Défis techniques dans le développement des ADAS de nouvelle génération et des véhicules autonomes

Alors que les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) deviennent de plus en plus répandus dans les automobiles, l'avenir s'oriente vers des systèmes de conduite autonome. Cependant, le développement de la prochaine génération d'ADAS et de véhicules autonomes implique de nombreux défis techniques critiques. Cet article explore les principaux défis techniques auxquels sont confrontés les fabricants d'équipements d'origine (OEM) automobiles lors de la transition des ADAS de niveau 2 vers les systèmes de conduite autonome de niveau 3 et niveau 4, ainsi que les solutions pertinentes introduites par Microchip.

Architecture informatique haute performance évolutive pour gérer l'importante croissance des données

Ces systèmes ADAS et de conduite autonome de plus en plus avancés, introduits sur le marché, aideront progressivement les conducteurs à détourner leur attention et leur esprit de la route à venir. Cependant, atteindre cet objectif nécessite d'abord des ajustements aux architectures informatiques. Malgré le nombre croissant d'unités de contrôle électronique (ECU) dans les véhicules, les architectures informatiques automobiles traditionnelles consolident les tâches de traitement pour chaque fonction spécifique au sein d'un seul élément de calcul, qui intègre les données de capteurs ou d'entrées dédiés. Cette approche est difficile même pour les systèmes ADAS de niveau inférieur. Dans les systèmes autonomes de niveau supérieur, le coût, les débits de données et la dissipation de puissance nécessaires au traitement rendent la dépendance à un seul élément de traitement impraticable.   Gérer l'augmentation massive des données nécessite une révision des architectures informatiques permettant de répartir les charges de travail sur plusieurs cœurs au sein d'un ou plusieurs processeurs. Cette architecture forme un cluster de calcul central, créant effectivement un "data center sur roues". Dans ce modèle de data center, des éléments de traitement spécialisés effectuent l'analyse des images sur les flux de données de la caméra. Des cœurs de traitement ou CPU séparés peuvent fusionner les données de la caméra avec celles du radar ou du lidar, utilisant la "fusion" des données provenant de différents types de capteurs pour mieux comprendre l'environnement du véhicule. D'autres cœurs peuvent ensuite se concentrer sur le traitement de "politique", déterminant les actions requises en fonction des résultats de l'analyse des capteurs.   Apprenant de décennies de développement de data centers, les éléments fondamentaux d'une architecture informatique haute performance (HPC) évolutive ont été identifiés. Ceux-ci incluent des systèmes sur puce (SoCs) HPC avec des moteurs de traitement d'image spécialisés (inférence et accélération), et des interconnexions PCIe® à haute bande passante et faible latence pour le transfert de données entre SoCs. De plus, la connectivité réseau Ethernet embarquée relie le cluster HPC, transmettant les flux de données des capteurs et les signaux de contrôle à d'autres systèmes principaux du véhicule. Un élément de traitement de sécurité gère le fonctionnement du système HPC.

Résoudre la complexité croissante

La prochaine génération de véhicules sera définie par les nouvelles technologies qui sont introduites dans l'industrie automobile. Les fabricants sont désireux de tirer parti de la dernière communication sans fil 5G pour améliorer la sécurité et l'expérience utilisateur. Les véhicules feront partie d'un réseau dynamique dans lequel l'information est partagée avec les autres usagers de la route et même avec les infrastructures de contrôle du trafic pour rendre les trajets plus sûrs et plus efficaces. Cette communication véhicule-à-tout (V2X) nécessitera que les véhicules soient équipés de davantage de capteurs, de contrôles et de puissance de calcul que d'habitude.   Cela sera encore plus crucial dans le mouvement très médiatisé et très attendu vers les véhicules autonomes ou auto-conduits. Les systèmes avancés d'assistance au conducteur (ADAS) fournissent déjà aux automobilistes des solutions sophistiquées pour la sécurité routière. L'interaction avec les autres usagers de la route dépendra de systèmes capables de collecter, analyser et agir sur des informations concernant leur environnement avec la latence la plus faible possible.   Cependant, l'environnement automobile représente un défi pour les systèmes de sécurité critiques. Même une coupure momentanée de la connexion causée par la vibration peut entraîner une perte significative d'informations critiques. Les concepteurs auront besoin d'une gamme de solutions de connecteurs miniaturisés qui sont tolérants aux vibrations tout en offrant des vitesses de données bien supérieures à celles observées aujourd'hui dans le monde de l'automobile.

Architecture typique de type centre de données pour HPC automobile

Ethernet en tant que technologie dominante pour les dorsales de réseau embarquées

Dans les environnements routiers et urbains, toute latence ou retard dans la transmission de données peut être fatal. Pour transmettre rapidement et efficacement les données des capteurs aux processeurs de bord, puis vers ou entre les unités de calcul centrales, le réseau de données du véhicule doit être son système le plus critique.   L'Ethernet est devenu la technologie grand public pour les réseaux de bord des principaux OEM mondiaux. En tant que norme mondiale pour les centres de données, Ethernet offre une large base de fournisseurs, des options de bande passante rentables et évolutives, ainsi que diverses adaptations bien adaptées à l'industrie automobile. Pour les besoins de réseau grand public, les normes Single-Pair Ethernet (BASE-T1) à des vitesses de 100M et 1G répondent à la plupart des demandes et sont largement déployées dans le monde. BASE-T1 réduit le nombre de câbles, offrant des économies de poids et le potentiel de réduire les coûts dans la couche physique Ethernet.   L'émergence de la technologie 10BASE-T1S offre une alternative à faible bande passante et attrayante en termes de coût au réseau CAN. La norme 10BASE-T1S prend en charge la fonctionnalité multi-drop, simplifiant le câblage aux capteurs à travers différentes zones du véhicule. Elle peut également éliminer les ECU précédemment utilisés pour le traitement et le routage des messages CAN, simplifiant la conception des nœuds de contrôleur de réseau zonal. Ces nœuds agrègent les flux de données sur la dorsale à divers points du véhicule, semblables aux entrées d'autoroute.   La technologie Serializer-Deserializer (SerDes) offre une solution à large bande passante, rentable pour les besoins de transmission de données continues et principalement unidirectionnelles. Les caméras avec des interfaces de données brutes utilisent SerDes pour permettre la livraison de données en temps réel, nécessaire à la reconnaissance d'images haute performance. L'utilisation d'une interface SerDes élimine le besoin de prétraitement sur la caméra, permettant d'envoyer les données brutes directement au SoC ADAS, où des moteurs vidéo optimisés peuvent traiter les données de pixels complètes plus efficacement. Cela améliore la performance globale du système et évite le coût de matériel de prétraitement redondant du côté de la caméra. En pratique, presque tous les processeurs SoC ciblés pour ADAS intègrent plusieurs interfaces de caméra et moteurs de traitement d'image, rendant le prétraitement des données sur la caméra une consommation de ressources inutile.   Pour les applications avec uniquement une connectivité Ethernet ou lorsque des données de pixels complètes ne sont pas nécessaires (par exemple, les caméras de recul), les caméras basées sur Ethernet peuvent être plus rentables. Auparavant, les solutions SerDes étaient souvent propriétaires, verrouillant les conceptions OEM dans des fournisseurs spécifiques avec des contraintes matérielles et logicielles associées. Désormais, avec la norme Motion Link de l'Automotive SerDes Alliance (ASA-ML), des produits évolutifs et interopérables émergent, offrant aux OEM un écosystème supérieur et flexible à long terme qui améliore l'efficacité de la gestion des données de caméra et la compatibilité du système.   PCIe est la norme pour la communication inter-CPU à large bande passante dans les centres de données. PCIe offre une latence extrêmement faible, ce qui est crucial pour le traitement des données critiques pour la sécurité. PCIe atteint une bande passante évolutive en augmentant simplement le nombre de voies (une paire Rx/Tx) dans n'importe quel "port," permettant aux connexions d'être facilement optimisées en fonction des besoins réels de bande passante. De plus, le protocole PCIe est pris en charge par pratiquement tous les processeurs haute performance, un avantage significatif lors du choix de SoC de différents fournisseurs pour différentes tâches. Bien qu'il n'existe pas de norme PCIe spécifique à l'automobile, sa latence supérieure et sa faible surcharge de traitement ont conduit à son adoption généralisée dans les applications automobiles, avec des puces qualifiées pour l'automobile déjà disponibles. Une connexion Gen4 à quatre voies courante utilisée dans les SoC ADAS actuels offre une bande passante de 64 GT/s (à peu près équivalente à 64 Gbps), la rendant très adaptée au partage à haute vitesse des données d'image.

Interfaces à haute vitesse pour le "Data Center sur roues"

Les véhicules définis par logiciel comme le cœur des applications automobiles futures

Le développement logiciel est devenu central pour pratiquement toutes les fonctions des véhicules, s'étendant au-delà du simple développement de systèmes AI pour interpréter l'environnement du véhicule et répondre aux situations d'urgence. Sur les premières plateformes de véhicules, les logiciels étaient principalement utilisés pour mettre en œuvre des fonctions uniques et avancées telles que les systèmes de freinage antiblocage (ABS). Avec l'évolution de l'infodivertissement et des interfaces homme-machine, les logiciels applicatifs, similaires à ceux que l'on trouve dans les smartphones, ont commencé à fonctionner sur des processeurs d'application au sein des véhicules. Aujourd'hui, le châssis du véhicule, le groupe motopropulseur, les caractéristiques de sécurité et l'infodivertissement sont de plus en plus mis en œuvre via des logiciels. Cela a donné naissance au concept de Véhicule Défini par Logiciel (SDV), permettant aux véhicules d'être mis à niveau tout au long de leur cycle de vie, améliorant ainsi les fonctions existantes et en ajoutant de nouvelles.   Traditionnellement, les mises à niveau logicielles pour les systèmes hérités et spécifiques à certaines fonctions, comme la gestion du moteur, étaient effectuées lors des visites d'entretien via un câble de données. Désormais, un nombre croissant de fabricants adopte les mises à jour Over-the-Air (OTA). Les mises à jour OTA des OEM peuvent inclure des corrections de bugs, l'ajout de nouvelles fonctionnalités ou des améliorations de performances telles que des améliorations pour la conduite en haute altitude ou le maniement hors route.   D'un point de vue logiciel, un SDV peut désormais être considéré comme un centre de données mobile. De nouvelles fonctions peuvent être ajoutées des années après que le véhicule a quitté la chaîne de production, réduisant potentiellement les taux de dépréciation. Des fonctionnalités de maintenance améliorées pourraient être vendues sous forme de package, permettant la surveillance en temps réel de l'usure des pièces et la planification de l'entretien basé sur l'utilisation réelle plutôt que simplement sur le kilométrage parcouru.   Cependant, les entreprises automobiles ayant une expérience limitée dans la mise en œuvre des technologies de base des centres de données doivent investir dans le développement de nouvelles compétences. La gestion de réseau est devenue un domaine fonctionnel spécialisé qui n'était pas auparavant requis pour les systèmes autonomes. Unique à l'automobile, les processus de sécurité fonctionnelle comme l'ISO 26262, combinés aux matériels et logiciels de centres de données, influencent le développement et la mise en œuvre des systèmes électroniques et logiciels.

Les données circulent sur l'interconnexion PCIe® dans un système HPC

Portefeuille de produits complet pour les applications ADAS et de conduite autonome

Microchip propose une vaste gamme de lignes de produits pour répondre aux exigences des applications ADAS et de conduite autonome. Les principales plateformes technologiques dans ce domaine incluent la Sécurité Fonctionnelle, la Sécurité Intégrée, le Toucher et les Gestes, ainsi que la Technologie Ethernet, formant un portefeuille assez complet.   La robustesse, la fiabilité et la sécurité des produits finaux deviennent de plus en plus importantes. Au sein du portefeuille de produits de Sécurité Fonctionnelle, Microchip soutient les produits conformes aux normes de sécurité fonctionnelle ou prêts pour la sécurité fonctionnelle, tels que les Microcontrôleurs (MCUs) et les Contrôleurs Numériques de Signaux (DSCs) incluant les MCUs AVR® et PIC®, les DSCs dsPIC®, SAM et les MCUs PIC32, ainsi que les Circuits Logiques Programmables sur Site (FPGAs) et SoCs. Ces produits intègrent les dernières fonctionnalités de sécurité matérielle et la documentation de support pour aider à obtenir les certifications de sécurité ISO 26262, IEC 61508 et IEC 60730. Certains appareils Microchip sont déjà certifiés pour la sécurité fonctionnelle, ce qui signifie qu'ils ont été développés conformément aux processus conformes à l'ISO 26262, sont conçus selon les normes AEC-Q100 et possèdent des fonctionnalités de sécurité matérielle professionnelles.   Pour la plateforme de Sécurité Intégrée, Microchip propose un portefeuille complet de CI de sécurité, ainsi que des MCUs axés sur la sécurité, des Microprocesseurs (MPUs) et des FPGAs. Il offre également des bibliothèques logicielles, des protocoles améliorés, des kits de développement, des formations et d'autres ressources pour aider les clients à commencer rapidement à créer des solutions sécurisées.   Au sein de la plateforme d'application Toucher et Gestes, Microchip propose des MCUs avec fonctionnalité tactile, des contrôleurs de touché capacitif et des contrôleurs de gestes 3D, permettant de remplacer les boutons mécaniques par des interfaces contrôlées par touche ou gestes pour améliorer l'expérience d'interaction utilisateur des produits finaux. Microchip fournit des solutions de touché capacitif pour diverses applications. Ses produits tactiles incluent des contrôleurs de touché capacitif clés en main, des bibliothèques tactiles pour implémenter la détection tactile sur la plupart des MCUs PIC®, AVR® et SAM, ainsi que les DSCs dsPIC33C, et des solutions en une seule puce pour ajouter la reconnaissance des gestes à presque n'importe quel produit.   Microchip propose également des solutions Ethernet flexibles pour ajouter une communication haute vitesse robuste et fiable aux conceptions intégrées. Les dispositifs autonomes de Microchip, ainsi que les MCUs et MPUs compatibles Ethernet, facilitent la mise en œuvre facile de l'Ethernet dans les applications. Microchip fournit des solutions de synchronisation pour ses produits Ethernet pour aider à atteindre une fiabilité plus élevée et une consommation d'énergie plus faible dans les conceptions, répondant aux exigences AEC-Q100 pour les applications de réseaux automobiles. Les émetteurs-récepteurs Ethernet haute performance (PHYs) de Microchip réduisent considérablement l'encombrement, la consommation d'énergie et le coût, offrant des PHYs 10BASE-T, 10BASE-T1S, 100BASE-TX, 100BASE-T1 et 1000BASE-T. Les ponts Ethernet de Microchip permettent une connectivité Ethernet flexible aux processeurs hôtes via des interfaces USB, High-Speed Inter-Chip (HSIC), PCI™, ou PCI Express® (PCIe®), réduisant ainsi le temps de développement.

Conclusion