Integracja układów scalonych w przemyśle motoryzacyjnym

W 2007 roku na International Automotive Electronics Congress, międzynarodowym spotkaniu producentów samochodów oraz firm z dziedziny elektroniki, poruszono kwestię efektu synergii wynikającego z zastosowania półprzewodników w przemyśle motoryzacyjnym. Wnioskiem z tego spotkania jest jednak to, że mimo obecnego wzrostu popytu na mikrokontrolery oraz układy SoC, w długim okresie najbardziej zyskają te firmy z branży układów scalonych, które na poziomie systemowym będą w stanie zapewnić integrację elektroniki w samochodach. Według analityków z firmy Databeans, wartość rynku półprzewodników samochodowych wyniosła w 2006 roku 18 mld dol. i osiągnie 29 mld dol. w roku 2012, co odpowiada średniemu wzrostowi na poziomie 8% rocznie. Firma Frost & Sullivan oczekuje wzrostu na rynku aktywnych układów bezpieczeństwa z 13 do 21,3 mld dol. w ciągu tego samego okresu.

STMicroelectronics, trzeci po Freescale Semiconductor i Infineon Technologies największy dostawca układów na rynek motoryzacyjny, wpisuje się w ten trend wzrostowy. Dział urządzeń samochodowych firmy odnotował w 2006 roku obroty na poziomie 1,36 mld dol. w porównaniu do 400 mln dol. w roku 1996. Średnia roczna stopa wzrostu firmy w tym sektorze wyniosła 14%, podczas gdy cały rynek wzrósł jedynie o 6%. W ciągu kolejnych 10 lat kierownictwo STM planuje utrzymać stopę wzrostu na poziomie co najmniej 10% rocznie. Rynek motoryzacyjny stanowi zatem duży potencjał dla dostawców układów scalonych, a producenci samochodów widzą w elektronice szansę na poprawę bezpieczeństwa, obniżenie emisji CO2 oraz kosztów zużycia paliwa. Jednak są oni w gruncie rzeczy zmuszeni do stałego dokonywania tego typu ulepszeń. Ponadto przedstawiciele Komisji Europejskiej naciskają na redukcję dwutlenku węgla emitowanego przez samochody do poziomu 120g/km w 2012 roku oraz postulują usprawnienie bezpieczeństwa drogowego za pomocą technik zapobiegania wypadkom. Wymagania te zostały szczegółowo opisane w strategii CARS 21 (Competitive Automotive Regulatory System for the 21st Century) promowanej przez Komisję Europejską.

Początki elektroniki samochodowej

Rys. 1. Użycie elektroniki w aktywnych układach bezpieczeństwa. Źródło: Frost&Sulivan.

Mikrokontrolery pojawiły się na rynku motoryzacyjnym w latach 70. w wyniku wprowadzenia California Clean Air Act. Stosowano je w urządzeniach sterujących pracą silnika (Engine Control Unit), co ugruntowało ich pozycję w tej branży oraz było pierwszym etapem integracji elektroniki w samochodach. Sterowanie silnikiem miało także istotny wpływ na rozwój samych mikrokontrolerów – ich efektywność przetwarzania w ciągu 10 lat wzrosła 7-krotnie, a wydajność obliczeniowa około 20 razy.

Kolejny etap integracji elektroniki w przemyśle motoryzacyjnym wynika z konieczności zwiększenia bezpieczeństwa, ponieważ straty powodowane przez wypadki samochodowe w Europie wynoszą około 120 mld dol. rocznie. Jednak zastosowanie układów scalonych podnoszących standardy ochrony w samochodach będzie wymagało zmian w architekturze pojazdów. Funkcje ochrony oraz takie jak ABS i kontrola stabilności, będą musiały ze sobą współpracować dla zapewnienia optymalnego bezpieczeństwa pasażerów. Ponadto systemy wspomagania kierowcy, takie jak automatyczna regulacja prędkości jazdy, poprawa widoczności oraz ostrzeganie przed zmianą pasa ruchu, wymagają wysokowydajnych procesorów i pamięci, a także sensorów MEMS.

Nadmiarowość istotą bezpieczeństwa

Bezpieczeństwo jest kluczowym wymogiem stawianym obecnie koncernom motoryzacyjnym. Wiąże się to z niezawodnością takich elementów jak czujniki, napędy, połączenia, zasilanie oraz jednostka obliczeniowa. Istnienie nadmiarowych układów scalonych może więc zapewnić większe bezpieczeństwo. Jest to klasyczne podejście rozwinięte w wojskowości i awionice oraz stanowi kolejny technologiczny przełom, który przyczynia się do przejścia w kierunku bezpieczeństwa aktywnego.

Jednym z rozwiązań dostępnych na rynku jest 3-rdzeniowy mikrokontroler Space, oparty na architekturze Power Architecture, rozwijany przez firmy Freescale i Continental. Jest on przeznaczony na rynek motoryzacyjny i ma stanowić element elektronicznego systemu hamulcowego (Electronic Braking System). Poszczególne jego rdzenie mają ze sobą współpracować i zapewniać możliwości obliczeniowe oraz sterujące w obliczu mniejszego zużycia energii. Urządzenie Space zawiera 3MB pamięci Flash, 96KB SRAM i wykorzystuje magistralę komunikacyjną FlexRay. Także Infineon oferuje wielordzeniowy mikrokontroler do aplikacji samochodowych w postaci produktów z rodziny Audo i Audo NextGeneration, bazujących na architekturze TriCore. Urządzenia te mają być w założeniu przeznaczone do sterowania pracą silnika oraz innych aplikacji związanych ze sterowaniem napędowym.

Autosar usprawni integrację

Podejście wielordzeniowe jest także częścią długoterminowej strategii firmy Renault. Zgodność z otwartym standardem Autosar, nad którym trwają obecnie prace, pozwoli na sterowanie wieloma modułami za pośrednictwem jednego mikrokontrolera. Pojedynczy ECU mógłby więc zostać użyty do sterowania zarówno silnikiem, jak i skrzynią biegów. Rozwiązanie oparte na tym standardzie nie trafią jednak do masowej produkcji przed rokiem 2012. Prace nad standardem Autosar mają zostać ukończone w roku 2009, a dopiero w latach następnych zostaną podjęte próby zaimplementowania w nim całkowitego wsparcia dla technologii wielordzeniowych.

Obecnie dostępne są wszystkie elementy składowe niezbędne do integracji wielu podsystemów w przemyśle motoryzacyjnym. Istnieją odpowiednie elementy wykonawcze, czujniki oraz mikroprocesory, jednak pozostaje wybór odpowiedniej architektury oraz projektu. Freescale jako pierwsza zamierza dokonać integracji różnych układów, do czego ma się przyczynić porozumienie o współpracy, które firma zawarła z STMicroelectronics w lipcu 2007 roku.

Z kolei Renault przyznaje, że znacznie inwestuje w podejście systemowe. Firma uważa, że dzięki odpowiednim algorytmom niektóre sensory mogą zostać zastąpione przez oprogramowanie. Wraz z większym rozbudowaniem systemu, rośnie potrzeba większej koordynacji między jego poszczególnymi elementami, a standard Autosar może być dobrą okazją do uzyskania takiej integracji.

Grzegorz Michałowski