L'automobile existe depuis la fin du XIXe siècle, mais c'est seulement au cours des dernières décennies que l'électronique est devenue partie intégrante de son univers. De nos jours, les constructeurs automobiles essaient de lutter non seulement contre la concurrence, mais également contre la vitesse d'évolution des technologies et la fuite du temps. Pendant que les technologies progressaient, la capacité d'intégrer le silicium et les capteurs dans un véhicule automobile a elle aussi évolué jusqu'à devenir suffisamment économique et les composants électroniques se sont suffisamment miniaturisés pour qu'il devienne possible d'installer de nombreuses unités de commande électroniques (ECU) dans tout le véhicule. On peut en déduire que plus les technologies avanceront, plus les véhicules contiendront une technologie électronique de pointe, comme cela s'est produit pour l'électronique grand public. C'est là toute la difficulté. Il n'est pas simple pour des ECU utilisant des processeurs et des GPU d'évoluer au même rythme que l'électronique grand public, à cause des années de développement nécessaires pour les puces, des exigences de qualité du monde automobile et des normes obligatoires de fiabilité. Les FPGA peuvent considérablement aider à combler ce fossé en fournissant des performances de pointe et en donnant aux architectes systèmes la possibilité de personnaliser plus librement leurs conceptions grâce à la matrice FPGA flexible (programmable). À mesure que les FPGA deviennent plus efficaces et plus abordables, cet objectif se rapproche.
Michael Hendricks, responsable de la gamme de produits automobiles d'Altera a développé et étudié des systèmes évolués de contrôle des véhicules pendant presque toute sa carrière. Il en a conclu qu'il était nécessaire que la technologie automobile avance à un rythme comparable à celui de l'électronique grand public. Il s'explique : « En tant que consommateurs, nous nous sommes habitués au rythme d'innovation effréné imposé par les grands fabricants de smartphones qui mettent de nouveaux modèles sur le marché tous les 18 mois. Ce véritable conditionnement a fait que nous exigeons maintenant les mêmes niveaux de performances, de fonctionnalités et de résolution d'écran dans nos automobiles. Pourtant, il n'est pas rare que les gens conservent la même voiture pendant des années, voire des dizaines d'années ». Cela représente une vraie difficulté pour les constructeurs automobiles. Comment faire pour que la technologie de leurs véhicules ne soit pas dépassée au cours de la durée de vie du produit ? M. Hendricks remarque que bien qu'il soit sans doute impossible d'actualiser la technologie des voitures anciennes, qui n'ont pas été conçues pour cela, les fabricants des voitures d'aujourd'hui se tournent de plus en plus vers des architectures de systèmes électroniques programmables pour pouvoir évoluer au même rythme que la technologie.
« Si vous comparez les performances de l'électronique grand public d'aujourd'hui, par exemple celles d'un smartphone, avec le système d'infodivertissement d'une voiture », explique M. Hendricks, vous allez vouloir dans votre véhicule le même niveau de performances que celui auquel vous êtes habitué sur votre smartphone. Il ne sera pas possible de faire évoluer la production automobile sans la possibilité de faire des mises à jour électroniques. Certaines entreprises ont déjà commencé à actualiser leur matériel plus fréquemment. M. Hendricks explique que « des constructeurs telles que BMW mettaient environ cinq ans pour produire une nouvelle unité principale. Désormais, elles les actualisent tous les deux ans ».
Le point essentiel dans la conception des FPGA est qu'ils sont considérés comme de la logique programmable. Un logiciel peut évidemment être actualisé dans un processeur, mais pas le silicium d'une puce d'ordinateur. M. Hendricks explique : « Avec l'arrivée des logiques programmables, il devient possible de mettre à jour à la fois le logiciel et le matériel. Les FPGA peuvent être reconfigurés ou reprogrammés à l'infini pour exécuter des fonctions différentes ». Beaucoup de véhicules vendus aujourd'hui sont dotés d'un logiciel qui contrôle de nombreuses fonctions nécessaires à la conduite. « La Tesla Model S accepte déjà des mises à jour logicielles sans fil via une connexion 3G », signale M. Hendricks.
Il est déjà possible de mettre à jour le logiciel d'une voiture afin de continuer à fournir les fonctionnalités attendues par les utilisateurs. Mais la logique programmable des FPGA permet d'aller encore plus loin. Cette logique qui sous-tend l'exécution du code peut être mise à jour à la demande, ce qui aide le silicium à fonctionner plus efficacement dans certains domaines. « C'est ce qui permet », dit M. Hendricks, « aux FPGA d'aider les OEM à accompagner l'évolution des tendances, grâce à un système d'architecture matérielle configurable ou reprogrammable ». Autrement dit, l'acheteur d'un nouveau véhicule sait que les fonctions électroniques pourront durer plus longtemps et qu'il lui suffira d'aller chez le concessionnaire ou dans un atelier d'entretien spécialisé pour faire installer de nouvelles mises à jour logicielles et matérielles. Ces mises à jour logicielles peuvent concerner diverses fonctions du véhicule, car un véhicule peut contenir de nombreux FPGA différents, ces dispositifs étant de plus en plus compacts et économiques. « Bien sûr, la sécurité est primordiale », ajoute M. Hendricks. « Altera est d'ailleurs un pionnier dans ce domaine : nous avons été le premier fournisseur de FPGA à obtenir l'homologation CEI 61508 sur la sécurité fonctionnelle. C'est le socle de la norme ISO 26262 sur les systèmes de sécurité des véhicules à moteurs ».
Les centres d'info-divertissement et les tableaux de bord des véhicules intègrent des écrans vidéo qui effectuent des mises à jour à la demande. Ces appareils contiennent des ECU qui aident à contrôler leurs fonctionnalités. Ils ne sont toutefois pas les seuls à contenir des ECU. Des fonctions telles que la direction assistée, le contrôle des émissions de gaz, la mesure des données, le verrouillage des portes et les lève-vitres électriques fonctionnent toutes avec un ECU embarqué. « La nouvelle Daimler Classe S utilise plus de 100 ECU dans le modèle de luxe. Entretenir autant d'ECU revient assez cher, car chacun a son propre microcontrôleur ou microprocesseur dédié », remarque M. Hendricks.
Les ingénieurs qui ont conçu cette voiture cherchent à en réduire le nombre d'ECU, qui tendent à augmenter le coût total du véhicule. Les ECU soutirent également beaucoup d'énergie au véhicule, que celui-ci pourrait utiliser pour être plus efficace. Pour l'instant, grâce à l'évolution continue des FPGA, il est plus intéressant de combiner les composants électroniques dans le véhicule même. « On observe une tendance à la fusion des capteurs et à la centralisation des architectures, en particulier dans les systèmes d'aide à la conduite (ADAS). À l'heure actuelle, mettre en œuvre une architecture purement basée sur des processeurs pose problème. Nous commençons à voir apparaître une approche hybride qui associe des processeurs, des GPU et des SoC FPGA », explique M. Hendricks.
Selon ARM, les performances de calcul dans les véhicules devraient être multipliées par 100 dans les 9 prochaines années. « L'avantage du FPGA est de disposer d'un silicium largement configurable et programmable, avec une très large architecture de traitement parallèle. Cela permet aux développeurs de haut niveau et à ceux des équipementiers de continuer à faire évoluer leurs algorithmes et d'améliorer leurs conceptions jusqu'à la veille de la mise en production », déclare M. Hendricks. En plus d'une version de préproduction, il sera également possible de mettre à jour la logique en post-production. Cela permet de surveiller et de mettre à jour en continu des applications très spécifiques en fonction des besoins des clients.
Il existe actuellement plusieurs applications spécifiques qui intègrent des FPGA. Une application qui semble particulièrement futuriste est le cockpit virtuel. « On crée un cockpit virtuel à l'intérieur du véhicule. Dans ce cockpit, les jauges et les cadrans analogiques sont convertis en écrans numériques reconfigurables, comme sur le tableau de bord », précise M. Hendricks. Au lieu de faire figurer le tachymètre et le calcul de consommation sur le tableau de bord, on les affiche sur un genre de pare-brise. En plus d'afficher des informations pertinentes, ces instruments ont tendance à être de plus en plus interactifs. « Nous commençons à nous éloigner de l'écran tactile/capacitif classique et nous cherchons de nouvelles méthodes pour contrôler l'IHM, par exemple, grâce à la reconnaissance de gestes et à l'utilisation de caméras et de capteurs à temps de vol. Cela permettra de reconnaître des gestes subtils de la main pour contrôler l'électronique des véhicules », prédit M. Hendricks.
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Abaisser les temps de latence est essentiel. On voit se développer, par exemple, une tendance particulière au niveau des équipements matériels des véhicules modernes. C'est la cas de la prolifération des caméras de recul avec écrans intégrés dans les rétroviseurs et les consoles d'unité principale. Lorsqu'une voiture passe en marche arrière, l'écran central d'information projette l'image prise par une caméra de recul pour que le conducteur puisse voir ce qui se trouve derrière lui lorsqu'il recule. Avec ces systèmes, l'image vidéo captée en temps réel par la caméra de recul doit s'afficher instantanément au démarrage de la voiture, afin que le conducteur puisse faire une marche arrière en toute sécurité. M. Hendricks indique qu'Altera répond à ce besoin avec sa gamme de FPGA innovante MAX 10. Ainsi qu'il l'explique : « Les FPGA sont intrinsèquement plus rapides au démarrage. Les FPGA MAX 10 d'Altera à flash intégré permettent de démarrer et d'afficher une image en quelques dizaines ou centaines de millisecondes ». Les processeurs n'en sont pas capables. « Avec des architectures de processeurs classiques, le temps de démarrage est de l'ordre de quelques secondes. C'est trop long pour qu'un conducteur attende l'affichage de la caméra de recul avant d'entamer sa marche arrière », explique-t-il. Les FPGA pulvérisent ce délai et constituent donc une meilleure solution à ce problème de temps de démarrage de la caméra.
Nous nous dirigeons à l'avenir vers une conduite autonome des véhicules. Dans ce contexte, les facteurs les plus cruciaux sont la sécurité et la qualité de vie. Les caméras dirigées vers l'avant de la voiture sont désormais utilisées dans de nombreuses applications, ce qui entraîne toute une série de nouveaux traitements complexes. « Nous évoluons vers une architecture fortement utilisatrice d'analyses dans les systèmes d'aide à la conduite (ADAS) via une combinaison de capteurs, notamment des caméras, des radars et des LIDAR. Grâce à ces capteurs évolués et aux systèmes d'analyse de la vision, des fonctions telles que le freinage d'urgence automatique, la reconnaissance des panneaux de signalisation, la détection des piétons et les systèmes d'avertissement de sortie de voie deviennent tous réalité », affirme M. Hendricks. Un grand nombre de ces fonctions est rendu possible par l'avènement des réseaux neuronaux convolutifs (convolutional neural networks, CNN) : un type de réseaux de neurones artificiels avec feed-forward, de plus en plus utilisé dans la reconnaissance d'image et de vidéo. Quand des FPGA sont installés dans les ECU du véhicule, celui-ci peut utiliser les algorithmes du CNN pour traiter les images provenant des caméras du véhicule.
« Dans les applications de vision des systèmes ADAS, les CNN permettent d'identifier les objets qui se trouvent autour du véhicule et de les classer par catégorie. Par exemple, un algorithme CNN peut déterminer si l'objet situé devant la voiture est un piéton, un cycliste, un animal, un panneau de signalisation ou un autre objet », explique M. Hendricks. La caméra peut alors prendre une décision éclairée et avertir le conducteur de l'approche de l'objet, voire activer un contrôle machine de la voiture pour la dévier en cas d'urgence. Cela peut également s'appliquer aux feux de circulation ou aux panneaux de signalisation pour que le FPGA puisse prendre des décisions intelligentes et préserver la sécurité du conducteur. La puissance de traitement nécessaire pour faire fonctionner ces algorithmes complexes peut être considérable. Ainsi, la consommation d'énergie et la dissipation thermique sont des conditions critiques pour des ECU de petite taille, sans ventilation ni refroidissement actif pour dissiper la chaleur dégagée par l'électronique. Un récent livre blanc publié par Microsoft note que les FPGA d'Altera consomment une puissance infiniment inférieure à celle d'un GPU pour des jeux de données de CNN comparables.
Les FPGA sont également utilisés à la place de processeurs ou associés à ceux-ci, car ils représentent une solution plus rapide et plus efficace pour des centaines d'ECU installés dans un véhicule. Ils offrent un rendement énergétique, des capacités d'évolution et des possibilités de personnalisation supérieures. Comme le souligne M. Hendricks : « Les FPGA permettent de diminuer le coût total de possession grâce à leurs qualités d'intégration, à la réduction du nombre des composants externes, à un délai de commercialisation plus court et à un flux de développement intégré. « Utiliser des FPGA permet de diminuer le nombre d'ECU. Des entreprises telles que Tesla ou Audi intègrent déjà la gamme de SoC et de FPGA Cyclone d'Altera dans leurs systèmes d'info-divertissement et ADAS afin d'optimiser la connectivité des communications et de stimuler les performances. La logique programmable a un brillant avenir dans les applications automobiles. Nous pouvons nous attendre à voir ces technologies de FPGA avancées se diffuser largement et être adoptées dans les fonctions de traitement évoluées du futur, par exemple, les voitures sans chauffeur, l'affichage tête haute (HDU) à réalité augmentée et les traitements par l'intelligence artificielle.