Comment les processeurs puissants aident à faire progresser les architectures de véhicules

Par Brian Carlson, directeur des solutions mondiales et du marketing produit, NXP Semiconductors

Les fabricants d'équipement d'origine (OEM) sont confrontés à des défis importants dans les architectures de véhicules complexes. Certains véhicules haut de gamme disposent aujourd'hui de plus de 100 processeurs, qui gèrent tous leurs propres exigences de réseau et de connexion, avec des combinaisons de CAN, LIN, FlexRay, Ethernet et Gigabit Ethernet. Tout ce réseau nécessite des kilomètres de câble à l'intérieur de la voiture, ce qui entraîne un harnais très complexe qui coûte cher et peut peser jusqu'à deux passagers. Les fabricants d'équipements d'origine souhaitent simplifier la topologie des architectures de véhicules afin de réduire la complexité et le coût des nomenclatures. Ils veulent également avoir des cycles d'innovation plus rapides. En développant davantage de véhicules définis par logiciel, plutôt que l'approche actuelle axée sur le matériel avec des unités de commande électroniques (ECU) incrémentielles à fonction fixe, les équipementiers peuvent être plus agiles et prendre en charge les mises à niveau intelligentes à l'avenir.

Le chemin vers les architectures de domaine et de zone

Pour surmonter ces défis et atteindre leurs objectifs, les équipementiers du monde entier se tournent vers de nouvelles architectures qui intègrent la fonctionnalité ECU dans des processeurs multicœurs plus puissants qui prennent en charge l'isolation et l'évolutivité des logiciels. Cette intégration se produit à la fois logiquement et physiquement et, dans certains cas, avec une combinaison des deux dans la même architecture E/E du véhicule. L'intégration logique organise les fonctions en domaines, tandis que l'intégration physique organise les fonctions en fonction de leur emplacement dans le véhicule en zones.

L'intégration logique se produit dans les domaines fonctionnels de la dynamique du véhicule, de l'interface véhicule-carrosserie et du confort. Le domaine de la dynamique du véhicule organise toutes les fonctionnalités autour de la façon dont une voiture se déplace et comprend le groupe motopropulseur, le système de freinage, la direction, la suspension et la gestion du châssis. Avec le passage rapide aux véhicules électriques (VE), ce domaine gère la gestion complexe de la batterie et de l'alimentation et contrôle les onduleurs des moteurs électriques. L'intégration de cette fonctionnalité crée de nouveaux contrôleurs de domaine de propulsion.

Le domaine du réseau du véhicule gère en toute sécurité le flux de données du véhicule en tant que passerelle centrale avec connectivité cloud et fournit une informatique plus centralisée pour les services du véhicule. L'intégration de cette fonctionnalité génère des passerelles orientées services plus puissantes.

Le troisième domaine est la carrosserie et le confort, qui est la large interface de la façon dont le véhicule réagit aux passagers : détection de collision, airbags, commande de moteur, pompes et interrupteurs, CVC et éclairage intérieur et extérieur. L'intégration de cette fonctionnalité crée des contrôleurs de domaine corporels.

L'intégration physique dans les zones est généralement mise en œuvre en tant que contrôleurs de zone aux quatre coins du véhicule gérant la fonctionnalité interdomaine, chaque coin ayant une dorsale Ethernet redondante connectée à un ordinateur de véhicule centralisé fournissant un contrôle et des services centralisés du véhicule. . Les contrôleurs de zone peuvent nécessiter une combinaison de traitement en temps réel et d'application pour fournir les fonctions transversales nécessaires telles que l'éclairage, la gestion des capteurs (pneus, radar, imagerie), la suspension, le contrôle de l'onduleur, le système de sécurité, etc., les freins, la direction, etc. dans une zone réservée aux véhicules. Les contrôleurs zonaux nécessitent généralement plus de traitement multicœur en temps réel. Au lieu de cela, l'ordinateur du véhicule nécessiterait un traitement d'application plus multicœur. Cependant, un mélange de noyaux temps réel et d'application peut être utilisé en fonction de l'approche de l'OEM.

Les équipementiers doivent faire preuve de modularité et de flexibilité pour tirer parti de ces nouvelles approches architecturales des véhicules. La modularité offre une homogénéité entre les éléments du système en utilisant le même matériel pour différentes tâches, le fonctionnement de ces appareils étant défini par le logiciel. La flexibilité permet aux systèmes du véhicule d'être mis à jour au fil du temps via des mises à jour en direct (OTA) pour corriger les défauts logiciels, améliorer les fonctionnalités du véhicule ou en ajouter de nouvelles. Les ECU établis et définis par logiciel qui peuvent être mis à niveau au fil du temps permettent aux constructeurs automobiles de prendre en charge leurs véhicules plus efficacement.

La clé, quel que soit le domaine d'approche architecturale, zoné ou hybride des deux, est que les futures architectures E/E des véhicules nécessitent des processeurs fondamentalement nouveaux. Les processeurs de véhicule doivent prendre en charge le traitement multicœur en temps réel et d'application pour convertir plusieurs calculateurs physiques en calculateurs virtuels intégrés au logiciel. Passer de véhicules centrés sur le matériel à des véhicules définis par logiciel simplifie les mises à niveau tout au long de la durée de vie du véhicule. Il y a cinq ans, NXP a reconnu que l'évolution des exigences en matière de logiciels et de mise en réseau dépasserait les microcontrôleurs traditionnels et a répondu en développant la plate-forme de traitement automobile S32 pour relever le défi.

Intégration avec les processeurs de véhicule S32G

Dans le cadre de la plate-forme S32 de NXP, la famille de processeurs S32G offre une architecture cohérente et évolutive qui permet la consolidation du traitement embarqué. Avec des puces à broches compatibles allant d'un microcontrôleur multicœur à une combinaison de microcontrôleurs et de microprocesseurs multicœurs, les processeurs S32G permettent des passerelles orientées services, des contrôleurs de domaine, des processeurs de sécurité et des ordinateurs de véhicule, entre autres fonctions du véhicule. Les processeurs prennent en charge plusieurs applications en parallèle avec une isolation matérielle. Chaque cœur de processeur ne peut accéder qu'à sa propre mémoire et à ses périphériques protégés par le matériel, mais dispose d'un mécanisme efficace pour partager des données avec d'autres processeurs si nécessaire.

Les processeurs S32G combinent un traitement sécurisé des applications en temps réel avec une sécurité matérielle intégrée, une accélération du réseau et des interfaces réseau hétérogènes embarquées. Les MCU et MPU Arm® multicœurs hautes performances avec accélération matérielle réseau spécifique à l'application, qui déchargent les processeurs pour fournir des services précieux avec des performances réseau déterministes, sont nécessaires aux OEM dans l'environnement complexe et en temps réel des véhicules modernes. Son moteur de sécurité matérielle (HSE) permet une accélération de la sécurité matérielle intégrée hautes performances, ainsi qu'une prise en charge de l'infrastructure à clé publique (PKI) pour une gestion des clés de confiance. Le HSE protégé par un pare-feu est la racine de confiance qui prend en charge le démarrage sécurisé, fournit des services de sécurité du système et protège contre les attaques par canal latéral.

Les capacités d'ASIL D, y compris les cœurs de microcontrôleur Lockstep Arm® Cortex®-M7 et une capacité inédite dans l'industrie à verrouiller des groupes de cœurs d'application Arm Cortex-A53, permettent à la sécurité automobile de prendre en charge de nouveaux niveaux de performances avec des systèmes d'exploitation de haut niveau et une mémoire accrue Support.

La valeur de l'évolutivité du traitement a été constatée avec la populaire série S32G2 de quatre appareils compatibles lancés en production au deuxième trimestre 2021, car les équipementiers en ont profité dans plusieurs zones clés du véhicule avec différents niveaux de besoins de traitement. Le S32G234M, avec trois cœurs Cortex-M7 à double étape (loclstep), est disponible pour les applications embarquées en temps réel. Pour les applications qui nécessitent un traitement d'application en plus du traitement en temps réel, les modèles S32G233A, S32G254A et S32G274A offrent des niveaux de performances plus élevés avec jusqu'à quatre cœurs Cortex-A53 pour assurer l'intégration des applications et des services du véhicule.

Ouvrir la voie aux véhicules définis par logiciel

Le passage aux véhicules définis par logiciel nécessite des processeurs plus rapides et plus performants. Pour aider l'industrie automobile à évoluer à grande vitesse, NXP a élargi sa famille S32G avec l'introduction de la série S32G3 avec quatre dispositifs initiaux qui offrent plus de performances, de mémoire et de capacités de mise en réseau. Logiciel et broche compatibles avec la série S32G2, ces appareils fournissent 1,33 fois plus de traitement en temps réel, 2,6 fois plus de traitement d'application, 2,5 fois plus de bande passante Ethernet sur deux ports, 2 fois plus d'isolation de domaines, 2 fois plus de cache L2 et 2,5 fois plus mémoire sur puce que le dispositif S32G2 le plus performant actuel, le S32G274A. La famille S32G dispose désormais d'une large gamme de 8 processeurs compatibles couvrant un ordre de grandeur en matière de traitement. En étant compatible avec l'empreinte, les équipementiers peuvent concevoir une plate-forme d'intégration qui peut évoluer avec la modularité et la flexibilité nécessaires pour les nouvelles architectures E/E des véhicules. La série S32G3 aide les concepteurs à poursuivre la consolidation des calculateurs avec des calculateurs de véhicules virtuels définis par logiciel.

Aborder dès aujourd'hui les futures architectures de véhicules

Le portefeuille de processeurs S32G contribue à la transition des architectures de véhicules conventionnelles vers des architectures de domaine et zonales utilisées par les équipementiers pour relever les défis et activer les véhicules définis par logiciel. En disposant de ce portefeuille évolutif de compatibilité logicielle et de packs de broches, le S32G offre aux équipementiers de nombreuses opportunités de réutilisation et de flexibilité dans le développement de logiciels et le placement de leur application à différents endroits du véhicule.

Les processeurs S32G sont compatibles avec les cartes de conception et d'évaluation de référence, ainsi qu'avec les plates-formes robustes GoldBox pour l'intégration dans le véhicule. Une large gamme de logiciels d'activation, y compris la plate-forme d'intégration de véhicules S32G (GoldVIP), accélère l'évaluation des clients, le développement, la preuve de concept et le délai de mise sur le marché. En outre, NXP dispose également d'un vaste écosystème de partenaires en pleine croissance, offrant des systèmes d'exploitation, la virtualisation, des environnements d'exécution, des logiciels d'application, des cartes, des outils logiciels, des services d'ingénierie, une formation approfondie et des services cloud.