, poder de computação superior e um alto grau de integração.
Estudando dez hipóteses sobre a futura arquitetura elétrica ou eletrônica
O caminho de desenvolvimento da tecnologia e do modelo de negócios ainda não foi claramente definido. Mas, com base em nossa extensa pesquisa e opiniões de especialistas, desenvolvemos dez hipóteses sobre a futura arquitetura elétrica ou eletrônica do carro e suas conseqüências para a indústria.
Cada vez mais, será realizada a consolidação de unidades de controle eletrônico (ECU / ECU).
Em vez de muitas ECUs específicas para funções específicas (como no modelo atual no estilo de "adicionar uma função, adicionar uma janela"), o setor passará para a arquitetura integrada da ECU do carro.
No primeiro estágio, a maior parte da funcionalidade será focada nos controladores de domínio integrados. Para os domínios dos principais veículos, eles substituirão parcialmente a funcionalidade que agora está disponível nas ECUs distribuídas. O desenvolvimento já está em andamento. Aguardamos o produto acabado no mercado em dois a três anos. É provável que a consolidação ocorra nas pilhas associadas às funções ADAS e HAD, enquanto funções mais básicas do veículo podem reter um maior grau de descentralização.
Estamos caminhando para uma direção autônoma. Portanto, a virtualização das funções do software e a abstração do hardware se tornarão simplesmente necessárias. Essa nova abordagem pode ser implementada de diferentes maneiras. Você pode combinar hardware em pilhas que atendem a diferentes requisitos com relação à latência e confiabilidade. Por exemplo, você pode usar uma pilha de alto desempenho que suporte a funcionalidade do HAD e do ADAS e uma pilha controlada por tempo separada com baixa latência para funções básicas de segurança. Ou você pode substituir o computador por um "supercomputador" de backup. Outro cenário possível é quando abandonamos completamente o conceito de unidade de controle em favor de uma rede de computadores inteligente.
As mudanças são causadas principalmente por três fatores: custos, novos participantes no mercado e demanda por HAD. Reduzir o custo de desenvolvimento de recursos e os equipamentos de computação necessários, incluindo equipamentos de comunicação, acelerará o processo de consolidação. O mesmo pode ser dito dos novos participantes no mercado automotivo, que provavelmente prejudicarão o setor com uma abordagem orientada a programas para a arquitetura de automóveis. A crescente demanda por funções HAD e redundância também exigirá um maior grau de consolidação da ECU.
Algumas montadoras premium e seus fornecedores já estão participando ativamente da consolidação da ECU. Eles estão dando os primeiros passos para atualizar sua arquitetura eletrônica, embora no momento ainda não haja protótipo.
O setor limitará o número de pilhas usadas para equipamentos específicos
O rastreamento de consolidação normaliza as restrições de pilha. Isso permitirá que você separe as funções do veículo e o hardware do computador, o que inclui o uso ativo da virtualização. O hardware e o firmware (incluindo o sistema operacional) dependerão dos requisitos funcionais básicos, e não da parte do domínio funcional do veículo. Para fornecer arquitetura orientada a serviços e separação, você precisa limitar o número de pilhas. A seguir, são apresentadas as pilhas que podem se tornar a base para as futuras gerações de carros em 5 a 10 anos:
- Pilha controlada pelo tempo. Nesse domínio, o controlador está diretamente conectado ao sensor ou ao atuador, enquanto os sistemas devem suportar requisitos rigorosos em tempo real e, ao mesmo tempo, com baixa latência; o planejamento de recursos é baseado em tempo. Essa pilha inclui sistemas que atingem o mais alto nível de segurança do veículo. Um exemplo é o domínio clássico da arquitetura de código aberto automotivo (AUTOSAR).
- Pilha impulsionada pelo tempo e eventos. Essa pilha híbrida combina aplicativos de segurança de alto desempenho por meio, por exemplo, de suporte ADAS e HAD. Aplicativos e periféricos são separados pelo sistema operacional, enquanto os aplicativos são agendados no horário. Dentro de um aplicativo, o planejamento de recursos pode ser baseado em tempo ou prioridade. O ambiente operacional permite a execução de aplicativos críticos em contêineres isolados, separando claramente esses aplicativos de outros aplicativos no veículo. Um bom exemplo é o AUTOSAR adaptável.
- Pilha orientada a eventos. Essa pilha se concentra em um sistema de infotainment que não é crítico para a segurança. Os aplicativos são claramente separados dos periféricos e os recursos são planejados usando um planejamento ideal ou baseado em eventos. A pilha contém funções visíveis e comumente usadas: Android, Automotive Grade Linux, GENIVI e QNX. Essas funções permitem ao usuário interagir com o veículo.
- Pilha de nuvens. A última pilha cobre o acesso aos dados e coordena-o e as funções do carro do lado de fora. Essa pilha é responsável pela comunicação, bem como pela verificação da segurança do aplicativo (autenticação) e configura uma interface específica do carro, incluindo diagnóstico remoto.
Os fornecedores de automóveis e os fabricantes de tecnologia já começaram a se especializar em algumas dessas pilhas. Um exemplo impressionante é o sistema de infotainment (pilha orientada a eventos), onde as empresas estão desenvolvendo recursos de comunicação - navegação 3D e avançada. Um segundo exemplo é a inteligência artificial e a detecção de aplicativos de alto desempenho, em que os fornecedores se juntam às principais montadoras para desenvolver plataformas de computação.
Em um domínio controlado por tempo, AUTOSAR e JASPAR suportam a padronização dessas pilhas.
Middleware abstrairá aplicativos do hardware
À medida que os veículos continuam evoluindo para plataformas de computação móvel, o middleware permitirá que os carros sejam reconfigurados, seus softwares instalados e atualizados. Agora, o middleware em cada computador facilita a comunicação entre dispositivos. Na próxima geração de veículos, ele associará um controlador de domínio às funções de acesso. Usando o hardware da ECU no carro, o middleware fornecerá abstração, virtualização, SOA e computação distribuída.
Já existe evidência de que representantes de empresas automobilísticas estão adotando arquiteturas mais flexíveis, incluindo middleware. Por exemplo, a plataforma AUTOSAR adaptável é um sistema dinâmico que inclui middleware, suporte para um sistema operacional complexo e modernos microprocessadores multinúcleo. No entanto, o desenvolvimento atualmente disponível é limitado a apenas um computador.
A médio prazo, o número de sensores aéreos aumentará significativamente
Nas próximas duas a três gerações de veículos, as montadoras instalarão sensores com funções semelhantes para garantir que as reservas de segurança sejam suficientes.
A longo prazo, a indústria automotiva desenvolverá soluções de sensores personalizadas para reduzir sua quantidade e custo. Acreditamos que a combinação de radar e câmera pode ser a solução mais popular nos próximos cinco a oito anos. Como as capacidades de direção autônoma continuam a crescer, os lidares precisarão ser introduzidos. Eles fornecerão redundância no campo de análise de objetos e no campo de localização. Por exemplo, para configurar um SAE International L4 (alta automação) de condução autônoma no início, você provavelmente precisará de quatro a cinco sensores lidar, incluindo aqueles que serão instalados na parte traseira para navegação na cidade e visibilidade de quase 360 graus.
A longo prazo, é difícil dizer algo sobre o número de sensores nos veículos. O número deles aumentará, diminuirá ou permanecerá o mesmo. Tudo depende dos regulamentos, maturidade técnica das decisões e capacidade de usar vários sensores em diferentes casos. Os requisitos regulamentares podem, por exemplo, fortalecer o controle do motorista, o que levará a um aumento no número de sensores dentro do veículo. Pode-se esperar que mais eletrônicos de consumo sejam usados no compartimento de passageiros. Sensores de movimento, monitoramento de saúde (freqüência cardíaca e sonolência), reconhecimento de face e íris são apenas alguns dos usos possíveis. No entanto, para aumentar o número de sensores ou até mesmo deixar tudo como está, será necessária uma lista mais ampla de materiais, não apenas nos próprios sensores, mas também na rede de veículos. 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 aumentar o desempenho e a confiabilidade dos sensores. Graças às tecnologias de toque mais poderosas e funcionais, sensores extras podem não ser mais necessários. Os sensores usados hoje podem ficar desatualizados - sensores mais funcionais aparecerão (por exemplo, sensores ultrassônicos podem aparecer em vez de um assistente de estacionamento baseado em uma câmera ou lidar).
Os sensores ficam mais inteligentes
A arquitetura do sistema precisará de sensores inteligentes e integrados para controlar a enorme quantidade de dados necessários para uma direção altamente automatizada. Recursos de nível superior, como combinação de sensores e posicionamento 3D, funcionarão em plataformas de computação centralizada. É provável que ciclos de pré-processamento, filtragem e reação rápida estejam localizados na borda ou sejam executados diretamente no próprio sensor. Segundo uma estimativa, a quantidade de dados que um carro autônomo irá gerar a cada hora é de quatro terabytes. Consequentemente, a inteligência artificial passará do computador para os sensores para pré-processamento básico. Requer baixa latência e baixo desempenho computacional, especialmente se você comparar o custo do processamento de dados em sensores e o custo da transferência de grandes quantidades de dados em um veículo. A redundância de decisões de estrada no HAD, no entanto, exigirá convergência para a computação centralizada. Muito provavelmente, esses cálculos serão calculados com base em dados pré-processados. Os sensores inteligentes monitoram suas próprias funções, enquanto a redundância de sensores aumenta a confiabilidade, a disponibilidade e, portanto, a segurança da rede de sensores. Para garantir a operação correta do sensor em quaisquer condições, serão necessárias aplicações para limpeza dos sensores - produtos anticongelantes e meios para remover poeira e sujeira.
São necessárias redes de dados com potência total e redundantes
As principais aplicações críticas e de segurança que exigem alta confiabilidade usarão ciclos totalmente redundantes para tudo o que é necessário para manobras seguras (transferência de dados, fonte de alimentação).
A introdução de tecnologias eletromóveis , computadores centrais e redes de computação distribuída com uso intenso de energia exigirá novas redes de gerenciamento de energia redundantes. Sistemas à prova de falhas que suportam controle com fio e outras funções HAD exigirão o desenvolvimento de sistemas de redundância. Isso melhorará significativamente a arquitetura das implementações modernas de monitoramento de failover.
Ethernet automotiva aumentará e se tornará a espinha dorsal do carro
As redes de carros modernos não são suficientes para atender às necessidades de veículos futuros. Taxas de dados mais altas, requisitos de redundância para o HAD, a necessidade de segurança e proteção em ambientes conectados e a necessidade de protocolos padronizados entre os setores provavelmente levarão ao surgimento da Ethernet automotiva. Ele se tornará um facilitador importante, especialmente para um barramento de dados central redundante. As soluções Ethernet serão necessárias para fornecer comunicação confiável entre domínios e atender aos requisitos em tempo real. Isso será possível graças à adição de extensões Ethernet, como Audio Video Bridging (AVB) e redes sensíveis ao tempo (TSN). A indústria e a OPEN Alliance apóiam a adoção da tecnologia Ethernet. Muitos fabricantes de automóveis já deram esse grande passo.
Redes tradicionais, como redes locais interconectadas e redes de controladores, continuarão sendo usadas no veículo, mas apenas para redes de nível inferior fechadas, por exemplo, em 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 use outras tecnologias Ethernet - HDBP (produtos de largura de banda de alto atraso) e tecnologias de 10 gigabits.
Os OEMs sempre controlam rigorosamente a conectividade dos dados para garantir a segurança funcional e o HAD, mas abrirão interfaces para que terceiros possam acessar os dados.
Os gateways de comunicação central que transmitem e recebem dados críticos de segurança sempre serão conectados diretamente ao back-end do OEM. O acesso aos dados será aberto a terceiros quando não for proibido pelas regras. O infotainment é uma "aplicação" para o veículo. - , OEM- , .
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