Por Brian Carlson, director de marketing de productos y soluciones globales de NXP Semiconductors
Los fabricantes de equipos originales (OEM) se enfrentan a importantes retos en las complejas arquitecturas de vehículos. Algunos vehículos de alta gama de hoy en día tienen más de 100 procesadores, y todos ellos impulsan sus propios requisitos de red y conexión, con combinaciones de CAN, LIN, FlexRay, Ethernet y Gigabit Ethernet. Toda esta red requiere kilómetros de cable en el interior del coche, lo que da lugar a un mazo muy complejo que es costoso y puede pesar tanto como dos pasajeros. Los fabricantes de equipos originales quieren simplificar la topología de las arquitecturas de los vehículos para reducir la complejidad y el coste de la lista de materiales. También quieren tener ciclos de innovación más rápidos. Al desarrollar vehículos más definidos por el software, en lugar del enfoque actual centrado en el hardware con unidades de control electrónico (ECU) incrementales y de función fija, los OEM pueden ser más ágiles y admitir actualizaciones inteligentes en el futuro.
El camino hacia las arquitecturas de dominio y zonales
Para superar estos retos y cumplir los objetivos, los fabricantes de equipos originales de todo el mundo están cambiando a nuevas arquitecturas que integran la funcionalidad de la ECU en procesadores multinúcleo más potentes que admiten el aislamiento del software y la capacidad de actualización. Esta integración se produce tanto lógica como físicamente y, en algunos casos, con una combinación de ambas en la misma arquitectura E/E del vehículo. La integración lógica organiza las funciones en dominios, mientras que la integración física organiza las funciones en función de su ubicación dentro del vehículo en zonas.
La integración lógica se produce en los ámbitos funcionales de la dinámica del vehículo, la interconexión del vehículo y la carrocería y el confort. El dominio de la dinámica del vehículo organiza toda la funcionalidad en torno a cómo se mueve un coche e incluye el tren motriz, el sistema de frenos, la dirección, la suspensión y la gestión del chasis. Con el rápido paso a los vehículos eléctricos (VE), este dominio se encarga de la compleja gestión de la batería y la energía y controla los inversores del motor eléctrico. La integración de esta funcionalidad está creando nuevos controladores de dominio de propulsión.
El dominio de red del vehículo gestiona de forma segura el flujo de datos del vehículo como una pasarela central con conectividad a la nube y proporciona un cálculo más centralizado para los servicios del vehículo. La integración de esta funcionalidad está impulsando puertas de enlace (gateways) más potentes orientadas al servicio.
El tercer ámbito es el de la carrocería y el confort, que es la amplia interfaz de cómo el vehículo reacciona ante los pasajeros: detección de colisiones, airbags, control de motores, bombas y switches, HVAC e iluminación interior y exterior. La integración de esta funcionalidad está creando controladores de dominio de la carrocería.
La integración física en zonas se implementa normalmente como controladores zonales en las cuatro esquinas del vehículo que se ocupan de la funcionalidad entre dominios, con cada esquina con una red troncal Ethernet redundante conectada a un ordenador de vehículo centralizado que proporciona servicios y control centralizados del vehículo. Los controladores zonales pueden necesitar una combinación de procesamiento en tiempo real y de aplicaciones para proporcionar las funciones transversales necesarias, como la iluminación, la gestión de los sensores (neumáticos, radar, imágenes), la suspensión, el control del inversor, el sistema de frenos, la dirección, etc. dentro de una zona del vehículo. Los controladores zonales suelen requerir más procesamiento multinúcleo en tiempo real. En cambio, el ordenador del vehículo requeriría más procesamiento de aplicaciones multinúcleo. Sin embargo, se puede utilizar una combinación de núcleos de tiempo real y de aplicaciones en función del enfoque del OEM.
Los fabricantes de equipos originales deben abordar la modularidad y flexibilidad para aprovechar las ventajas de estos nuevos enfoques arquitectónicos de los vehículos. La modularidad ofrece una homogeneidad entre los elementos del sistema al utilizar el mismo hardware para diferentes tareas, con el funcionamiento de estos dispositivos definido por el software. La flexibilidad permite que los sistemas de los vehículos se actualicen con el tiempo a través de actualizaciones por aire (OTA) para solucionar los defectos del software, mejorar las características del vehículo o añadir otras nuevas. Las ECUs consolidadas y definidas por software que pueden actualizarse con el tiempo permiten a los fabricantes de automóviles dar soporte a sus vehículos de forma más eficaz.
La clave, independientemente del enfoque arquitectónico de dominio, zonal o un híbrido de ambos, es que las futuras arquitecturas E/E de los vehículos requieren fundamentalmente nuevos procesadores. Los procesadores de los vehículos deben admitir el procesamiento multinúcleo en tiempo real y de aplicaciones para convertir las múltiples ECU físicas en ECU virtuales integradas en el software. Pasar de los vehículos centrados en el hardware a los definidos por el software simplifica las actualizaciones a lo largo de la vida del vehículo. Hace cinco años, NXP reconoció que la evolución de los requisitos de software y redes superaría a los MCUs tradicionales y respondió con el desarrollo de la plataforma de procesamiento de automoción S32 para afrontar el reto.
Integración con los procesadores para vehículos S32G
Como parte de la plataforma S32 de NXP, la familia de procesadores S32G ofrece una arquitectura coherente y escalable que permite la consolidación del procesamiento en los vehículos. Con chips compatibles con pines que van desde un microcontrolador multinúcleo hasta una combinación de microcontroladores y microprocesadores multinúcleo, los procesadores S32G permiten pasarelas orientadas a servicios, controladores de dominio, procesadores de seguridad y ordenadores de vehículos, entre otras funciones del vehículo. Los procesadores admiten múltiples aplicaciones en paralelo con aislamiento de hardware. Cada núcleo de procesador sólo puede acceder a su propia memoria y periféricos protegidos por hardware, pero dispone de un mecanismo eficaz para compartir datos con otros procesadores cuando sea necesario.
Los procesadores S32G combinan el procesamiento seguro y en tiempo real de las aplicaciones con la seguridad por hardware integrada, la aceleración de la red y las interfaces de red heterogéneas para vehículos. Los procesadores Arm® MCU y MPU multinúcleo de alto rendimiento con aceleración de hardware de red específica para aplicaciones, que descarga a los procesadores para proporcionar servicios valiosos con un rendimiento de red determinista, son necesarios para los OEM en el complejo entorno de tiempo real del vehículo moderno. Su motor de seguridad de hardware (HSE) permite la aceleración de seguridad de hardware integrada de alto rendimiento, junto con la compatibilidad con la infraestructura de clave pública (PKI) para la gestión de claves de confianza. El HSE, que cuenta con un firewall, es la raíz de la confianza que soporta el arranque seguro, proporciona servicios de seguridad del sistema y protege contra los ataques de canal lateral.
Las capacidades de ASIL D, incluidos los núcleos de microcontroladores Arm® Cortex®-M7 con lockstep, y una capacidad pionera en la industria para bloquear grupos de núcleos de aplicaciones Arm Cortex-A53, permiten que la seguridad del automóvil admita nuevos niveles de rendimiento con sistemas operativos de alto nivel y mayor soporte de memoria.
El valor de la escalabilidad de procesamiento se ha visto con la popular serie S32G2 de cuatro dispositivos compatibles lanzados a producción en el segundo trimestre de 2021, ya que los OEM los han aprovechado en varias áreas clave del vehículo con distintos niveles de necesidades de procesamiento. El S32G234M, con tres núcleos Cortex-M7 de doble paso (loclstep), está disponible para aplicaciones integradas en tiempo real. Para las aplicaciones que requieren el procesamiento de aplicaciones además del procesamiento en tiempo real, los modelos S32G233A, S32G254A y S32G274A ofrecen niveles de rendimiento más altos con hasta cuatro núcleos Cortex-A53 para proporcionar la integración de las aplicaciones y los servicios del vehículo.
Preparando el camino para los vehículos definidos por software
El cambio hacia los vehículos definidos por software requiere procesadores más rápidos y capaces. Para ayudar a la industria de la automoción a evolucionar a gran velocidad, NXP ha ampliado su familia S32G con la introducción de la serie S32G3 con cuatro dispositivos iniciales que proporcionan más rendimiento, memoria y capacidades de red. Estos dispositivos, compatibles por software y pines con la serie S32G2, proporcionan 1,33 veces más procesamiento en tiempo real, 2,6 veces más procesamiento de aplicaciones, 2,5 veces más ancho de banda Ethernet en dos puertos, 2 veces más dominios de aislamiento, 2 veces más caché L2 y 2,5 veces más memoria en el chip, que el actual dispositivo S32G2 de mayor rendimiento, el S32G274A. La familia S32G cuenta ahora con una amplia gama de 8 procesadores compatibles que abarcan un orden de magnitud en el procesamiento. Al ser compatible con la huella, los OEM pueden diseñar una plataforma de integración que puede escalar con la modularidad y flexibilidad necesarias para las nuevas arquitecturas E/E de los vehículos. La serie S32G3 ayuda a los diseñadores a realizar una mayor consolidación de ECUs con ECUs virtuales para vehículos definidos por software.
Abordar hoy las futuras arquitecturas de los vehículos
La cartera de procesadores S32G contribuye a la transición de las arquitecturas de vehículos convencionales a las arquitecturas de dominio y zonales utilizadas por los fabricantes de equipos originales para afrontar los retos y permitir los vehículos definidos por software. Al disponer de esta cartera escalable con compatibilidad de software y paquetes de pines, el S32G ofrece a los OEM muchas oportunidades de reutilización y flexibilidad en el desarrollo de software y en la ubicación de su aplicación en las diferentes ubicaciones del vehículo.
Los procesadores S32G son compatibles con las placas de evaluación y de diseño de referencia, junto con las plataformas robustas GoldBox para la integración en el vehículo. Una amplia gama de software de habilitación, incluida la plataforma de integración de vehículos S32G (GoldVIP), acelera la evaluación, el desarrollo, la prueba de concepto y el tiempo de comercialización del cliente. Además, NXP también cuenta con un amplio y creciente ecosistema de socios, que ofrece sistemas operativos, virtualización, entornos de ejecución, software de aplicaciones, placas, herramientas de software, servicios de ingeniería, formación en profundidad y servicios en la nube.
