L’elettronica viaggia in auto

AUTOMOTIVE –

I dispositivi e i sistemi elettronici costituiscono una presenza sempre più pervasiva a bordo dell’auto. Un fattore di traino importante per il segmento dell’elettronica automotive è dato dalle normative che mirano ad aumentare il grado di sicurezza e a ridurre le emissioni inquinanti nelle auto.

I produttori di automobili fanno uso di un numero crescente di sistemi elettronici e di circuiti integrati per applicazioni che vanno dai sistemi di guida assistita, alla comunicazione, all'intrattenimento a bordo dell'auto, all'elettronica di controllo dell'avantreno e dell'abitacolo, alla sicurezza e al comfort a bordo dell'auto. L'opportunità di mercato per l'elettronica automotive è data da più di 700 milioni di automobili in circolazione nel mondo. Il numero di autovetture in circolazione nella sola Europa è di circa 250 milioni. Research and Markets prevede che il contenuto di elettronica in un'auto di fascia intermedia aumenterà dal 25% del costo attuale di un autoveicolo al 40% nel 2010. Metà dei componenti elettrici ed elettronici in un'auto saranno circuiti integrati. Con un valore del mercato che raggiungerà i 123 milioni di euro entro il 2011 e una crescita annuale media compresa fra il 6% e il 9%, l'elettronica automotive rappresenta uno dei segmenti più importanti del mercato dell'elettronica. Questi dati contrastano con le previsioni di crescita relative all'immatricolazione di nuovi autoveicoli, che dovrebbe essere di circa il 3% nello stesso periodo. Di conseguenza, il mercato dell'elettronica automotive sta crescendo a una velocità molto superiore rispetto al mercato dell'auto, dimostrando una tendenza generale all'aumento della densità e della complessità dell'elettronica automotive. Secondo l'ente tedesco Zvei, il mercato globale relativo ai componenti microelettronici per automotive crescerà dell'11,9%, passando da 19,1 miliardi di dollari nel 2006 a 33,5 miliardi di dollari nel 2011.

Un criterio di differenziazione

L'elettronica automotive è anche diventata una dei principali criteri di differenziazione nel mercato automotive, in un mercato che sta vedendo i profitti contrarsi, le vendite e la produzione diminuire, la competizione farsi più aspra e il livello di commoditizzazione aumentare, soprattutto nei Paesi Occidentali.
Un fattore di traino importante per il segmento dell'elettronica automotive è anche dato dalle normative che mirano ad aumentare il grado di sicurezza e a ridurre le emissioni inquinanti nelle auto. Sono cinque i fattori che determineranno la crescita del mercato dell'elettronica automotive per i prossimi 5 anni: la riduzione delle emissioni e il miglioramento dell'efficienza dei veicoli; la transizione dai sistemi meccanici convenzionali verso i controlli elettronici (i cosiddetti sistemi x-by-wire e di guida assistita) al fine di migliorare la sicurezza e ridurre il consumo di potenza; l'arricchimento delle funzioni di personalizzazione, come i sistemi di navigazione e di comunicazione; la domanda in aumento delle funzioni per il confort; la richiesta in aumento di veicoli nei Paesi emergenti. Di queste aree di crescita, i sistemi di navigazione e di comunicazione e le soluzioni per aumentare il grado di sicurezza dell'auto determineranno in misura maggiore l'aumento del contenuto di elettronica a bordo dell'auto che, secondo una stima della società di analisi Semicast, crescerà costantemente almeno fino al 2015. Oltre a consentire le telefonate a mani libere e a connettere i dispositivi consumer portatili alla rete telematica a bordo dell'auto, le piattaforme telematiche assicurano l'accesso a internet e alle e-mail, la navigazione Gps (Global positioning system), servizi web on-demand come le informazioni sul traffico, le notizie in tempo reale, la pay-Tv, la diagnostica e la manutenzione remota, e persino la possibilità di pagare pedaggi e di effettuare automaticamente chiamate di emergenza in caso di incidenti. In base a una stima della società di analisi Strategy Analytics, il mercato complessivo relativo alla telematica automotive totalizzerà 3,7 miliardi di dollari nel 2008 e 4,5 miliardi di dollari nel 2009. Gartner prevede che il numero di autovetture dotate di qualche forma di sistema di comunicazione telematico built-in aumenteranno da 7,9 milioni nel 2007 a 57 milioni nel 2012. Il numero di sistemi Gps portatili integrabili nelle auto raggiungerà i 112 milioni di unità entro il 2012.

Componenti elettronici a bordo auto

Il giro d'affari complessivo relativo ai semiconduttori automotive dovrebbe crescere da 20 a oltre 30 miliardi di dollari nel 2015, pari al 7 - 8% del mercato complessivo dell'automotive. Il valore medio dei semiconduttori presenti a bordo di ogni auto crescerà da circa 295 dollari nel 2007 a 375 dollari nel 2015. Un'auto integra in media da 70 a 100 processori in 30 sistemi elettronici diversi che realizzano funzioni come il controllo del motore, dell'avantreno, dell'abitacolo, i sistemi per la sicurezza, per l'intrattenimento e i sistemi antifurto. I dispositivi su semiconduttore per applicazioni automotive includono microprocessori, in genere basati su architetture PowerPc e Arm, microcontrollori a 8, 16 e 32 bit, Dsp, dispositivi in logica programmabile, integrati di interfaccia, switch, Asic, SiP (System-in-Package), dispositivi di memoria, resistori, condensatori, induttori, Mems, componenti optoelettronici e numerosi sensori. Nei sistemi automotive di prossima generazione, ci sarà una necessità crescente di sistemi di controllo accurati ad anello chiuso, in grado di operare in tempo reale, che richiedono l'elaborazione di grossi volumi di dati da più sensori. I sistemi con attuatori, come nei fari regolabili, mostrano un contenuto di elettronica significativo. Altre applicazioni emergenti includono i sensori biometrici per i sistemi Rke (Remote Keyless Entry) e i Mems ottici per i display multimediali. Nel 2005, ad esempio, Hitachi introdusse una tecnologia di autenticazione biometrica basata sul riconoscimento delle vene delle dita della mano per mezzo di sensori Ccd, in grado di verificare l'identità del conducente in una frazione di secondo, quando questi afferra il volante, o di permettere al legittimo proprietario dell'auto di aprire la portiera semplicemente toccandone la maniglia. L'azienda prevede che entro il 2010, gli scanner biometrici inizieranno a sostituire i tradizionali quadri di accensione delle auto.
I circuiti integrati a bordo dell'auto sono maggiormente impiegati nel campo della sicurezza (10,4%) seguiti dall'elettronica per l'abitacolo (9,8%). L'applicazione più importante per l'elettronica automotive è costituita dalle funzioni all'interno dell'abitacolo, che rappresentano il 26% del mercato complessivo, con un valore attuale di 4,4 miliardi di dollari che nel 2013 raggiungerà gli 8 miliardi di dollari. I sistemi elettronici per il controllo dei motori mostreranno un tasso medio di crescita del 5,7% fino al 2013, passando da 5 a 7 miliardi di dollari. I sistemi di controllo elettronico nei veicoli integrano Cpu a 32 bit, convertitori Dc/Ac, Ac/Dc e Dc/Dc e regolatori costituiti da Igbt, Mosfet e diodi di potenza. Completano la bill-of-material i componenti passivi, che genereranno un volume d'affari di 1,7 miliardi di dollari nel 2010 e di 4,6 miliardi di dollari nel 2015. I requisiti emergenti nelle applicazioni automotive richiedono una potenza di calcolo e una capacità di elaborazione dei segnali elevate. Questo determinerà inoltre una transizione dai sistemi che si basano su look-up-table a piattaforme basate su modelli, in grado di gestire grandi quantità di dati. Ad esempio, il controllo dell'iniezione del carburante, è basato su numerosi fattori, inclusa la pressione del collettore di scarico, la tensione delle batterie, la velocità del motore, la posizione delle valvole e il contenuto di ossigeno nel gas di scarico.

Visualizzazione e illuminazione

Riguardo alle soluzioni per la visualizzazione, si registrerà una domanda in aumento per i display e i touchscreen con dimensioni sempre più ampie: da 6,5 a 8,8” per i display built-in dei sistemi di navigazione, e da 3,5 a 4,3” per i dispositivi di navigazione personale, in progressivo aumento verso i 4,8 e 5,2”.
Anche il numero di videocamere a bordo delle auto aumenterà, a partire ovviamente dai modelli di alta fascia, per applicazioni quali il controllo di crociera, i sistemi anticollisione e di videosorveglianza. Numerose aziende, fra cui Sharp, hanno sviluppato dei sistemi video progettati specificamente per le applicazioni automotive. Le videocamere automotive di ultima generazione offrono risoluzioni Wvga e sono basate sulla tecnologia Ccd (per applicazioni che richiedono una risoluzione particolarmente alta) o sulla tecnologia Cmos, caratterizzata da costi più bassi. Secondo Strategy Analytics, nel 2008 il mercato complessivo per le videocamere automotive raggiungerà i 7 milioni di unità, a fronte di un ricavo di 40 milioni di dollari. Il mercato relativo alle videocamere incorporate nei cellulari è 50 volte più grande. Tuttavia, i requisiti più severi imposti dall'ambiente automotive rendono questo segmento una nicchia molto redditizia. Il mercato dei sistemi di illuminazione per auto sarà interessato da un tasso di crescita medio del 4,8% fino al 2010; le soluzioni a Led, usate soprattutto per le luci posteriori delle auto, rappresentano già il 10% del mercato complessivo. La penetrazione dei Led nel mercato automotive è stata finora lenta, nonostante gli importati vantaggi, in termini di efficienza, durata e consumi che questa tecnologia offre. Questo è dovuto principalmente alla complessità dei circuiti per il pilotaggio dei Led e ai costi di produzione, che stanno tuttavia progressivamente diminuendo. I Led costituiscono inoltre una soluzione ideale per l'illuminazione degli interni delle autovetture. Una singola auto richiederebbe da 100 a 200 Led bianchi. Di conseguenza il potenziale per questo mercato è davvero vasto. Attualmente questo segmento vale 740 milioni di dollari, e sarà caratterizzato da un tasso di crescita del 14,2% entro il 2010. Secondo la società di analisi Databeans, Freescale è il leader mondiale del mercato complessivo dei semiconduttori per l'auto, con una market share dell'11%, seguita da Infineon, con una quota del 10%. Al terzo posto si colloca STMicroelectronics con il 9% e una leadership consolidata nelle applicazioni telematiche e per l'infotainment. Renesas detiene il 7% e Nec il 6%. Il rimanente 58% è suddiviso fra i restanti produttori, a dimostrazione dell'elevata frammentazione di questo settore.

Un nuovo approccio alla progettazione automotive

Le aziende che operano nel mercato automotive stanno considerando delle soluzioni per accelerare l'adozione e per abbattere i costi delle nuove funzionalità introdotte nei dispositivi su semiconduttore. Tali soluzioni includono una cooperazione più stretta fra gli sviluppatori di sistemi e le società di semiconduttori; l'adozione generalizzata di standard per il software e la protezione della proprietà intellettuale. La realizzazione di sistemi elettronici per automotive richiede inoltre una vasta esperienza nella progettazione a livello di sistema, che può essere ottenuta anche attraverso alleanze strategiche. Un simile esempio è costituito dalla cooperazione fra Freescale ed ST, iniziata due anni fa. Le due aziende hanno introdotto di recente dei nuovi microcontrollori basati sulla Power Architecture, che è stata sviluppata congiuntamente. STMicroelectronics e Mobileye, una società con quartier generale nei Paesi Bassi, hanno sviluppato il system-on-chip EyeQ2 per i sistemi Adas (Advanced Driver Assistance Systems). Lo scorso marzo, Infineon e la casa automobilistica Hyundai Motor hanno aperto un centro di ricerca a Seoul per lo sviluppo congiunto sul lungo termine di sistemi elettronici e di nuove architetture automotive, che saranno integrati all'interno dei nuovi modelli Hyundai e Kia immatricolati a partire dal 2010. Delphi sta lavorando a un progetto di sviluppo congiunto con Infineon, basato sulla famiglia XC2200 di microcontrollori e sullo standard Autosar. Anche la partecipazione ai consorzi è fondamentale per le aziende per sviluppare sistemi elettronici efficienti per l'auto: tra questi Osgi (Open Service Gateway Initiative) e Misra (Motor Industry Software Reliability). I consorzi Autosar (Automotive Open System Architecture) e Jaspar (Japan Automotive Software Platform Architecture) stanno accelerando il processo di standardizzazione delle interfacce di rete e delle piattaforme software per le applicazioni automotive. La comunità open source Eclipse, lanciata da Ibm, che ha tra i propri membri anche Wind River, Altera e Xilinx, ha sviluppato un'architettura aperta che consente di sviluppare software ottimizzato lungo l'intero ciclo di vita dell'autovettura.

Requisiti stringenti

Un veicolo costituisce un ambiente particolarmente ostile per i dispositivi elettronici, a causa della presenza di vibrazioni, di variazioni di temperatura comprese potenzialmente fra - 40°C e +150°C, della presenza di olio, di campi elettromagnetici intensi (che raggiungono i 200 V/m, mentre sono di appena 10 V/m e di 3 V/m nelle applicazioni industriali e domestiche), di transitori con tensioni di picco di ±100 V, di umidità, di polvere, di variazioni improvvise del carico e di possibili cortocircuiti.
L'ambiente automotive presenta quindi requisiti particolarmente stringenti sul test dei dispositivi elettronici, i quali devono assicurare livelli elevati di qualità e di affidabilità. Il guasto anche solo in un componente potrebbe compromettere la sicurezza dei passeggeri a bordo di un'auto. Il test per i componenti elettronici per automotive segue il flusso di qualifica AEC-Q100 e le specifiche ISO-TS16949, sviluppate dall'Iatf (International Automotive Task Force). In un autoveicolo, i sistemi di infotainment devono coesistere con lo strato “mission critical” che controlla il motore, e con lo strato per l'abitacolo, che fornisce funzioni (come l'alzacristalli elettrico) che non sono critiche per la sicurezza, ma che devono essere sempre funzionanti. I requisiti stringenti dell'industria automotive in termini di presenza di difetti all'interno dei componenti microelettronici per l'auto, determineranno inoltre la necessità di una nuova metodologia per la realizzazione dei circuiti integrati a “difetti zero”. L'industria automotive sta migrando verso soluzioni SoC  di dimensioni e di complessità crescenti, su cui girano sistemi operativi complessi. In un secondo momento, anche i componenti passivi e i sensori saranno integrati, assieme alle unità Ecu (Electronic control unit) all'interno della piattaforma SoC, al fine di contenere i costi. La realizzazione di queste soluzioni altamente integrate richiede un nuovo approccio alla progettazione, in grado di coprire tutti gli aspetti del progetto, della fabbricazione, del test, delle prove di affidabilità e durata. Tutto questo abbraccia diverse discipline, come il Dft (Design-For-Test), il Dfm (Design-For-Manufacturing) e il Dfq (Design-For-Quality) e il ricorso a tecnologie proattive, come la ridondanza e la modellizzazione di sistemi tolleranti ai guasti.

Sempre più Mems all'interno dell'auto

I Mems (Micro Electro Mechanical System) rappresentano una tecnologia molto promettente per la realizzazione di numerose funzioni a bordo dell'auto, come gli airbag, il controllo della stabilità, il monitoraggio della pressione dei pneumatici, il controllo del flusso d'aria nei motori e i sistemi di rilevazione dei passeggeri. La società di analisi In-Stat stima che un'auto media integri almeno 10 dispositivi Mems, per un mercato complessivo di 1,5 miliardi di dollari. iSuppli prevede che le vendite complessive di Mems per automotive raggiungeranno 935,7 milioni di unità nel 2012, in aumento rispetto a 474,2 milioni di unità registrate nel 2006, a fronte di una crescita media del 12%. I ricavi complessivi passeranno a 2,1 miliardi di dollari nel 2012, con un aumento annuo dell'8% a partire dal 2006. I Mems automotive sono usati all'interno del telaio, nell'avantreno e nell'abitacolo. I dispositivi usati più comunemente comprendono i sensori inerziali, i sensori di pressione, i sensori di flusso e ad infrarossi. Questi dispositivi miniaturizzati eseguono una varietà di funzioni per la sicurezza, il controllo e il monitoraggio dei parametri ambientali, dalla rilevazione delle collisioni per l'apertura degli airbag al monitoraggio della pressione dei pneumatici, al controllo dei motori.
Secondo iSuppli, le vendite complessive di sensori microelettromeccanici per automotive dovrebbero pressoché raddoppiare entro il 2012, trainate dalle legislazioni varate negli Stati Uniti e in Europa sulla sicurezza nelle strade. Le normative per la sicurezza, che richiedono la presenza a bordo dell'auto di sistemi di controllo della stabilità dell'assetto del veicolo o Esc (Electronic Stability Control) e di monitoraggio della pressione dei pneumatici, costituiscono dei fattori di traino molto importanti per la crescita del mercato dei Mems nei prossimi anni. Entrambe queste applicazioni contribuiranno a ridurre sensibilmente il numero di incidenti stradali; in più, il monitoraggio della pressione dei pneumatici consentirà di ridurre il consumo di carburante. Questi sistemi di controllo richiedono numerosi componenti Mems, pari ad almeno 4 sensori di pressione per auto per i sistemi Tpms (Tire Pressure Monitoring Systems), un giroscopio con uno o due accelerometri, e in media uno o più sensori di pressione per i freni per ciascun sistema Esc. Gli accelerometri e i giroscopi da soli raddoppieranno il numero di sensori richiesti. Le vendite di sensori di pressione Mems per le unità Tpms dovrebbero raggiungere 179 milioni di unità nel 2012, contro appena 34,1 milioni di unità nel 2006. Nel 2012 saranno commercializzati 158 milioni di sensori, con una crescita media del 17% dal 2006 al 2012. Le recenti normative europee molto severe in termini di controllo delle emissioni dei gas di scarico delle auto, che diventeranno effettive entro il 2009, saranno un altro importante fattore di traino per questo mercato, alimentando la domanda di sensori di pressione per l'avantreno, usati per ottimizzare il funzionamento del motore e ridurre l'emissione di particelle nei motori diesel. Le legislazioni determineranno inoltre una progressiva commoditizzazione e una conseguente erosione di prezzo dei sensori Mems, spingendo i produttori a fornire soluzioni conformi alle specifiche fissate dalle normative.

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