Autofabrikanten versnellen hun chip- en elektronische ontwerpschema's om concurrerend te blijven in een steeds sneller veranderende markt, maar ze stuiten op hiaten in de tooling, de toeleveringsketen en in de methodologieën die ze gebruiken om die auto's te maken.

Hoewel het gemakkelijk voor te stellen is hoe CAD-software kan worden gebruikt om de 3D-look van het volgende nieuwe voertuig te creëren, en hoe simulatiesoftware ontwikkelaars helpt de PPA van de volgende autochips te optimaliseren, is het veel moeilijker om al deze onderdelen in een veilig systeem te integreren. voertuig dat tien jaar of langer meegaat.

De eerste stap in dit proces is het synchroniseren van de toeleveringsketen en het definiëren van de verschillende stappen, inclusief wat gelijktijdig kan worden gedaan en wat serieel moet worden gedaan. Dat duwt auto-OEM's en hun leveranciers dieper in modellering en simulatie, met behulp van virtuele platforms om software te ontwikkelen. Dit is een bekend concept in de chipwereld, waar meestal dummy-blokken worden gebruikt ter vervanging van echte hardware wanneer deze niet beschikbaar is. Wanneer de hardware beschikbaar komt, gaat de ontwikkelaar terug naar het model en ruimt het op. Maar het is nog nooit gedaan in een veiligheidskritische markt als de auto-industrie, waar een consistente stroom van updates en verbeteringen moet worden gekwalificeerd volgens strenge veiligheidsnormen.

"Dit kan erg rommelig zijn, maar het is aan het veranderen", zegt David Fritz, vice-president van hybride en virtuele systemen bij Siemens Digital Industries-software. “OEM's eisen nu dat hun Tier 1- en Tier 2-leveranciers, evenals aannemers, een softwareversie van de hardwaremodule leveren, ook wel hardware-in-the-loop (HIL) genoemd. Hierdoor kan de OEM ontwerpen met behulp van virtuele platforms zonder de daadwerkelijke hardware. Dit versnelt niet alleen het ontwerpproces, maar zet ook het ecosysteem op zijn kop. De supply chain is dit niet gewend.”

Nieuwe designtrends
Het ontwerpen van auto's duurt veel langer dan het ontwerpen van consumentenelektronica. Het kan jaren duren voordat een nieuw model wordt uitgebracht, en hoewel dat een verbetering is ten opzichte van het verleden, is het voor autofabrikanten niet voldoende om concurrerend te blijven in de snel evoluerende automarkt. Bijgevolg willen OEM's het ontwerpproces voor EV's, SDV's en andere nieuwe voertuigen verder versnellen, dus bevatten projectschema's nu zowel parallelle als seriële taken.

"Technische groepen en hun uitvoerende managementteams hebben de 'shift left'-mantra aangenomen om testen, kwaliteit en prestatie-evaluatie vroeg in het ontwerpproces te verplaatsen als de zekere weg naar meer winstgevendheid en concurrentievermogen", aldus David Vye, senior productmarketingmanager voor RF-/microgolfproducten op Cadans. “De druk om naar links te verschuiven, vereist van technologen dat ze de ontwerpcycli verkorten door gelijktijdige ontwerpactiviteiten en vermindering van ontwerpinefficiënties die de oplevering vertragen. Productvertragingen treden op wanneer teams wachten op andere teams om met hun ontwerpactiviteit te beginnen, wanneer ontwerpers wachten op analyse-experts om gegevens te verstrekken, en wanneer onsamenhangende tools veel engineeringtijd vergen om ontwerpgegevens tussen punttools over te dragen. Dit is een veelvoorkomend probleem tussen de chip- en IC-verpakkingsteams.”

Het is echter aanzienlijk moeilijker in de automobielsector, waar veiligheid de grootste zorg is. Ontwerpteams moeten zich steeds vaker zorgen maken over de elektrische en thermische impact van het plaatsen van een apparaat in een elektronische verpakking en de resulterende prestatieafwijking. Dit is waar virtuele prototyping en andere analyse- en simulatietools op systeemniveau passen.

Traditioneel voltooiden softwareontwikkelaars het coderingsproces en testten vervolgens de software op een elektronische regeleenheid (ECU) of een ADAS apparaat. Als deze of vergelijkbare hardware niet beschikbaar is, blijven softwareontwikkelaars inactief. Hardware-in-the-loop (HIL) real-time simulatie daarentegen laat de ontwikkeling doorgaan omdat de hardwarespecificatie kan worden getest en geverifieerd alsof het echte hardware is.

Om nog een stap verder te gaan, zullen OEM's nu eisen dat Tier 1- en Tier 2-leveranciers en aannemers softwaremodules leveren die het eigenlijke hardware-ontwerp voor ECU- en ADAS-apparaten bevatten. Met deze aanpak kunnen OEM's een compleet virtueel prototype maken, en in theorie zouden ze in staat moeten zijn om het complete auto-ontwerp te testen en te valideren.

"In het verleden voegden ontwikkelaars nieuwe ECU's toe om een ​​specifieke functie aan te pakken", zegt Marc Serughetti, senior director voor Embedded Software Solutions & Systems bij Synopsys. "Eenmaal gevalideerd, zou de ECU vervolgens worden geïntegreerd in de rest van het voertuig en andere ECU's met communicatienetwerken, zoals CAN of LIN."

Maar het versnellen van dat schema door de lift te verschuiven is al moeilijk genoeg in consumentenelektronica, en het is veel moeilijker in de auto-industrie, waar veiligheid de belangrijkste zorg is. Deze algehele ontwerpcyclus is echter te traag om te voldoen aan de toenemende eisen van klanten voor meer gemak en veiligheidsmogelijkheden, en het missen van een marktvenster is kostbaar.

"Als gevolg hiervan gaan auto-OEM's over op softwaregedefinieerde voertuigen", zei Serughetti. “Deze benadering vereist nieuwe E/E-architecturen, zoals zonecontrollers met centrale rekenkracht, op Ethernet gebaseerde communicatie en nieuwe automotive softwareplatforms die in staat zijn om meerdere functies veilig parallel uit te voeren. Bovendien moet de architectuur eenvoudig software-upgrades en -updates ondersteunen, wat het onderhoud van voertuigen vereenvoudigt en nieuwe inkomstenbronnen voor OEM's mogelijk maakt. Simulatie, waarbij digitale tweelingen worden gebruikt om deze complexere systemen te valideren, is essentieel geworden om fysieke systeemontwikkeling, inclusief mechanische en hardware-ontwikkeling, los te koppelen van softwareontwikkeling. Met behulp van simulatie kunnen ontwikkelaars ruim van tevoren de beschikbaarheid van fysieke testbanken en muilezelvoertuigen valideren. Ze winnen ook aan efficiëntie, omdat simulatie meer zichtbaarheid en controle biedt, en ze kunnen eenvoudig worden ingezet om een ​​groot aantal testscenario's parallel uit te voeren. Het resultaat is snellere en eenvoudigere ontwikkeling, snellere validatie en implementatie van nieuwe functies en software van hogere kwaliteit.”

Afb.1: De complexiteit van een voertuig maakt auto-ontwerp een uitdaging. Bron: Cadans

Van SoC tot digital twin
Virtuele prototypen is een gecompliceerd proces en hoewel het veel voordelen heeft, kan de implementatie een uitdaging zijn. Hoe weet je bijvoorbeeld dat een ECU foutloos zal functioneren in de eindproductie? Belangrijker nog, hoe zorg je ervoor dat alle componenten (SoC's, ECU's, ADAS en een intern privaat netwerk zoals de CAN-bus) goed samenwerken, rekening houdend met timing, latency, dataflow, foutcorrectie, etc.?

De honderden miljoenen regels code in het voertuig moeten foutloos functioneren. Als alles in realtime werkt, wat gebeurt er dan als er een softwarestoring is? Welke invloed zou dit hebben op een voertuig dat met topsnelheid op een snelweg rijdt? Betrouwbaar testen en valideren zijn van cruciaal belang. Maar zelfs als ECU's van verschillende leveranciers met succes zijn getest, voegt de integratie ervan nog een extra niveau van complexiteit toe.

"Het afzonderlijk testen van ECU's is nog maar het begin", zei Fritz. “De subtiele problemen, die de meeste tijd kosten om te ontdekken en te corrigeren, worden pas duidelijk als alle ECU's met elkaar zijn verbonden en gelijktijdig werken. Deze gelijktijdige werking belast het netwerk dat de ECU's verbindt. Latentie wordt geïnjecteerd vanwege beperkingen van de netwerkbandbreedte. Arbitrage en transmissietijden over afstand zullen latentie toevoegen. Het gebruik van prikkels vereist het synchroniseren van het hele systeem en het evalueren van de uitvoer van elke ECU op basis van context. Hier komen scenario's om de hoek kijken. Ze zorgen voor realistische prikkels in het systeem en de totale output van de ECU's in het systeem kan op systeemniveau worden geëvalueerd. Raakt het voertuig bijvoorbeeld een lichtmast? Het uiteindelijke scenario zal worden geëvalueerd op basis van de werking van alle afzonderlijke componenten, zoals ECU's, die samen werken.”

In eerste instantie beginnen de modellering en simulatie met de SoC en system-on-module (SoM), en gaan daarna verder met ECU's en ADAS. Ook al ontwerpen en testen Tier 1- of Tier 2-leveranciers veel van deze componenten, OEM's hebben de uiteindelijke verantwoordelijkheid om ervoor te zorgen dat een virtuele prototyping een voertuig oplevert waarin elk onderdeel foutloos functioneert. De grote uitdaging is om dit met maximale efficiëntie te doen en toch te voldoen aan de veiligheids- en betrouwbaarheidseisen.

De meeste OEM's zijn bekend met het ontwerp en de selectie van SoC's voor auto's. De volgende stap is het optimaliseren van ECU's en ADAS, wat een continu proces is.

"Automotive elektronische besturingseenheden (ECU's) kunnen profiteren van vermindering van grootte en gewicht wanneer PCB's worden ontworpen met een modelleringstool", aldus Vye van Cadence. "Dit zal de PCB miniaturiseren met fijnlijnige meerlaagse substraten, blinde en begraven via's, microvia's, in het substraat ingebedde passieve en actieve componenten, en rigide flexibele substraten die kunnen worden gevouwen en in autobehuizingen worden gepast die gericht zijn op specifieke holtes en ruimtes binnenin." de auto. Integratie met mechanische CAD (MCAD)-tools zorgt voor een productief ECU-co-ontwerp van behuizingen en printplaten.”

Auto-ECU's gemaakt met PCB-, SiP- en SoC-stoffen moeten ook bestand zijn tegen zware thermische en elektromagnetische bedrijfsomstandigheden in een auto. "Nu de datasnelheden tussen en binnen de ECU ook dramatisch stijgen, vereist dit een zorgvuldige analyse van het signaal, het vermogen en de thermische integriteit", zei hij. "Gigahertz-communicatie tussen geheugen en CPU in SiP- en PCB-ontwerpen binnen een ECU, of netwerkcommunicatie tussen ECU's, profiteren allemaal van signaalintegriteitsanalyse (SI), waarbij signaal, voeding en aarde samen kunnen worden gekoppeld en gesimuleerd."

Als we naar het grote geheel kijken, gaat de auto-industrie over van een zeer lineair model naar een meer op samenwerking gericht model, waarbij de interactie en betrokkenheid van OEM's met leveranciers verandert. Serughetti van Synopsys merkte op dat OEM's dieper in halfgeleiders en software interageren en zo nieuwe ecosystemen vormen.

“Virtual vehicle vision maakt deze integratie en interactie mogelijk. Technologieën om een ​​virtueel voertuig op te zetten, moeten op meerdere aspecten schaalbaar zijn. Een belangrijke is schaalbaarheid voor progressief bouwen, waarbij virtuele ECU's van verschillende leveranciers met elkaar moeten worden geïntegreerd", aldus Serughetti. “Een virtuele voertuiginfrastructuur kan worden gebruikt om deze verticale integratie te vergemakkelijken, van SoC's tot ECU's tot het virtuele voertuig. Het biedt eigenlijk veel waarde voor de OEM's. Ze kunnen deze infrastructuur gebruiken om ervoor te zorgen dat een ECU aan hun eisen voldoet. Op deze manier kunnen hun leveranciers de ECU zeer vroeg integreren en valideren, zowel stand-alone als in de context van het totale systeem. Het proces werkt een beetje als een plug-and-play-systeem waarbij je een andere ECU aan een bestaand systeem kunt toevoegen, maar ook verschillende ECU’s of softwaremodules kunt evalueren.”

Volgens meerdere experts is er tegenwoordig geen uitgebreide tool die OEM's kant-en-klaar kunnen kopen om virtuele prototyping op een volledig voertuig uit te voeren. Dat vereist het modelleren van individuele componenten of modules en de integratie van deze individuele componenten in een virtueel voertuig. Het meest waarschijnlijke scenario is dat verschillende modellerings-/simulatietools kunnen worden gebruikt om individuele componenten te modelleren. Dit hangt af van het type model (volledigheid en nauwkeurigheid van de representatie), dat op zijn beurt wordt bepaald door de betreffende validatie-use case.

Zo stelt de simulatie van voertuigdynamiek andere eisen dan die voor het simuleren van ECU-software. Evenzo, als een zeer nauwkeurig model nodig is (op fysiek niveau), kan dit een andere technologie vereisen dan een model op zeer hoog niveau, dat slechts een eenvoudig functioneel gedrag biedt.

"Modellen zullen uit verschillende delen van de toeleveringsketen komen, met verschillende onderdelen die verschillende tools gebruiken", zei Serughetti. “De sleutel zit dus op voertuigniveau. Technologieën moeten gebruikers in staat stellen om elk afzonderlijk componentmodel en de bijbehorende simulatietechnologieën samen te brengen om het virtuele voertuig te bouwen. Standaarden als Functional Mock-up Interface (FMI) zullen hierbij een sleutelrol spelen.”

[FMI is een standaard om dynamische simulatiemodellen uit te wisselen. Deze gratis standaard definieert een container en een interface om dynamische modellen uit te wisselen met behulp van een combinatie van XML-bestanden, binaire bestanden en C-code, gedistribueerd als een ZIP-bestand. versie 3.0 werd uitgebracht in mei 2022.]

Digitale tweeling
Uiteindelijk zullen OEM's zoiets als een digitale tweeling (DT) gebruiken, die relatief nieuw is in de automobielsector en nog steeds in ontwikkeling is. De auto-industrie heeft verschillende meningen over DT's.

"Het is een omgekeerde 'Lord of the Rings'-situatie", zegt Frank Schirrmeister, vice-president oplossingen en bedrijfsontwikkeling bij Arteris-IP. “Er zal waarschijnlijk nooit één simulatie zijn die ze allemaal beheerst. Ontwikkelteams gebruiken verschillende tools om tijdens projecten verschillende scopes te simuleren. De 'verdeel en heers'-benadering is niet dood, omdat de reikwijdte en complexiteit van wat gebruikers pragmatisch kunnen simuleren sterk afhangt van aspecten als de getrouwheid van de simulatie; het getroffen domein — elektronica, mechanica, enz.; het type gebruiksmodel - architectuuranalyse, optimalisatie voor vermogen, kosten en andere kenmerken, functionele verificatie, softwareontwikkeling, enzovoort; en vele anderen."

Sommigen beschouwen ontwikkelingsplatforms die simulatie van het ontwerp in verschillende fasen van een project mogelijk maken als een 'digitale tweeling. '

"De definitie omvat vaak simulatie, emulatie en op FPGA gebaseerde prototyping", zei Schirrmeister. “Het doel strekt zich echter uit tot de productlevenscyclus voor aspecten als voorspellend onderhoud, waarvoor verschillende soorten stimulatie wellicht beter geschikt zijn. Ik heb gevallen gezien waarin pre-productie digitale tweelingen defecten reproduceerden die tijdens de levenscyclus van een product werden geïdentificeerd.”

Een voertuig mag er voor de OEM's uitzien als een systeem, maar het is nauwkeuriger een systeem van subsystemen. “Veel van deze subsystemen hebben de vorm van heterogene elektronische modules, die voortdurend evolueren dankzij de onderliggende vooruitgang in halfgeleider- en integratietechnologieën die betere detectie-, reken- en communicatieprestaties ondersteunen in een kleinere voetafdruk. Deze zeer complexe modules zijn nog steeds afhankelijk van gespecialiseerde ontwerp-, analyse- en implementatietools, die rekenkundig krachtiger en geïntegreerder zijn dan eerdere generaties EDA. Door gebruik te maken van analyse in het ontwerp en interoperabiliteit van ontwerpplatforms binnen de context van de digitale tweeling, kunnen OEM's de functie van het hele voertuig op praktisch niveau simuleren”, voegde Vye van Cadence toe.

Ontwerpen met veiligheid in het achterhoofd
Terwijl digitale tweelingen en de softwaresimulatie van de vele functies en interacties van elk afzonderlijk onderdeel in het voertuig blijven evolueren tot de ultieme virtuele prototyping-oplossing voor de auto-industrie, is een essentieel onderdeel dat niet over het hoofd mag worden gezien in het auto-ontwerpproces de vereiste voor functionele veiligheid en cybersecurity.

Thierry Kouthon, technisch productmanager, Security IP bij Rambus wees op het belang van een alomvattende beveiligingsbenadering. “Rambus' CryptoManager Root of Trust (RT-640) is een beveiligingsprocessor die ASIL-B gecertificeerd is. Het ASIL-B-certificeringsniveau betekent dat de RT-640 functioneert zoals ontworpen, zelfs als er storingen optreden in de IC, zolang deze onder een bepaalde waarschijnlijkheid verschijnen. Het geselecteerde integriteitsniveau, ASIL-B, bepaalt de waarschijnlijkheid. We hebben voornamelijk twee tools gebruikt om ervoor te zorgen dat de CryptoManager Root of Trust (CMRT) zich zal gedragen zoals voorspeld. De eerste tool leverde Diagnostic Coverage-resultaten, die de effectiviteit van het systeem bij het detecteren van alle storingen meten. Diagnostic Coverage houdt rekening met alle componenten van de CMRT en meet of de aanwezige veiligheidsmechanismen storingen hierin kunnen detecteren. Een tweede tool biedt foutcampagnes en kan de werking van de CMRT volledig nabootsen door de exacte weergave van het circuit te gebruiken. Het simuleert fouten kunstmatig in de CMRT en detecteert of ze op de juiste manier worden afgehandeld. Met beide tools kunnen we de levensvatbaarheid van ons ontwerp aan onze auditors aantonen.”

Over functionele veiligheid en de ISO 26262 standaard, merkte Kouthon op dat, afhankelijk van de geografie, auto-ontwerp vereist dat fabrikanten systemen bouwen die functionele veiligheid bereiken, wat tot doel heeft het faalrisico te verminderen bij het gebruik van complexe elektronische systemen in motorvoertuigen.

"Halfgeleiders die worden gebruikt voor automobieltoepassingen hebben te maken met milieu-uitdagingen zoals temperatuur, vocht en trillingen", aldus Kouthon. “Bovendien ontwerpen fabrikanten complexere IC's met krimpende geometrieën. Al deze factoren verhogen het risico op fouten. Functionele veiligheid is een eigenschap van deze systemen, die kan worden beoordeeld met behulp van de methoden beschreven in de ISO 26262-norm. Functionele veiligheid is essentieel om het risico te verkleinen dat inzittenden van motorvoertuigen en anderen in de buurt van het voertuig in gevaar worden gebracht, en het risico van schade aan andere voertuigen, eigendommen langs de weg en nabijgelegen infrastructuur als gevolg van een ongeval. Functionele veiligheid heeft substantiële juridische gevolgen in Europa en andere geografische gebieden omdat het betrekking heeft op productaansprakelijkheid. In veel gerechtelijke systemen kunnen fabrikanten productaansprakelijkheid alleen omzeilen als ze kunnen aantonen dat het systeem een ​​fout niet kon voorkomen op basis van de stand van wetenschap en technologie op het moment van fabricage. De ISO 26262-norm introduceert Safety Integrity-niveaus om vier categorieën van risiconiveaus te beperken (variërend van A tot D, waarbij D de hoogste is en A de laagste) voor defecten aan voertuigapparatuur, gebaseerd op de mogelijke schade aan eigendommen en gevaar voor inzittenden.”

De naleving van ISO 26262 heeft een grote invloed op de manier waarop OEM's moderne voertuigen bouwen. “Ze moeten in hun ontwerpen foutcorrectieschema's, testsequenties, redundanties en vele andere mechanismen introduceren om ervoor te zorgen dat de kans op uitval van elektronische apparatuur in het voertuig onder de drempelwaarden ligt die zijn vastgelegd in de ISO 26262-norm. Als u dit niet doet, kan dit leiden tot het terugroepen van voertuigen en juridische stappen”, zei hij.

Schirrmeister van Arteris IP is het daarmee eens. “Ontwikkelaars zullen verschillende aspecten simuleren en testen, waaronder veiligheid, beveiliging en functionaliteit, in een gedefinieerd geval van scenario's, stroomverbruik, thermische effecten en nog veel meer. Nogmaals, geen enkele tool dekt alles, en zelfs voor specifieke gebruiksmodellen zoals verificatie, zullen teams verschillende tools gebruiken, afhankelijk van de vereiste getrouwheid - op software gebaseerde simulatie, emulatie, prototyping en andere. Dat is de reden waarom gebruikers IP-leveranciers vragen om modellen van verschillende getrouwheid te leveren, waarbij sommigen de toegang tot het geheugen abstraheren als een enkele transparante transactie, terwijl anderen de specifieke prestatieaspecten van een NoC modelleren.”

Andere uitdagingen en de toekomst
Naarmate virtual prototyping volwassener wordt, krijgen OEM's ook te maken met de uitdagingen die voortkomen uit hergebruik van software en updates. Als er nieuwe eigenschappen en functies aan het voertuig worden toegevoegd, is het gunstig om bestaande, beproefde softwarecode opnieuw te gebruiken. Die code kan verspreid zijn over het voertuig, bijvoorbeeld in ECU's en ADAS. Als er een update van de originele code is, is het belangrijk om de wijzigingen overal toe te passen. In de komende jaren zullen de miljoenen regels code van vandaag verveelvoudigd worden. Stelt u zich de last voor van het bijhouden van alle wijzigingen. Bovendien worden updates via de ether verzonden naar voertuigen op de weg. Als de boekhouding niet correct wordt uitgevoerd, zijn de gevolgen ondenkbaar.

De auto-industrie is om goede redenen een traag bewegende industrie. In tegenstelling tot consumentenproducten zijn voertuigen lang onderweg. Bij het ontwerpproces moeten veel overwegingen worden meegenomen, zoals functionele veiligheid, dat bovenaan de lijst staat. De toevoeging van software en elektronica zal zeker bijdragen aan de complexiteit van het ontwerp. Aan de ene kant willen OEM's het ontwerpproces versnellen, maar aan de andere kant kan de beschikbaarheid van de alles-in-één, kant-en-klare virtuele prototyping-ontwerptool enige tijd vergen.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://semiengineering.com/building-better-cars-faster/