Elektronika kluczem do inteligentnych aut

Przemysł motoryzacyjny wzmacnia wysiłki w celu dostarczenia kierowcom nowych wrażeń z jazdy. Bezpieczeństwo i komfort użytkowania stanowią dla klientów główne czynniki decydujące o zakupie nowego auta. Wychodząc naprzeciw tym wymaganiom, producenci aut wyposażają nowe modele w coraz to bardziej zaawansowane funkcje bezpieczeństwa, nawigacji, komunikacji i rozrywki. Wszystkie te obszary wymagają wydajnych i niezawodnych procesorów, układów grafiki, sensorów i pamięci. Obecnie nowe modele z klasy wyższej mogą mieć do kilkuset elementów półprzewodnikowych. Liczba ta będzie nadal wzrastać, a inteligentne auta przyszłości mogą zawierać ich nawet kilka tysięcy. Dodając do tego wzrastającą popularność aut elektrycznych i coraz bardziej realne pojawienie się samochodów autonomicznych, nie dziwi, że dostawcy półprzewodników optymistycznie oceniają perspektywy sektora motoryzacyjnego.

Prognozy analityków

Większość opinii w branży zakłada, że popyt na półprzewodniki ze strony producentów aut w najbliższych latach będzie stale wzrastał. Według firmy analitycznej IHS Markit przeciętna wartość komponentów elektronicznych montowanych w samochodzie w 2022 roku przekroczy 6 tys. dolarów. Dla porównania, obecnie jest to około tysiąca dolarów i to dla aut z wyższej półki cenowej. Jeszcze bardziej optymistyczne prognozy przedstawiła firma NXP, sugerując, że w 2030 elektronika stanowić będzie nawet połowę kosztu samochodu. Według IC Insights w 2016 r. odbiorcy z rynku motoryzacyjnego kupili elementy elektroniczne za 22,9 mld dolarów, o 10% więcej niż w poprzedzającym roku. Stanowi to ok. 8% całkowitej sprzedaży półprzewodników w tym roku. W 2017 r. tempo wzrostu było jeszcze szybsze: 22,4% do 28 mld dolarów. W perspektywie najbliższych lat udział sektora motoryzacyjnego w całkowitym rynku półprzewodników przekroczy 10%.

Rośnie znaczenie współpracy

O tym, że sektor motoryzacji zyskuje na znaczeniu dla dostawców elektroniki, może świadczyć rozpoczęcie współpracy pomiędzy SEMI, czołowym stowarzyszeniem firm z branży półprzewodników i SAE, czyli stowarzyszeniem skupiającym inżynierów branży motoryzacyjnej. Celem jest wymiana doświadczeń i integracja firm i specjalistów z obu dziedzin, co pomoże przyspieszyć rozwój nowych innowacji.

Z uwagi na odpowiedzialność, jaka spada na układy elektroniki, sektor motoryzacji to dużo wyższe wymagania jakościowe w porównaniu z rynkiem konsumenckim lub przemysłowym. Kwestie bezpieczeństwa wymagają spełnienia rygorystycznych norm niezawodności. Jest to warunek konieczny, mimo że elementy montowane w pojazdach pracują w szerszym zakresie temperatur i wilgotności, są narażone na drgania, a wymagany czas pracy wynosi nawet kilkanaście lat. Trzy główne czynniki, które decydować będą o coraz większej zawartości półprzewodników w autach, to: zwiększenie elektryfikacji w pojazdach i napędy elektryczne, bezpieczeństwo i samochody bez kierowcy.

Samochody elektryczne i komponenty mocy

Pojawienie się napędów hybrydowych i elektrycznych spowodowało gwałtowny wzrost sprzedaży półprzewodników mocy do kontroli zasilania w pojazdach. Samochody elektryczne stanowiły niecały 1% całkowitej sprzedaży nowych aut w 2016, jednak według prognoz analityków McKinsey udział ten ma szansę wzrosnąć nawet do 10% w 2020 roku. Aby tak się stało, producenci muszą rozwiązać szereg problemów technicznych, szczególnie tych związanych z pojemnością i kosztem akumulatora.

Dla obecnie dostępnych na rynku pojazdów elektrycznych pełny akumulator starcza na przejechanie około 500 kilometrów, po czym wymagane jest czasochłonne ładowanie. Z uwagi na wiele nieprzewidywalnych czynników, jak regulacje czy koszty energii, dokładne prognozy długoterminowe są trudne do oszacowania. Nie ulega jednak wątpliwości, że popularność tego typu aut będzie rosnąć, a według McKinsey w 2030 roku stanowić one mogą nawet od 35 do 50% nowych aut. Przekłada się to na szanse dla dostawców komponentów.

Jak przewiduje IHS, rynek półprzewodników mocy do zastosowań w motoryzacji czeka w najbliższych latach wzrost na poziomie 7,5% rocznie, z 5,5 mld dolarów w 2016 do 8,5 mld dolarów w 2022. Według prognoz, 54% tej sumy stanowić będą półprzewodniki mocy stosowane w układach napędowych.

Bezpieczeństwo w centrum uwagi

Według IC Insights, w 2020 roku głównym obszarem zastosowań elektroniki w pojazdach będą zaawansowane funkcje ADAS (Advanced Driver Assistance Systems), czyli systemy wspomagania kierowcy. Trend ten traktowany jest jako pierwszy krok na drodze do pojazdów półautonomicznych i w dalszej perspektywie w pełni autonomicznych.

W najbliższych latach motorem wzrostu będą przede wszystkim regulacje prawne i wzrastające wymagania klientów co do bezpieczeństwa. Klienci doceniają takie ułatwienia, jak pomoc w parkowaniu czy ostrzeganie o obiektach znajdujących się w tzw. martwym punkcie, czyli obszarze niewidocznym w tylnych i bocznych lusterkach pojazdu. O ile obecnie wartość sektora ADAS jest nadal nieznacząca w porównaniu np. z systemami audio, telematyką czy sterowaniem klimatyzacją, o tyle bez wątpienia jego znaczenie będzie wzrastać. Pociągnie to oczywiście większe zapotrzebowanie na elementy elektroniczne odpowiedzialne za warstwę sprzętową. Dwie główne kategorie produktów, które na tym zyskają, to procesory i czujniki.

Zainteresowanie rynkiem ADAS zdradzają czołowi gracze tacy jak Intel, Nvidia, Qualcomm czy Samsung. Producenci aut i dostawcy technologii na ten rynek przedstawili szereg rozwiązań, które w najbliższych latach mają szansę stać się powszechnym wyposażeniem nowych aut. Przykładem jest firma Denso i jej system monitorujący stan kierowcy (Driver Status Monitor), który analizując obraz jego twarzy, ostrzega, kiedy ten zasypia lub jest zdekoncentrowany. System, który znalazł zastosowanie głównie w samochodach ciężarowych i autobusach, od rynkowego debiutu w 2014 jest ciągle rozwijany. Wraz z rozwojem samochodów autonomicznych bardziej zaawansowane możliwości monitorowania stanu kierowcy będą kluczowe w nadzorowaniu, jak samodzielne ma być auto, czy ma pełnić funkcję wsparcia dla kierowcy, czy w określonych warunkach ma w pełni przejąć kontrolę nad pojazdem.

Bezzałogowe samochody

Autonomiczne auta to następny etap ewolucji branży motoryzacyjnej. Obecnie, mimo wielu udanych testów, technologie używane w tych pojazdach nadal wymagają rozwinięcia, aby system był w stanie bezbłędnie rozpoznawać elementy otoczenia, a na podstawie zebranych danych ocenić sytuację na drodze i podejmować odpowiednie decyzje.

Bezpieczeństwo podróży wymaga sieci niezawodnych czujników wraz z układami, które w czasie rzeczywistym będą przetwarzać i interpretować duże ilości danych oraz komunikować się z zewnętrznym światem. Główne typy czujników, które mają pozwolić autu "widzieć" otoczenie, to radary, radary optyczne (Lidar) i zaawansowane systemy rozpoznawania obrazów. Każdy z nich ma swoje mocne strony, jednak wspólnym mianownikiem jest ogromna ilość danych, jakie są zbierane ze środowiska i muszą być natychmiastowo zinterpretowane.

Dla pojazdów autonomicznych oznacza to przetwarzanie danych w tempie kilku terabajtów na godzinę. Jest to za dużo, aby móc przesłać je do chmury, a więc każdy pojazd będzie potrzebował wydajnego komputera centralnego zdolnego do podejmowania szybkich decyzji dotyczących jego zachowania. Dodatkowo dalszy rozwój pojazdów autonomicznych zakłada, że będą one w stanie komunikować się ze sobą oraz elementami infrastruktury. Oznacza to konieczność rozwinięcia bardziej wydajnych standardów komunikacji mobilnej (V2I) i zapewnienia odpowiedniej infrastruktury przechowywania danych w chmurze.

O tym, że czołowi gracze dostrzegają potencjał motoryzacji, świadczą zapowiedzi produktowe, ale też wiele strategicznych partnerstw i przejęć mniejszych firm opracowujących technologie. Obecnie trwa wyścig, kto zyska przewagę wynikającą z faktu bycia pierwszym na rynku z gotowym produktem.

Intel inwestuje w motoryzację

Dla Intela branża motoryzacyjna to jeden z filarów dalszego rozwoju. Ma na celu zrekompensowanie słabej pozycji firmy w rynku elektroniki mobilnej i zniwelowanie wpływu zastoju na rynku komputerów osobistych. Firma od 2009 r. współpracuje z Waymo, należącą do Google firmą zajmującą się rozwojem autonomicznych aut. Zdobyte przez ten czas doświadczenie ma w przyszłości zapewnić silną pozycję Intela w tym sektorze.

Dotychczasowym efektem współpracy jest specjalnie zmodyfikowany minivan Chrysler Pacifica, w którym większość funkcji obliczeniowych realizowana jest przez układy Intela. Samochód ten zaprezentowany został w 2016 r. i już odbył próbne jazdy po publicznych drogach w USA.

W 2017 r. Intel za 15,3 mld dolarów kupił Mobileye, izraelski start-up zajmujący się rozwijaniem sensorów, kamer i systemów obrazowania otoczenia do autonomicznych pojazdów. Było to drugie po Alterze największe pod względem wielkości przejęcie w historii firmy. Równocześnie ogłoszono rozpoczęcie wspólnych prac Intela, Mobileye i BMW, których celem jest zbudowanie floty 40 autonomicznych samochodów. Projekt zakłada testy na drogach publicznych w USA i Europie.

Aktywność nVidii

Podobne plany zdradza nVidia, która do niedawna znana była głównie z procesorów graficznych dla graczy, a obecnie coraz mocniej zaznacza swoją obecność w sektorze autonomicznych aut. Firma zbudowała portfolio rozwiązań dla branży motoryzacyjnej, przede wszystkim zaprezentowany w 2017 r. Drive PX Pegasus. Jest to system poziomu 5 (patrz ramka) oparty na dwóch procesorach o nazwie Xavier i dwóch GPU, o łącznej mocy obliczeniowej ok. 320 TFLOPS-ów.

Procesor Xavier oparty jest na nowej architekturze o nazwie Volta, która według zapewnień oferuje wysoką wydajność przy niskim poborze mocy ok. 30 W. Całość zamknięta jest w obudowie wielkości tablicy rejestracyjnej. Zestawy deweloperskie mają trafić do partnerów Nvidii w drugiej połowie 2018 roku. Według przedstawicieli firmy, w pierwszej kolejności można spodziewać się zastosowania Drive PX Pegasus w autonomicznych autach dostawczych i taksówkach operujących na terenach zamkniętych, takich jak lotniska, porty lub kopalnie.

Nvidia nie podaje nazw wszystkich partnerów zainteresowanych nową technologią, zdradza tylko, że wśród nich ponad 25 to firmy z branży transportu pasażerskiego. Analitycy podejrzewają, że w grupie tej znajdują się Uber oraz Lyft. Wśród potwierdzonych projektów jest m.in. współpraca z DHL i ZF w celu wprowadzenia do użytku autonomicznych ciężarówek dostawczych już w 2019 roku. W obszarze aut osobowych firma współpracuje m.in. z Audi, Toyotą i Mercedesem. Celem każdego z tych projektów jest wypuszczenie na drogi w pełni autonomicznego pojazdu w ciągu najbliższych lat.

Samsung

Również Samsung zdecydowanie wkroczył w sektor motoryzacyjny, o czym świadczy wiele przejęć, których firma dokonała w celu rozwoju portfolio technologii i przede wszystkim zaznaczenia swojej obecności w obszarze aut autonomicznych. Wśród rozwijanych projektów ciekawostką jest system wspomagania kierowcy oparty na otwartej platformie, czyli dający możliwość zewnętrznym deweloperem oferować swoje własne aplikacje.

Najbardziej znacząca inwestycja Samsunga to przejęcie Harman International Industries za 8 mld dolarów. Korzystając z ugruntowanej pozycji Hartmana, którego produkty można znaleźć w modelach większości czołowych producentów aut, Samsung liczy na wykorzystanie efektu synergii do popularyzacji swoich innych produktów w tym sektorze.

Kolejne znaczące przejęcie to inwestycja 90 mln dolarów w TTTech, austriacką firmę opracowującą nowe technologie komunikacyjne do stosowania w autonomicznych pojazdach. Zakup ten był zrealizowany w ramach funduszu Samsung Automotive Innovation Fund, który ma inwestować w start-upy rozwijające innowacyjne technologie do motoryzacji.

Rozwiązania TTTech stosowane są w systemach automatyki jazdy w najnowszym modelu Audi A8. Sieć czujników laserowych, ultradźwiękowych, optycznych i radarowych zbiera informacje na temat otoczenia pojazdu, które następnie trafiają do centralnego komputera o nazwie zFAS.

Poza technologią TTTech, zFAS oparty jest na procesorze EyeQ3 produkcji Mobileye i Tegra K1 firmy nVidia. W określonych warunkach jest on w stanie przejąć kontrolę nad autem bez udziału kierowcy. Komputer zFAS ma być platformą do przyszłych samochodów autonomicznych Audi o wyższym poziomie autonomiczności. Dotychczas Audi stosowało komponenty Samsunga w systemach infotainment i systemach wspomagania kierowcy, ale inwestycja w TTTech pozwoli zacieśnić współpracę z niemieckim gigantem w obszarze aut autonomicznych.

Jacek Dębowski