Progettazione astratta e rendering automatico dello schema: il mix ottimale per i progettisti

Complice il sempre maggior livello di complessità che contraddistingue gli odierni veicoli, la progettazione elettronica in campo automotive sta vivendo un nuovo rinascimento. Gli ingombranti componenti elettro-meccanici sono stati via via sostituiti da sistemi elettronici basati su microprocessori, mentre i veicoli a guida autonoma, oltre a richiedere l'uso di algoritmi di intelligenza artificiale elaborati per mezzo di computer, devono rispettare standard di sicurezza sempre più severi. Ciò ha comportato un cambiamento delle modalità di progettazione dell'elettronica per applicazioni automotive, analogo a quello sperimentato dall'industria dei semiconduttori nel corso degli anni '90.

La complessità dell'elettronica, che procede a un ritmo sempre più serrato, richiede l’adozione di un paradigma completamente nuovo per i sistemi di sviluppo e questa transizione deve essere gestita con molta attenzione per non penalizzare la produttività. Un confronto con la rivoluzione introdotta dai linguaggi di descrizione dell'hardware (HDL – Hardware Description Language) nell'industria dei semiconduttori può fornire qualche utile indicazione. Per parecchi decenni il grado di complessità che governa il mondo dei semiconduttori è stato previsto sfruttando la ben nota "Legge di Moore" che stabilisce il raddoppio del numero dei transistor per chip ogni 18 mesi. Per riuscire a mantenere questo tasso di crescita, le tecnologie di sviluppo hanno sperimentato evoluzioni radicali e su base continuativa. I primi circuiti integrati sono stati realizzati utilizzando transistor e porte logiche, interconnesse utilizzando un processo di schematic capture (ovvero di creazione di uno schema circuitale) di tipo grafico. Nel momento in cui questi chip hanno iniziato a integrare parecchie decine di migliaia di porte logiche, è stato necessario ricorrere a una soluzione differente. I linguaggi HDL, unitamente ai tool di sintesi e di simulazione avanzata, hanno rappresentato la soluzione ideale in quanto permettono di rappresentare centinaia o migliaia di transistor o porte logiche con un numero ridotto di righe di codice, sfruttando quindi un approccio alla progettazione di tipo software.

Verso la progettazione funzionale

Proprio come i moderni dispositivi a semiconduttore, gli attuali veicoli contengono una miriade di sistemi elettronici, come visibile in figura 1. Mentre alcuni di questi, come i radar, i sistemi di entertainment e di navigazione, sono visibili al conducente, altri non lo sono ma svolgono un ruolo essenziale per il corretto funzionamento del veicolo. Un veicolo odierno contiene un numero di microcontrollori o processori compreso tra 100 e 300, 50 e più ECU (Electronic Control Unit) complesse, oltre a chilometri di fili elettrici necessari per il loro collegamento. La complessità riguarda anche la componente software, visto il gran numero di linee di codice necessarie, compreso tra 5 e 20 milioni. Un’evoluzione di questo tipo comporta inevitabilmente cambiamenti drastici dei modelli di progettazione. Nel progetto di un dispositivo a semiconduttore degli anni '90, una linea di codice o il disegno di un componente rappresentava una singola porta logica. Grazie ai linguaggi HDL, un componente come un addizionatore o un contatore formato da 100 porte logiche non solo poteva essere descritto con una singola linea di codice, ma risultava anche di più semplice e immediata comprensione.

 

Fig. 1

Una situazione del tutto analoga si sta verificando per le soluzioni di progettazione a livello di sistema utilizzati in campo automobilistico. I sistemi di modellazione astratti ad alto livello stanno sostituendo il tradizionale processo di schematic capture. Mentre i semiconduttori per applicazioni automotive sono sviluppati sfruttando i flussi EDA (Electronic Design Automation), con l'aggiunta dei meccanismi di sicurezza previsti dallo standard ISO 26262 questo tipo di modellazione sta facendo la sua comparsa nella progettazione dei sottosistemi automotive e, in generale, del veicolo nel suo complesso. Poiché la potenzialità di questo approccio allo sviluppo di tipo descrittivo assicura sensibili incrementi in termini di produttività, i progettisti devono necessariamente tralasciare la progettazione a basso livello, facendo ricorso all'automazione per generare i dettagli circuitali e focalizzando la loro attenzione sulla progettazione a livello funzionale e di sistema.

Il rendering arriva dal CAD

Nel momento in cui è andato affermandosi l'uso dei linguaggi HDL per la progettazione dei dispositivi a semiconduttore, un cambiamento di attitudine di questo tipo si è rivelato molto difficile da realizzare in quanto l'obiettivo dei progettisti era riuscire a ottenere il miglior design a livello circuitale possibile. Parecchi progettisti avvertivano una sorta di “perdita di controllo” sui dettagli del progetto e nutrivano una certa diffidenza verso le tecnologie di automazione. Per questo motivo era importante fornire una sorta di “percorso visivo” dal modello astratto al circuito: per un riscontro di questo tipo è stata utilizzata la generazione automatica dello schema del modello dettagliato. In questo modo i team di progettazione potevano essere certi del risultato finale del loro lavoro di sviluppo. Lo stesso si può dire per la moderna progettazione in ambito automotive. Nel momento in cui i livelli di modellazione diventano sempre più astratti, i progettisti vogliono vedere i risultati in un formato loro familiare, ovvero sotto forma di uno schema circuitale ingegnerizzato.

Come è accaduto nell’industria dei semiconduttori negli anni ‘90, i tool di automazione dovrebbero includere meccanismi in grado di visualizzare l’implementazione del progetto finale. Per questo motivo è stata messa a punto una nuova tecnologia, sviluppata per il mondo EDA, in grado di fornire un rendering (ovvero una resa realistica) dello schema realizzato a partire dai database del modello CAD. Il rendering automatico dello schema rivestirà un ruolo fondamentale nel processo di migrazione dal tradizionale progetto basato sullo schema circuitale a metodologie di design caratterizzate da un livello di astrazione più elevato.

I vantaggi di uno schema automatizzato

In ogni caso, un sistema per il rendering dello schema automatizzato come E-Engine sviluppato da Concept Engineering GmbH, può fornire ulteriori vantaggi oltre all’editing dello schema manuale e aggiungere funzionalità proprie della metodologia di modellazione astratta. Se una funzionalità può essere descritta a un livello astratto e quindi convertita, o “sintetizzata”, a un livello più basso il rendering dello schema può essere usato per ispezionare il progetto, consentendo da un lato di sfruttare alcuni dei vantaggi tipici di una rappresentazione visiva e garantendo dall’altro i miglioramenti in termini di produttività tipici dell’astrazione.

Un sistema di questo tipo può generare schemi specifici che consentono ai progettisti di visualizzare e analizzare in modo semplice le varie sezioni del progetto. Gli schemi incrementali, che riducono la confusione generata dalla presenza di dettagli non necessari per l’analisi specifica evidenziando i dati utili, possono contribuire ad accelerare in modo significativo lo svolgimento delle attività previste. La vista può essere modificata e trasformata nel momento in cui il progettista esamina le varie parti del sistema, mentre vengono fornite informazioni relative alla sezione del sistema che viene visualizzata, come ad esempio l’utilizzo della potenza, dati relativi ai componenti e altri dettagli.

Il sistema di rendering automatico, inoltre, può estrarre tutti i componenti dal database del modello che sono associati a una certa funzionalità del veicolo, come ad esempio l’illuminazione interna, e istantaneamente generare e visualizzare il diagramma dello schema relativo a quella funzione specifica. L’astrazione è ormai un elemento imprescindibile nella progettazione in ambito automobilistico e aerospaziale, a causa della rapida evoluzioni tecnologica tipica di questi settori. Come già avvenuto nel settore dei semiconduttori, l’astrazione deve essere supportata da sistemi in grado di semplificare l’interazione dei progettisti con l’elettronica “reale”. Ciò comporta l’uso di una metodologia combinata in cui l’astrazione viene utilizzata per descrivere le funzionalità mentre la visualizzazione del circuito consente l’analisi, il debug e la manutenzione “intelligente” dell’intero sistema.

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