El automóvil ha estado presente aproximadamente desde 1800, pero solo en las últimas décadas la electrónica se ha convertido en un componente integral en el mundo de automotriz. En la actualidad, las compañías automotrices están intentando competir no solo entre sí, sino que con la tecnología y el tiempo. Puesto que la tecnología ha progresado, también lo ha hecho la capacidad de integrar silicio y sensores en un automóvil, lo que ha llegado a un punto donde son lo suficientemente asequibles y la electrónica es lo bastante pequeña para instalar numerosas unidades de control electrónico (ECU) en todo el vehículo. De esta forma, a medida que la tecnología avanza, se espera que los vehículos contengan tecnología electrónica de vanguardia en el mismo sentido que la electrónica de consumo. Aquí radica el desafío; es difícil para las CPU y GPU basadas en ECU mantener el ritmo de la electrónica de consumo debido a los ciclos de desarrollo de los chip multi-anuales y las rigurosas calificaciones automotrices de calidad y confiabilidad. Las FPGA pueden desempeñar un papel importante a la hora de cerrar esta brecha, proporcionando un rendimiento de vanguardia y la flexibilidad para que los arquitectos de sistemas personalicen sus diseños con la flexible estructura de la FPGA (programable). A medida que las FPGA son cada vez más eficientes y asequibles, el objetivo está a la vista.
Michael Hendricks, Gerente de la línea de productos automotrices de Altera, ha estado investigando y desarrollando sistemas de control automotriz avanzados durante la mayor parte de su carrera. En este tiempo, ha determinado que es necesario que la tecnología automotriz avance a un ritmo similar a la electrónica de consumo. Explica: "Como consumidores, nos hemos acostumbrado al vertiginoso ritmo de innovación establecido por los principales proveedores de smartphones, quienes lanzan modelos de nuevos productos cada 18 meses. Hemos sido condicionados a esperar estos mismos niveles de rendimiento, características y pantallas de alta resolución en nuestros automóviles, sin embargo, es muy común que las personas posean el mismo vehículo durante muchos años o incluso décadas". Esto presenta un gran desafío para los fabricantes de automóviles: ¿cómo pueden mantener su tecnología automotriz pertinente durante la vida útil del producto? Hendricks señala que, si bien puede que no sea posible actualizar la tecnología de los automóviles más antiguos, ya que no fueron diseñados con esta capacidad en mente, hoy los fabricantes de automóviles están recurriendo cada vez más a arquitecturas de sistemas electrónicos programables para mantener el ritmo de las innovaciones tecnológicas.
"Compare el rendimiento de la electrónica de consumo moderna como un smartphone con el sistema de infoentretenimiento de un automóvil y esperará el mismo nivel de rendimiento en su sistema de infoentretenimiento al que se ha acostumbrado en su smartphone", explica Hendricks. No se podrá continuar con la producción de automóviles sin la posibilidad de actualizaciones electrónicas. Algunas compañías ya han empezado a actualizar su hardware con mayor frecuencia. Hendricks menciona que: "las compañías como BMW solían lanzar una nueva unidad principal aproximadamente cada cinco años y ahora las están actualizando cada dos años".
El factor clave en el diseño de las FPGA es que se consideran la lógica programable. Obviamente, se puede actualizar el software de una CPU, pero no el silicio de un chip de computadora. El Sr. Hendricks explica: "Con el advenimiento de la lógica programable, sería factible hacer una actualización de software y hardware. Las FPGA se pueden reconfigurar o reprogramar para diferentes funciones un número infinito de veces". Muchos de los vehículos que se venden hoy en día tienen un software que controla muchas de las funciones necesarias para la funcionalidad de conducción. "El Modelo de S de Tesla ya admite actualizaciones de software inalámbrico a través de una conexión 3G", explica Hendricks.
Ya es posible actualizar el software de un automóvil con el fin de cumplir con las expectativas actuales de funcionalidad, sin embargo, con las FPGA de lógica programable, esto puede llevarse más allá. La lógica detrás de la ejecución de un código se puede actualizar a pedido, ayudando a que el silicio funcione más eficientemente en ciertas áreas. "Debido a esta capacidad, las FPGA pueden ayudar a los OEM a mantener el ritmo de las últimas tendencias mediante un sistema de arquitectura de hardware reprogramable o configurable", afirma Hendricks. De forma que cuando alguien compra un vehículo nuevo, las características electrónicas habilitadas en el vehículo pueden durar mucho más, ya que las nuevas actualizaciones de software y hardware se pueden realizar en el concesionario y talleres de mantenimiento especializados. Estas actualizaciones de software se pueden aplicar a varias funciones del vehículo, puesto que un vehículo puede contener muchas FPGA diferentes a medida que estos dispositivos se vuelven más pequeños y más baratos. Hendricks explica: "Por supuesto, la seguridad y protección son de suma importancia y Altera, ha sido un pionero en este espacio como el primer proveedor de FPGA en lograr la certificación IEC 61508 para la seguridad funcional que conforma la base de la especificación de seguridad funcional automotriz, la ISO 26262".
Los centros de infoentretenimiento y tableros de mando ahora contienen pantallas de video que se actualizan a pedido. Estas unidades contienen ECU que ayudan a controlar su funcionalidad. Sin embargo, estas no son las únicas áreas que contienen ECU; las funciones como la dirección asistida, el monitoreo de gas, la medición de datos, los bloques de potencia y las ventanas de energía operan gracias a un ECU en el vehículo. "El moderno modelo Clase E de Daimler tiene más de 100 ECU en su modelo de clase de lujo. Es muy costoso dar soporte a ese número de ECU, cada uno con su propio microprocesador o microcontrolador dedicado”, menciona el Sr. Hendricks.
Los ingenieros que diseñan el vehículo están buscando reducir el número total de ECU, puesto que eleva el costo global del vehículo. Las ECU también consumen una gran cantidad de energía del vehículo, la que este podría estar utilizando para ser más eficiente. En la actualidad, a medida que las FPGA continúan desarrollándose, es más inteligente combinar la electrónica dentro del vehículo. "Existe una tendencia hacia la fusión de sensores y arquitecturas centralizadas, especialmente en las aplicaciones ADAS. Como es lógico, existen dificultades para implementar una arquitectura pura basada en CPU. Estamos comenzando a ver un enfoque híbrido con CPU y GPU combinadas con FPGA SoC", explica Hendricks.
De acuerdo con ARM, el desempeño de cómputo de un vehículo se espera que aumente en un factor de 100 durante los próximos 9 años. "La belleza de la FPGA es que tiene este silicio infinitamente configurable y programable con una arquitectura de procesamiento paralelo muy amplia que permite que los desarrolladores de Nivel 1 y OEM continúen desarrollando sus algoritmos de diseño y hagan retoques al diseño hasta poco antes del inicio de la producción", afirmó Hendricks. Además del inicio de la pre-producción, también será posible actualizar la lógica de post-producción. Esto permite la supervisión y actualización de aplicaciones muy específicas conforme a las necesidades del consumidor.
Existen varias aplicaciones de corriente específicas para las que se están diseñando las FPGA. Una aplicación que parece particularmente futurista es la cabina virtual. "Se está creando una cabina virtual al interior del vehículo donde los indicadores y diales analógicos se están convirtiendo a pantallas digitales reconfigurables, como en el panel de instrumentos", aclara Hendricks. En lugar de mostrar los velocímetros y el rendimiento de millas por galón en el tablero de mando, estos instrumentos se mostrarán en una especie de parabrisas. Junto con presentar la información pertinente, está la intensión de hacer que estos instrumentos sean más interactivos. "Hemos comenzado a alejarnos de las pantallas táctiles capacitivas/tradicionales y buscamos nuevas formas de controlar la HMI, como el reconocimiento de gestos y el uso de cámaras y sensores de tiempo de vuelo para reconocer sutiles gestos de mano para controlar la electrónica de los vehículos", proyecta Hendricks.
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La baja latencia es clave. Por ejemplo, una tendencia de hardware particular en los vehículos modernos es la proliferación de cámaras de retroceso con pantallas incrustadas en los espejos retrovisores y las consolas de la unidad del cabezal. Cuando un vehículo se pone en reversa, la pantalla de información central proyecta la vista de una cámara retrovisora para que los conductores puedan ver todo lo que hay detrás de ellos mientras retroceden. La exigencia de estos sistemas es que al arrancar el vehículo, la imagen de video en vivo capturada por la cámara retrovisora aparezca al instante, permitiendo al conductor retroceder su vehículo de forma segura. Hendricks aborda esta necesidad con la innovadora familia de FPGA MAX 10 de Altera, diciendo: "las FPGA son intrínsecamente más rápidas de iniciar; la FPGA Max 10 de Altera con flash integrado le permite iniciar y mostrar una imagen en el orden de decenas o centenas de milisegundos". Por su lado, las CPU no tienen la misma capacidad de rapidez (de arranque). "Con las arquitecturas de CPU tradicionales, el tiempo de arranque es del orden de varios segundos, demasiado lento para que un conductor espere a que la cámara retrovisora muestre una imagen en la pantalla antes de dar marcha atrás al vehículo", añade Hendricks. Las FPGA superan con creces ese tiempo de arranque, volviéndolas la mejor solución para el problema del tiempo de arranque de la cámara.
A medida que avanzamos hacia el futuro de la conducción autónoma, todo gira en torno a la seguridad y calidad de vida. Las cámaras orientadas hacia adelante de los vehículos ahora se utilizan para una amplia variedad de aplicaciones, dando lugar a un nuevo conjunto de procesos complejos. "Estamos avanzando hacia una arquitectura en ADAS basada en el análisis pesado a través de una combinación de sensores como cámaras, radares y LIDAR. Con estos sensores avanzados y el análisis de visión, las características como el frenado de emergencia automático, el reconocimiento de señales de tráfico, la detección peatonal y la advertencia de salida de carril se están convirtiendo en una realidad", dice Hendricks. Muchas de estas funciones son posibles con el advenimiento de las redes neuronales convolucionales (CNN), un tipo de red neuronal artificial de proacción cada vez más utilizada para el reconocimiento de imágenes y video. Cuando las FPGA se implementan en las ECU del vehículo, pueden utilizar algoritmos CNN para procesar las imágenes procedentes de las cámaras del vehículo.
"En las aplicaciones de visión para ADAS, las CNN se pueden utilizar para identificar los objetos alrededor del vehículo y clasificarlos. Por ejemplo, un algoritmo de CNN puede determinar si el objeto delante del vehículo es un peatón, ciclista, animal, señal de tráfico o cualquier otro objeto", explica Hendricks. La cámara entonces puede hacer una decisión educada para avisarle al conductor de la cercanía del objeto o incluso activar el control de máquina del vehículo para quitarse del camino en el caso de una emergencia. Esto también puede aplicarse a los semáforos y las señales de tránsito, lo que le permite a la FPGA tomar decisiones inteligentes y mantener al conductor seguro. La potencia de procesamiento necesaria para ejecutar estos algoritmos complejos pueden ser significativa y el consumo de energía y la disipación del calor son atributos críticos para las ECU de factor de forma pequeño y sin ventilación o refrigeración activa para disipar el calor generado por la electrónica. En un reciente documento técnico publicado por Microsoft, se notó que las FPGA de Altera operaban a una fracción de la potencia de una GPU en comparación con conjuntos de datos CNN.
Las FPGA, están siendo implementadas en reemplazo y también en conjunto con las CPU como una solución más rápida y eficiente frente a tener cientos de ECU dentro de un vehículo. Las FPGA ofrecen mayor rendimiento por vatio, escalabilidad y capacidad de personalización. Como Hendricks afirma: "Las FPGA pueden ayudar a reducir el costo total de propiedad a través de la integración, reducción de los componentes externos, tiempo de salida al mercado más rápido y un flujo de desarrollo unificado. "Mediante la implementación de las FPGA, el número de ECU puede disminuirse. Las compañías como Tesla y Audi ya están implementando la familia Cyclone de Altera de SoC y FPGA en sus sistemas de infoentretenimiento y ADAS para optimizar la conectividad de la comunicación y aumentar el rendimiento. Es futuro brillante para la lógica programable en aplicaciones automotrices y podemos esperar ver una mayor proliferación de estas avanzadas tecnologías de FPGA siendo adoptadas en las funciones de procesamiento avanzado del mañana como vehículos que se conducen solos, HUD de realidad aumentada y procesamiento de inteligencia artificial.