Por Klaus Neuenhueskes, director senior de marketing de semiconductores, Toshiba Electronics Europe GmbH
Introducción
Con la introducción de sistemas de seguridad avanzados cada vez más inteligentes, y con los planes de ofrecer funciones de conducción autónoma en un futuro próximo, la industria del automóvil está realizando cambios significativos en la arquitectura eléctrica/electrónica (E/E). Los sensores LiDAR, de radar y de cámara en los que se basan estos sistemas generan importantes volúmenes de datos que deben transmitirse a potentes sistemas informáticos centrales para su evaluación. Por ello, los equipos de ingeniería del automóvil están recurriendo a una tecnología de red que, hasta hace poco, era más habitual en la oficina.
Como resultado, las redes de los vehículos están pasando a una nueva arquitectura que aprovecha la ubicuidad y el rendimiento de Ethernet, aunque adaptada a las necesidades de la automoción. Proporciona un amplio ancho de banda y nuevos estándares que ofrecen una calidad de servicio (QoS) definida y latencias de entrega de paquetes conocidas. Como resultado, los vehículos pueden ahora contar con un ordenador de alto rendimiento (HPC) y controladores zonales basados en potentes procesadores de sistema en chip (SoC) multinúcleo. Y aunque la industria de semiconductores ha respondido con una amplia selección de SoCs adecuados, los ingenieros de automoción tienen dificultades para asegurarse de que hay suficiente conectividad para implementar las plataformas que tienen en mente.
El creciente telar de cables
El enfoque descentralizado de la arquitectura eléctrica del vehículo ya no es adecuado. Hoy en día, el mazo de cables es el tercer componente más pesado y caro del vehículo moderno. A medida que se añaden características a una plataforma, ya sea para ofrecer un lavado de cara o cumplir con las nuevas normativas, se suele añadir un nuevo cableado que soporta tecnologías de comunicación adicionales. La cámara de marcha atrás es un buen ejemplo. Para resolver el ángulo muerto del vehículo al dar marcha atrás, una cámara montada en la parte trasera envía imágenes a la interfaz de salida natural, la pantalla de la unidad de infoentretenimiento del vehículo (IVI). Esto conlleva la incorporación de más cableado y conectores para soportar la señalización de gran ancho de banda. Además, al estar la cámara en la parte trasera y la unidad IVI más cerca de la parte delantera del vehículo, se necesita una longitud considerable de cableado.
Para hacer frente a estos retos, se está avanzando hacia una arquitectura zonal (figura 1). Cada vehículo cuenta con un máximo de dos HPC (uno de ellos de reserva del sistema) conectados en una red en anillo con varias ECUs de zona potentes. La tecnología de comunicación seleccionada es Automotive Ethernet, que proporciona velocidades de datos superiores en la red troncal de entre 1 Gb/sg y 10 Gb/sg. Con este enfoque, las funciones, como el haz de conducción adaptativo (ADB), ya no requieren una ECU dedicada. En su lugar, la función se asigna a un HPC o a una ECU de zona. Y, a lo largo de la vida útil del vehículo, podría reubicarse a medida que el vehículo equilibre los requisitos de rendimiento de las actualizaciones de software y las nuevas funciones instaladas.
Cualquier entrada que la función requiera se adquiere de los sensores conectados a la red, como el ángulo del volante o la cámara, y las salidas a los actuadores, como los faros LED, se gestionan de la misma manera. Con este enfoque, la mayoría de las ECU locales simplificadas se encuentran a poca distancia de una ECU de zona o de un HPC. Esto reduce el peso y la complejidad del mazo de cables y facilita la incorporación de hardware adicional durante las renovaciones para admitir las características de los nuevos modelos de vehículos.
Ethernet que satisface las necesidades de la automoción
Ethernet ha proporcionado décadas de servicio fiable para los sistemas de TI, garantizando que los datos enviados lleguen a su destino. Sin embargo, la sincronización de extremo a extremo y la sincronización entre los nodos de la red en las aplicaciones de automoción son tan importantes como la entrega fiable. Y, como ya se ha destacado, el peso es otra cuestión, por lo que no hay lugar para los cables Ethernet tradicionales. En su lugar, se especifica un cable de par trenzado no apantallado (UTP) (T1), utilizado en una topología punto a punto. Para cumplir las estrictas exigencias de compatibilidad electromagnética del sector del automóvil, también se ha definido una capa física específica que admite velocidades de datos de entre 10 Mb/sg y 10 Gb/sg.
Para garantizar la entrega puntual de los datos, se han desarrollado nuevas normas. Se dividen en dos grupos: Audio Video Bridging (AVB) y Time Sensitive Networking (TSN). En conjunto, se utilizan para asegurar el ancho de banda de los paquetes sensibles al tiempo, realizar la sincronización de los nodos y evitar la interrupción de los datos de audio y vídeo.
En el caso de AVB, existen nuevos estándares como el IEEE 802.1Qav para gestionar las colas y el reenvío, garantizando que las oleadas de datos no interrumpan los datos sensibles al tiempo (TSN). IEEE 802.1Qat cubre la reserva de flujos de extremo a extremo para proporcionar calidad de servicio (QoS). Además, existen mecanismos para sincronizar los datos del nodo principal (IEEE 802.1AS) y paquetes que compensan los retrasos en el peor momento (IEEE 1722).
Gracias a los estándares TSN, Ethernet también puede utilizarse para el control de bucle cerrado. Estos van desde el soporte de paquetes de baja latencia (IEEE 802.1Qbv) y la reducción de latencia (IEEE 802.1Qbr) hasta las metodologías de tanteo en la capa 2 (IEEE 802.1Qbu). La eficiencia energética es otro aspecto de interés para la nueva arquitectura E/E. La eficiencia energética de Ethernet (EEE) permite poner un nodo en espera cuando no pasan datos por la red (IEEE 802.3az).
El cuello de botella de la conectividad de los SoC
A pesar de su increíble rendimiento de procesamiento, los SoC suelen carecer de la conectividad necesaria para implementar HPCs basados en Ethernet para automoción, ECUs zonales, plataformas telemáticas o IVI. Debido a las topologías utilizadas, las ECU suelen requerir dos o más puertos de Ethernet para automóviles, mientras que los SoC suelen ofrecer sólo uno. Lo mismo ocurre con la interfaz PCIe, donde se conectan muchos de los módulos inalámbricos y medios de almacenamiento actuales.
Para solucionar este problema, Toshiba ha desarrollado su puente de interfaz de automoción de tercera generación. El TC9563XBG integra una interfaz PCIe Gen 3 con switch junto con una interfaz Ethernet TSN MAC doble en un encapsulado PBGA compacto de 10 mm × 10 mm con un paso de bola de 0,65 mm (Figura 2).
El switch PCIe integrado ofrece un puerto de subida al SoC anfitrión (host) y tres puertos de bajada. Dos de ellos son para dispositivos externos, como módulos inalámbricos o almacenamiento NVMe, mientras que el último puerto se conecta internamente a los puertos MAC de Ethernet y a los periféricos. Hay dos modos de funcionamiento que admiten diferentes configuraciones de velocidad de datos (figura 3).
Figura 3: El switch PCIe del TC9563XBG ofrece dos configuraciones diferentes para satisfacer los distintos requisitos de velocidad de datos de las aplicaciones.
Dos periféricos Ethernet aptos para AVB/TSN proporcionan conectividad Ethernet para automóviles. Junto con la interfaz PCIe, admiten SR-IOV (virtualización de E/S de raíz única) con hasta seis funciones virtuales (VF), tres por cada puerto. De este modo, los desarrolladores de aplicaciones pueden admitir sistemas operativos virtualizados. También pueden seleccionar la interfaz independiente del medio (MII) que mejor se adapte a las necesidades de su solución, desde RGMII y SGMII hasta XFI y USXGMII (dependiente del puerto).
El TC9563XBG ofrece 46KB de memoria para soportar ocho colas full-duplex, mientras que los pines GPIO pueden configurarse para capturar marcas de tiempo gPTP o generar trenes de pulsos en su recepción. Mediante la combinación de hardware y software periférico, se soportan los estándares para AVB y TSN. Los registros de este puente de interfaz de automoción se configuran a través de la interfaz PCIe por el host del SoC. Si es necesario, puede descargarse firmware adicional para el procesador Arm® Cortex®-M3 integrado en los 128 KB de SRAM disponibles, lo que permite incorporar funcionalidad adicional o soportar interfaces como SPI, I2C y UART.
Creación de HPCs zonales y controladores telemáticos
Para los HPC, el TC9563XBG se conecta al SoC anfitrión a través de PCIe, proporcionando una conectividad Ethernet para automóviles de hasta 10 Gb/sg (Figura 4). De este modo, se puede dar cabida al almacenamiento NVMe o a dispositivos finales adicionales gracias a los puertos PCIe adicionales. Las unidades telemáticas tienen requisitos ligeramente diferentes. Es posible que sólo necesiten uno de los puertos Ethernet para automóviles disponibles, pero, en cambio, hacen más uso de los puertos PCIe adicionales. Esto se debe al creciente uso de esta tecnología de interfaz para los módulos inalámbricos altamente integrados para la conectividad 5G, la comunicación vehículo a vehículo (V2V) y los dispositivos combinados Bluetooth y Wi-Fi.
Cómo resolver la conectividad limitada en las arquitecturas zonales
Está claro que, para que las funciones ADAS y de conducción autónoma cumplan las crecientes expectativas de los consumidores, se necesita más ancho de banda en el vehículo para soportar las nuevas arquitecturas E/E. Gracias al importante trabajo realizado por los grupos de normalización, la Ethernet del automóvil cumple estos requisitos. Ahora que ha sido seleccionada como interfaz para la red troncal de datos del automóvil, el siguiente reto es encontrar un hardware con el soporte adecuado y resolver los problemas de la limitada conectividad PCIe y Ethernet en los SoC actuales. El TC9563XBG de Toshiba ofrece una solución optimizada para las necesidades de las unidades telemáticas, las ECUs zonales y los sistemas IVI que es fácil de integrar, cumple con los estándares pertinentes y satisface las estrictas demandas de la industria del automóvil.
