L’evoluzione della tecnologia elettronica nel settore automotive porta i tecnici a considerare tecnologie di rete particolari (ad esempio la tecnologia Ethernet), utilizzate fino ad ora in contesti moto diversi
Con l’introduzione di sistemi di sicurezza avanzati sempre più intelligenti e con la previsione di offrire funzioni di guida autonoma nel prossimo futuro, l’industria automobilistica sta introducendo modifiche significative all’architettura elettrica/elettronica (E/E). I sensori LiDAR, i radar e le fotocamere su cui si basano tali sistemi generano volumi significativi di dati che devono essere trasmessi a potenti sistemi di elaborazione centralizzati per la valutazione. Di conseguenza, i team tecnici in campo automotive sono alla ricerca di una tecnologia di rete che, fino a poco tempo fa, era più comune in ufficio.
Di conseguenza, le reti interne ai veicoli stanno passando a una nuova architettura che sfrutta l’onnipresenza e le prestazioni della tecnologia Ethernet, pur venendo adattata alle esigenze del settore automotive. Questa nuova architettura fornisce larga banda e nuovi standard che offrono una qualità del servizio (QoS) ben definita e latenze note nella trasmissione dei pacchetti dati. Di conseguenza, i veicoli possono contare su un computer ad alte prestazioni (HPC) e su controllori di zona basati su potenti processori system-on-chip (SoC) multicore. E mentre l’industria dei semiconduttori ha risposto con un’ampia selezione di SoC adatti allo scopo, gli ingegneri automotive hanno difficoltà a garantire la connettività necessaria per mettere a punto le piattaforme desiderate.
Il cablaggio aumenta
L’approccio decentralizzato all’architettura dell’elettronica a bordo del veicolo non è più adatto allo scopo. Oggi, il cablaggio è il terzo componente più pesante e il terzo più costoso in un veicolo moderno. Con introduzione progressiva di nuove funzionalità in una piattaforma, per offrire un restyling o per soddisfare nuove normative, si aggiungono tipicamente nuovi cavi che supportano ulteriori tecnologie di comunicazione. La telecamera per la retromarcia ne è un buon esempio. Per risolvere il problema dell’angolo morto del veicolo durante la retromarcia, una telecamera posteriore trasmette le immagini all’interfaccia di naturale in uscita, il display dell’unità di infotainment (IVI) di bordo. Ciò porta all’aggiunta di ulteriori cavi e connettori per supportare la trasmissione di segnali a larga banda. Inoltre, con la telecamera montata nella parte posteriore e l’unità IVI più vicina nella parte anteriore del veicolo, sono necessari cavi di notevole lunghezza.
Per affrontare tali sfide, l’industria si sta muovendo verso un’architettura a zone (Figura 1). Ogni veicolo è dotato di un massimo di due HPC (di cui uno effettua un backup del sistema) collegati in una rete ad anello con diverse potenti centraline di zona. Automotive Ethernet è la tecnologia di comunicazione di elezione, che assicura la comunicazione sulla dorsale di rete principale verso ovunque con velocità dati superiori che vanno da 1 Gb/s a 10 Gb/s. Con questo approccio, funzioni come i fari abbaglianti adattivi (Adaptive Driving Beam, ADB), non richiedono più una ECU dedicata. La funzione è per contro assegnata a un HPC o a una centralina di zona. E, nel corso della vita del veicolo, tale funzione potrebbe essere potenzialmente riposizionata, dato che il veicolo bilancia i requisiti prestazionali degli aggiornamenti software e delle funzionalità appena installate. Ogni ingresso richiesto dalla funzione è acquisito dai sensori collegati alla rete, come l’angolo del volante o la telecamera. Le uscite verso gli attuatori, come i fari a matrice LED, vengono gestite nello stesso modo. Con questo approccio, la maggior parte delle centraline locali semplificate si trova a breve distanza da una ECU di zona o da un HPC. Ciò riduce il peso e la complessità del cablaggio e semplifica l’introduzione di hardware aggiuntivo durante le operazioni di rinnovo del modello di un veicolo finalizzate al supporto di nuove funzionalità.
La tecnologia Ethernet che soddisfa i requisiti automotive
Ethernet ha garantito decenni di funzionamento affidabile dei sistemi IT, assicurando che i dati trasmessi giungano a destinazione. Tuttavia, la temporizzazione complessiva e la sincronicità tra i nodi di rete nelle applicazioni automotive sono tanto importanti quanto l’affidabilità della trasmissione dati. E, come già evidenziato, il peso è un altro problema, quindi non c’è posto per i tradizionali cavi Ethernet. Per contro, viene specificato un cavo a doppino intrecciato (UTP) non schermato (T1), utilizzato in una topologia punto a punto. Per soddisfare i severi requisiti di compatibilità elettromagnetica degli ambienti automotive, è stato inoltre definito uno strato fisico dedicato che supporta velocità di trasmissione dati comprese tra 10 Mb/sec e 10 Gb/sec.
Per garantire trasmissione dati nei tempi prestabiliti, sono stati sviluppati nuovi standard. Questi ultimi si dividono in due gruppi: Audio Video Bridging (AVB) e Time Sensitive Networking (TSN). Insieme, vengono utilizzati per assicurare la banda per i pacchetti con temporizzazione critica, per eseguire la sincronizzazione dei nodi e per evitare l’interruzione del flusso dati audio e video.
Per la tecnologia AVB, esistono nuovi standard come IEEE 802.1Qav per la gestione dell’accodamento e dell’inoltro dei pacchetti, i quali assicurano che i pacchetti dati trasmessi non interrompano il flusso dati con temporizzazione critica. IEEE 802.1Qat copre l’intera fase di prenotazione del flusso per assicurare la qualità del servizio (QoS) richiesta.
Sono inoltre presenti meccanismi per sincronizzare i dati dal nodo grandmaster (IEEE 802.1AS) e pacchetti che compensano i ritardi peggiori (IEEE 1722).
Grazie agli standard TSN, è possibile utilizzare la tecnologia Ethernet anche per il controllo ad anello chiuso. Questi ultimi vanno dal supporto per pacchetti a bassa latenza (IEEE 802.1Qbv) e per la riduzione della latenza (IEEE 802.1Qbr) a metodologie di prelazione nel livello 2 (IEEE 802.1Qbu). L’efficienza energetica è un altro aspetto interessante della nuova architettura E/E. Energy Efficient Ethernet (EEE) consente di porre un nodo in standby quando nessun dato passa attraverso la rete (IEEE 802.3az).
Il collo di bottiglia della connettività SoC
Malgrado le loro incredibili prestazioni di elaborazione, i SoC sono spesso privi della connettività richiesta per implementare sistemi HPC automotive basati su Ethernet, ECU di zona, piattaforme telematiche o di intrattenimento a bordo del veicolo (IVI). A causa delle topologie utilizzate, le centraline richiedono in genere due o più porte Ethernet automotive, mentre i SoC in genere ne offrono solo una. Lo stesso vale per l’interfaccia PCIe, in cui si collegano molti dei moduli wireless e dei supporti di archiviazione odierni.
Per far fronte a questo problema, Toshiba ha sviluppato il proprio bridge di interfaccia automotive di terza generazione. Il TC9563XBG integra un’interfaccia PCIe Gen 3 con switch, unitamente a una doppia interfaccia MAC TSN Ethernet in un package PBGA compatto da 10×10 mm qualificato per il settore automotive con un passo fra le sfere di saldatura di 0,65 mm (Figura 2).
Lo switch PCIe integrato offre una porta al lato trasmettitore per il SoC host e tre porte al lato ricevitore. Due di queste sono per dispositivi esterni, come moduli wireless o storage NVMe, mentre la porta finale è collegata internamente alle porte e alle periferiche MAC Ethernet. Due modalità operative supportano diverse configurazioni di velocità dati (Figura 3).
Due periferiche Ethernet compatibili con lo standard AVB/TSN forniscono la connettività Ethernet automotive. Insieme all’interfaccia PCIe, queste ultime supportano l’interfaccia SR-IOV (single root I/O virtualization) con un massimo di sei funzioni virtuali (VF), tre per ciascuna porta. Gli sviluppatori di applicazioni sono quindi in grado di supportare i sistemi operativi virtualizzati. Essi possono anche selezionare l’interfaccia indipendente dal supporto (MII) che meglio soddisfa le esigenze della loro soluzione, da RGMII e SGMII a XFI e USXGMII (dipendente dalla porta).
Il TC9563XBG offre 46 KB di memoria per supportare otto code full-duplex, mentre i pin GPIO possono essere configurati per acquisire marche temporali gPTP o generare treni di impulsi alla loro ricezione. Gli standard per reti AVB e TSN sono supportati tramite la combinazione di hardware e software periferici. I registri di questo bridge di interfaccia automotive sono configurati tramite l’interfaccia PCIe dal SoC host. Se necessario, è possibile scaricare il firmware aggiuntivo per il processore Arm Cortex-M3 integrato sulla SRAM disponibile da 128 KB, che consente l’integrazione di funzionalità aggiuntive o il supporto di interfacce come SPI, I2C e UART.
La creazione di HPC di zona e di controllori telematici
Per gli HPC, il TC9563XBG si collega al SoC host tramite interfaccia PCIe, e fornisce la connettività Ethernet automotive fino a 10 Gb/sec (Figura 4a e 4b).
Grazie alle porte PCIe aggiuntive è quindi possibile ospitare risorse di storage NVMe o dispositivi terminali aggiuntivi. Le unità telematiche presentano requisiti leggermente diversi. Potrebbero necessitare solo di una delle porte Ethernet automotive disponibili ma, per contro, utilizzano maggiormente le porte PCIe aggiuntive. Ciò è dovuto al crescente utilizzo di questa tecnologia di interfaccia per moduli wireless altamente integrati per la connettività 5G, la comunicazione da veicolo a veicolo (V2V) e i dispositivi Bluetooth e Wi-Fi combinati.
Risolvere il problema della connettività limitata nelle architetture a zone con la tecnologia Ethernet
È chiaro che, per soddisfare le aspettative crescenti dei consumatori con i sistemi di guida assistita (ADSAS) e le funzioni di guida autonoma, è necessaria più banda nel veicolo per supportare le nuove architetture E/E. Grazie all’importante lavoro svolto dai gruppi di standardizzazione, la tecnologia Ethernet automotive è in grado di soddisfare questi requisiti. La prossima sfida per questa tecnologia, attualmente selezionata come interfaccia per la dorsale dati dell’auto, consiste nel trovare dell’hardware dotato di supporto adeguato e nel risolvere i problemi di connettività PCIe ed Ethernet limitata sui SoC di oggi. L’IC TC9563XBG di Toshiba fornisce una soluzione ottimizzata per i requisiti delle unità telematiche, delle centraline di zona e dei sistemi di intrattenimento a bordo dell’auto. È facile da integrare, è conforme agli standard di riferimento e soddisfa i requisiti rigorosi dell’industria automotive.
