Le automobili esistono dalla fine del 1800, eppure l'elettronica è diventata una parte integrante del mondo automobilistico solo negli ultimi decenni. Oggigiorno, le aziende del settore automobilistico, cercano di competere non solo tra di loro, ma anche con la tecnologia e con il tempo. Con il progredire della tecnologia, è progredita anche la capacità di integrare silicone e sensori nelle automobili, fino al punto in cui è sufficientemente conveniente, dal punto di vista economico, e le parti elettroniche hanno dimensioni tanto ridotte che è possibile installare varie unità di controllo elettronico (ECU) nello stesso veicolo. Con il progredire della tecnologia, quindi, ci si aspetta che i veicoli contengano tecnologia elettronica di ultima generazione, analogamente a quanto accade per l'elettronica di consumo. La sfida è proprio questa. È complicato per le unità di controllo elettronico basate su CPU e GPU stare al passo con l'elettronica di consumo, a causa dei cicli di sviluppo dei chip della durata di più anni e dei rigorosi standard di affidabilità e qualità applicati al settore automobilistico. Gli FPGA possono giocare un ruolo importante nel riempire tale gap, fornendo prestazioni all'avanguardia e la flessibilità necessaria agli architetti di sistema per personalizzare i propri progetti con la struttura flessibile (programmabile) FPGA. Man mano che gli FPGA diventano più efficienti ed economici, l'obiettivo di avvicina.
Michael Hendricks, Automotive Product Line Manager di Altera, si è occupato di ricerca e sviluppo dei sistemi di controllo avanzati per i veicoli per la maggior parte della sua carriera. Durante questo periodo di tempo, è giunto alla conclusione che è necessario, per la tecnologia del settore automobilistico, avanzare a un ritmo analogo a quello dell'elettronica di consumo. Ecco come spiega la sua convinzione: "In qualità di consumatori, ci siamo abituati al rapidissimo ritmo di innovazione applicato dai fornitori di smartphone, che rilasciano nuovi modelli per i loro prodotti ogni 18 mesi. Siamo stati condizionati in modo tale da aspettarci gli stessi livelli di prestazione, funzionalità e alta risoluzione dei display anche nelle nostre automobili, nonostante la norma sia ancora possedere la stessa auto per molti anni, persino decenni." Questo comporta una sfida molto stringente per i produttori del settore: come possono fare in modo che la tecnologia del loro veicolo sia rilevante per tutto il ciclo di vita del prodotto? Hendricks fa notare che, sebbene non sia possibile aggiornare la tecnologia delle automobili più datate, perché non sono state progettate per disporre di tale capacità, i produttori di automobili di oggi stanno sempre più optando per architetture di sistemi elettronici programmabili, al fine di tenere il passo con le innovazioni tecnologiche.
"Se compariamo le prestazioni della moderna elettronica di consumo, come gli smartphone, con i sistemi di infotainment delle automobili," spiega Hendricks, "ci aspettiamo che il nostro sistema di infotainment offra lo stesso livello di prestazioni che siamo abituati ad avere dal nostro smartphone". Non sarà più possibile produrre automobili che non offrano la possibilità di aggiornare i relativi dispositivi elettronici. Alcune aziende hanno già iniziato ad aggiornare il proprio hardware a una frequenza maggiore. Henricks dichiara che "in passato, aziende come BMW rilasciavano nuove unità radio più o meno ogni cinque anni, mentre ora le aggiornano ogni due anni".
Il fattore più importante nella progettazione degli FPGA riguarda il fatto che gli stessi sono considerati dispositivi logici programmabili. Il software di una CPU può naturalmente essere aggiornato, ma non si può fare altrettanto con il silicone del chip di un computer. Il signor Hendricks spiega: "Con l'avvento dei dispositivi logici programmabili, sarebbe possibile eseguire aggiornamenti software e hardware. Gli FPGA possono essere riconfigurati o riprogrammati per assolvere a funzioni diverse per un numero infinito di volte. "In molti dei veicoli venduti oggigiorno il software controlla molte funzioni necessarie alla funzione di guida. Il modello S di Tesla supporta già aggiornamenti wireless del software attraverso una connessione 3G," spiega Hendricks.
È già possibile aggiornare il software di un'automobile al fine di essere al passo con le attuali aspettative e funzionalità, tuttavia, con la logica programmabile applicata gli FPGA, si può fare di più. La logica alla base dell'esecuzione di un comando può essere aggiornata su richiesta, il che aiuta il silicone ad essere più efficiente in determinate aree. "Grazie a questa capacità," spiega Hendricks, "gli FPGA possono aiutare gli OEM a tenere il passo con gli ultimi trend, con un sistema di architettura hardware programmabile o configurabile". Quindi, quando qualcuno acquista un nuovo veicolo, le funzioni abilitate elettronicamente dello stesso possono durare più a lungo, dato che è possibile eseguire aggiornamenti software e hardware presso il rivenditore o i negozi specializzati in manutenzione. Tali aggiornamenti software possono essere applicati a diverse funzioni del veicolo, dato che lo stesso può contenere diversi FPGA, man mano che tali dispositivi diventano più piccoli ed economici. "Naturalmente, la sicurezza è di primaria importanza," spiega Hendricks, "e Altera è stata tra le aziende pioniere del settore, essendo stato il primo fornitore di FPGA ad ottenere la certificazione IEC 61508 sulla sicurezza funzionale, che è alla base dello standard di sicurezza funzionale per il settore automobilistico ISO 26262".
I centri di infotainment e le dashboard ora contengono nuovi schermi video che possono essere aggiornati su richiesta. Tali unità contengono ECU che aiutano a controllare la loro funzionalità. Queste non sono, tuttavia, le sole aree che contengono ECU; funzioni come servosterzo, monitoraggio del gas, misurazione dei dati, chiusura centralizzata e finestrini elettrici sono controllate da una ECU presente nel veicolo. "La nuova S-Class di Daimler contiene oltre 100 ECU, nel modello luxury. Supportare un tale numero di ECU ha un costo elevato, dato che ognuna dispone di un microcontroller o microprocessore dedicato," dichiara il signor Henricks.
Gli ingegneri che progettano automobili cercano di ridurre il numero totale di ECU, dato che le stesse fanno innalzare i costi complessivi del veicolo. Le ECU, inoltre, consumano molta energia, che il veicolo potrebbe utilizzare in maniera più efficiente. Attualmente, data la continua evoluzione degli FPGA, è possibile combinare parti elettroniche all'interno di un veicolo in maniera più intelligente. "Esiste un trend che punta alla fusione dei sensori e alle architetture centralizzate, specialmente nelle applicazioni ADAS. Al momento, implementare un'architettura basata puramente su CPU costituisce ancora una sfida. Stiamo iniziando a vedere un approccio ibrido, con CPU e GPU combinate a FPGA SoC," spiega Hendricks.
Secondo ARM, le prestazioni di calcolo dei veicoli dovrebbero crescere secondo un fattore di 100 nei prossimi 9 anni. "La bellezza degli FPGA sta nel fatto che si dispone di un silicone largamente programmabile e configurabile con un'ampia architettura di elaborazione parallela, che permette agli sviluppatori OEM e Tier 1 di continuare a far evolvere i propri algoritmi e aggiustare i propri progetti anche durante le fasi immediatamente precedenti al rilascio di produzione," dichiara Hendricks. Oltre al rilascio pre-produzione, saranno possibili anche gli aggiornamenti post-produzione. Ciò consente di monitorare continuamente le applicazioni molto specifiche e aggiornarle secondo le necessità dei consumatori.
Esistono varie applicazioni di corrente specifiche all'interno delle quali sono stati progettati gli FPGA. Un'applicazione che appare particolarmente futuristica è l'abitacolo virtuale. "Un abitacolo virtuale viene creato all'interno del veicolo dove pulsanti e indicatori analogici vengono convertiti per i display digitali riconfigurabili, come nel cluster strumenti," chiarisce Hendricks. Con questi strumenti, il tachimetro o la stima dei chilometri percorsi con un litro di benzina non sono presenti sul cruscotto, ma vengono visualizzati sul parabrezza. Questi strumenti sono quindi in grado di visualizzare informazioni dettagliate, ma ora si cerca di renderli più interattivi. "Stiamo iniziando a passare dalla funzione touch o touchscreen tradizionale a nuove modalità di controllo dell'HMI, come il controllo delle parti elettroniche del veicolo attraverso il riconoscimento dei gesti anche discreti delle mani, grazie all'impiego di telecamere e sensori di tempo di volo o durata," dichiara Hendricks.
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La latenza bassa è il fattore principale. Ad esempio, un particolare trend relativo all'hardware dei veicoli moderni riguarda la proliferazione di telecamere posteriori incorporate negli specchi retrovisori e nelle console dei sistemi radio. Quando si fa inversione di marcia, il display con le informazioni centrali visualizza le immagini della telecamera posteriore, in modo che il guidatore possa vedere tutto quello che si trova dietro l'auto mentre da manovra. Questi sistemi richiedono che, all'accensione del veicolo, le immagini video che la telecamera riprende dal vivo vengano visualizzate immediatamente, consentendo al guidatore di effettuare la retromarcia in tutta sicurezza. Hendricks dichiara di poter assolvere a tale necessità utilizzando la rinnovata famiglia di FPGA MAX 10 di Altera, perché gli “FPGA offrono di base un'accensione più rapida; gli FPGA Max 10 di Altera con flash integrato possono avviarsi e visualizzare un'immagine nel giro di decine o centinaia di millisecondi". Le CPU, al contrario, non offrono la stessa capacità di avvio rapido. "Con le tradizionali architetture di CPU, i tempi di avvio rimangono nell'ordine di diversi secondi, un periodo troppo lungo perché il guidatore aspetti che la telecamera posteriore visualizzi un'immagine sullo schermo, prima di iniziare ad effettuare la retromarcia," spiega Hendricks. Gli FPGA azzerano i tempi di avvio, il che li rende una soluzione migliore per il problema relativo ai tempi di avvio della telecamera.
Man mano che andiamo incontro alle future auto a guida autonoma, gli obiettivi principali diventano sicurezza e qualità della vita. Le telecamere frontali sono attualmente utilizzate nelle automobili per varie applicazioni, il che porta a una serie di nuove e complesse elaborazioni. "Nell'ADAS, andiamo verso un'architettura fortemente basata sulle analisi provenienti da una combinazione di sensori che includono telecamere, radar e LIDAR. Grazie a tali sensori avanzati e alle analisi visuali, funzioni come la frenata d'emergenza automatica, il riconoscimento dei segnali stradali, l'individuazione di pedoni e l'avviso di uscita dalla corsia stanno diventando realtà," dice Hendrick. Molte di queste funzioni sono possibili grazie all'avvento delle CNN (convolutional neural networks - reti neurali convoluzionali), delle reti neurali artificiali di tipo feed-forward che vengono utilizzate sempre più spesso per il riconoscimento video e di immagini. Quando gli FPGA sono implementati nelle ECU del veicolo, lo stesso può utilizzare algoritmi CNN per elaborare le immagini provenienti dalle sue telecamere.
"Nelle applicazioni di visione ADAS, le CNN possono essere utilizzate per identificare e classificare gli oggetti che si trovano intorno al veicolo. Ad esempio, un algoritmo CNN può stabilire se l'oggetto che si trova di fronte al veicolo è un pedone, un ciclista, un animale, un segnale stradale o un altro oggetto," spiega Hendricks. A quel punto, la telecamera può eseguire l'istruzione che le è stata impartita, per segnalare al conducente l'avvicinamento dell'oggetto o addirittura, in caso di emergenza, attivare il controllo remoto dell'auto per evitare l'impatto. Ciò può essere applicato a segnali stradali e semafori, permettendo agli FPGA di compiere decisioni intelligenti e garantire la sicurezza del conducente. La potenza di elaborazione necessaria per eseguire questi complessi algoritmi può essere significativa, per questo il consumo energetico e la dispersione di calore sono attributi fondamentali per le ECU con fattore di forma ridotto, che non dispongono di ventilazione o sistema di raffreddamento in grado di disperdere il calore generato dai dispositivi elettronici. In un recente white paper pubblicato da Microsoft, si dice che gli FPGA di Altera necessitano di una frazione della potenza impiegata da una GPU per analoghi set di dati CNN.
Gli FPGA vengono ora implementati al posto o insieme alle CPU, perché rappresentano una soluzione più efficiente e rapida per le centinaia di ECU presenti all'interno di un veicolo. Gli FPGA offrono più alte prestazioni a parità di watt impiegati e migliori capacità di personalizzazione e scalabilità. Come dichiara Hendricks, "gli FPGA possono aiutare a far diminuire i costi totali relativi al possesso di un'automobile, grazie a integrazione e riduzione dei componenti esterni, a un migliore time to market e a un flusso di sviluppo unificato". Implementando gli FPGA, il numero di ECU può diminuire. Aziende come Tesla e Audi implementano già FPGA e SoCs della famiglia Cyclone di Altera nei loro sistemi ADAS e di infotainment, al fine di ottimizzare la connettività di comunicazione e migliorare le prestazioni. I dispositivi logici programmabili per le applicazioni del settore automobilistico hanno un futuro roseo; possiamo aspettarci di assistere a una sempre maggiore adozione di tali tecnologie FPGA avanzate nelle future funzioni di elaborazione avanzata, ad esempio nelle automobili a guida autonoma, negli HUD per la realtà aumentata e nell'elaborazione dell'intelligenza artificiale.