Elettrico o meno, autonomo o no, un veicolo moderno ha bisogno di energia, e non solo per raggiungere una destinazione. Ormai, l'intelligenza a bordo è presente anche nelle auto meno costose, ma tutti questi sistemi intelligenti devono essere alimentati in qualche modo.
Con sistemi avanzati di assistenza al conducente (ADAS), diagnostica basata su software e sistemi di intrattenimento oramai divenuti standard sulla maggior parte dei mezzi, i veicoli moderni sono spesso descritti come dei "server su ruote". Si potrebbero anche descrivere come dei "gruppi di endpoint", pieni di memoria e spazio di archiviazione, sensori, processori e connettività di rete che condividono i dati all'interno, come all'esterno del veicolo. Più il veicolo è autonomo, più è presente intelligenza a bordo e più sono necessari componenti per far funzionare insieme tutti i vari elementi intelligenti in modo rapido e affidabile.
Tutti questi componenti devono soddisfare determinati requisiti come dispositivi standalone, dal punto di vista dell'affidabilità e del consumo energetico, ed essere in grado di lavorare insieme senza competere per le risorse in un modo che comprometterebbe le prestazioni e la sicurezza funzionale del veicolo.
Maggiore autonomia significa più componenti che assorbono energia
Oggi, la maggior parte dei nuovi veicoli è dotata di sistemi ADAS ed è importante ricordare che non si tratta di un unico dispositivo, ma di tutta una serie di sistemi.
A meno che non si stia ancora guidando un vecchio veicolo, oggi ogni auto ha una qualche forma di ADAS a bordo, che è in linea con uno dei sei livelli di automazione della guida. Il livello 0 indica che qualsiasi cosa viene fatta manualmente. Il livello 1 fornisce una qualche assistenza alla guida, di solito sotto forma di cruise control. Al livello 2, c'è un'automazione parziale dello sterzo e dell'accelerazione, ma il conducente è ancora responsabile del monitoraggio dell'ambiente. Dal livello 3 in poi entra in gioco l'aumento dell'automazione e il sistema automatizzato monitora l'ambiente. Al momento, ci stiamo appena avvicinando al livello 3, con i livelli 4 e 5 ancora relativamente lontani all'orizzonte.
Per la maggior parte dei conducenti, i sistemi ADAS nell'auto sono rappresentati da dei segnali acustici mentre si fa marcia indietro per sapere che ci si sta avvicinando a un ostacolo e da una telecamera posteriore che consente di non girare la testa per guardare dietro, mentre il cruise control è ora una dotazione standard. Tutte queste funzioni richiedono potenza di elaborazione e memoria, nonché connettività per trasferire i dati dalla telecamera allo schermo. Ma soprattutto, queste funzioni devono essere reattive e avviarsi rapidamente. La maggior parte dei componenti ADAS sono passivi e contribuiscono all'affidabilità complessiva. Includono condensatori con riparazione automatica che supportano alimentatori e regolatori con protezione dai guasti nei circuiti dei veicoli.
Più intelligente è la funzione, più attivi saranno i suoi componenti, tra cui videocamere, sensori e vari display, che dipendono da una qualche forma di elaborazione, memoria e archiviazione dei dati, che, a loro volta, consumano energia e generano calore. Tutto ciò richiede bilanciamento del consumo energetico e gestione della dissipazione termica.
Andare oltre gli indicatori luminosi
Non tutte le funzioni intelligenti dei veicoli odierni sono pensate per il conducente. La spia che indicava il controllo del motore si è evoluta in sistemi di diagnostica a bordo (OBD, on-board diagnostics), che, come i sistemi ADAS, sono ormai standard su moltissimi veicoli, comprese le normali auto familiari o gli autocarri commerciali. Dietro le luci sul cruscotto ci sono sistemi sempre più complessi che monitorano costantemente lo stato di un veicolo e ne registrano i dati. Per diagnosticare un guasto, i meccanici di oggi hanno le stesse probabilità di dover collegare un computer a un veicolo o di infilare la testa sotto il cofano. I sistemi OBD sono ormai un aspetto chiave delle operazioni di manutenzione e riparazione del veicolo.
Proprio come i sistemi ADAS, anche i sistemi OBD richiedono tutta una serie di componenti e dispositivi elettronici che necessitano alimentazione. Al centro di qualsiasi sistema OBD c'è l'unità di controllo elettronico (ECU, electronic control unit), che raccoglie dati da vari sensori distribuiti su tutto il veicolo e li utilizza per controllare parti dell'auto, come gli iniettori del carburante, o per monitorare eventuali problemi.
E proprio come l'ADAS utilizza dei sensori per monitorare l'ambiente del veicolo, il sistema OBD utilizza sensori sul veicolo per monitorare l'elettronica, il telaio e il motore. Ovviamente, non tutti i dati vengono salvati, perché ciò richiederebbe un'enorme capacità di archiviazione. Al contrario, il sistema conserva le informazioni, sotto forma di codice diagnostico di guasto (DTC, diagnostic trouble code), solo quando l'input non rientra in un range considerato normale. Un DTC indurrà l'unità ECU a inviare un segnale che accende un indicatore luminoso per far sapere al conducente che c'è un problema: un modo più intelligente per richiedere il controllo del motore, se vogliamo. Gli indicatori odierni hanno inoltre varie sfumature in modo che sia possibile stabilire se si tratta di un problema urgente o di un intervento che si può rinviare.
Oltre alla diagnostica del veicolo, i sistemi OBD possono contribuire all'esecuzione dei test sulle emissioni e supportare la telematica dei veicoli commerciali per intere flotte, raccogliendo informazioni su efficienza del carburante, comportamento del conducente e diagnostica remota, per guidare i programmi di manutenzione preventiva.
Un veicolo divertente richiede più energia
I sistemi ADAS e OBD sono solo una metà dell'"infotainment" disponibile oggi sulla maggior parte dei veicoli. I sistemi di intrattenimento sono andati oltre un semplice aumento della spesa per avere un lettore CD al posto di una semplice radio. Oltre al GPS di bordo, molte auto includono la radio satellitare e la connettività necessaria per i servizi di assistenza stradale come OnStar o un collegamento Internet per i passeggeri, indipendentemente dal fatto che si scelga di abbonarsi o meno. I veicoli per famiglie più grandi, come i minivan, potrebbero persino essere dotati di schermi per visualizzare contenuti video, in modo da intrattenere i passeggeri più piccoli durante gli spostamenti lunghi, oppure l'auto potrebbe essere in grado di archiviare musica e video, senza dover fare affidamento su un collegamento a uno smartphone per accedere a una collezione personale.
Tutti questi sistemi sono il motivo per cui l'analogia del "server su ruote" è meno adatta al veicolo moderno rispetto a quella del "gruppo di endpoint". E gli endpoint, ovviamente, hanno bisogno di un collegamento, che si tratti di un dispositivo di archiviazione, di una fotocamera o di un segnale diagnostico. Questa connettività sposta i dati avanti e indietro, sia all'interno del veicolo che verso un ricevitore esterno, e anche questo richiede alimentazione.
La connettività determina il consumo energetico
Affinché sia possibile collegare i vari elementi dei sistemi ADAS e OBD, i condensatori e gli induttori a radiofrequenza (RF) vengono sostituiti sempre più spesso con induttori capaci di proteggere dalle scariche elettrostatiche, che sono in grado di rafforzare i collegamenti RF e i sensori in tutti i progetti ADAS, mentre i condensatori di integrazione capaci di impulsi possono essere utilizzati su videocamere IR, moduli di visione stereo e per il mantenimento della corsia, al fine di migliorare l'affidabilità del sistema.
Tuttavia, la principale evoluzione nella connettività dei veicoli è il 5G, che contribuisce in modo significativo a offrire veicoli più intelligenti, in particolare nel caso delle funzionalità autonome del futuro. Ora consente l'accesso ai dati telematici dei veicoli, per supportare la gestione e la manutenzione delle flotte. Se è possibile raccogliere più dati in modo rapido e semplice, si avranno a disposizione più informazioni, offrendo vantaggi a coloro che progettano i sistemi automotive, ai proprietari di flotte e ai conducenti.
Inoltre, la connettività migliora i sistemi ADAS, poiché la raccolta dei dati da parte del veicolo può essere integrata da fonti esterne, compresi il cloud e altri veicoli. Le velocità più elevate del 5G saranno necessarie anche per concretizzare la guida autonoma e fornire la sicurezza necessaria per condividere i dati di inferenza dell'IA e gli aggiornamenti software, se necessario, in tempo reale. Le funzionalità di intrattenimento per i passeggeri trarranno ugualmente vantaggio dalla connettività 5G che consentirà di accedere ai contenuti in abbonamento utilizzando le stesse apparecchiature di rete dei servizi dati più essenziali senza compromettere prestazioni, affidabilità o sicurezza.
I componenti devono trovare un compromesso tra potenza e prestazioni
Che si tratti di elaborazione, memoria, archiviazione o della connettività richiesta per spostare i dati, il consumo energetico deve essere tenuto in seria considerazione. I processori necessari per attività ad alta intensità di dati all'interno dell'auto, come la visione artificiale e il deep learning, dovranno gestire dei flussi di informazioni ed elaborarli in tempo reale, operando entro limiti di alimentazione specifici. Dei processori con consumi minori possono inoltre ridurre o addirittura eliminare la necessità di raffreddamento attivo.
Anche l'adozione di sistemi ADAS di livello 2 e 3, per supportare funzionalità come il cruise control adattivo, il mantenimento della corsia, la frenata automatica e i sistemi di monitoraggio del conducente, aumenta la domanda di capacità di memoria nei veicoli. Per le piccole quantità di dati che devono essere archiviate nei dispositivi di un veicolo, tecnologie consolidate come le memorie NOR flash offrono funzionalità di avvio rapido, così le funzioni si attivano non appena il conducente gira la chiave, senza consumare energia quando non è necessario.
Per le funzioni che devono essere elaborate rapidamente, ma richiedono una maggiore capacità di memoria, i dispositivi a bassa potenza e ad alta efficienza energetica, come LPDDR4X/5X, possono offrire il miglior compromesso tra potenza e prestazioni. Delle modalità di elaborazione più avanzate saranno essenziali per realizzare veicoli autonomi di livello 4 e 5 che eseguono applicazioni in grado di funzionare con l'intelligenza artificiale e richiedono entrambi i tipi di memoria, sebbene i dispositivi GDDR6 possano essere la memoria preferita per alcune applicazioni, poiché in grado di supportare più schermi nei veicoli.
Il consolidamento contribuisce a migliorare i profili di alimentazione
Poiché ci sono così tanti dispositivi in funzione all'interno di un veicolo, le architetture rischiano di diventare più frammentate, quindi c'è una tendenza verso un unico controller di dominio per tutte le ECU, mentre i progettisti automotive trarranno vantaggio dai pacchetti multi-chip, che consentono di archiviare la memoria in un unico pacchetto semplificato. Un altro approccio che mira al consolidamento dei sistemi consiste nel combinare l'archiviazione dei dati per i sistemi critici con quella per i sistemi non critici, prevedendo delle funzioni intelligenti integrate che diano priorità a determinate operazioni.
È qui che entrano in gioco le memorie NAND flash, ma anziché utilizzare più eMMC separate o più dispositivi flash UFS, l'archiviazione verrà centralizzata e consolidata sfruttando dei dispositivi SSD, che sono in grado di contenere sia le informazioni essenziali per la guida che i contenuti di intrattenimento. I sistemi di infotainment con mappe propongono risoluzioni sempre più elevate e ciò aumenterà ulteriormente la necessità di un'architettura che combini elaborazione e memoria, oltre ad espandere le necessarie capacità flash, soprattutto perché i dati registrati sono in continuo aumento.
Le memorie emergenti che hanno un consumo energetico inferiore sembrano promettenti anche per le applicazioni automotive. È stato dimostrato che i dispositivi MRAM incorporati sono in grado di gestire l'ambiente estremo del settore automotive, mentre le memorie FRAM sono adatte alla registrazione ad alta velocità di dati non volatili, necessaria per i veicoli autonomi.
In definitiva, i profili di consumo energetico di processori, memorie e dispositivi di archiviazione sono un fattore chiave nello sviluppo di veicoli più intelligenti, soprattutto perché questi sono sempre più elettrificati. Proprio come si valuta l'efficienza dei consumi in un'auto con motore a combustione, l'efficienza energetica sta diventando un parametro sempre più importante per i veicoli intelligenti, indipendentemente dalla loro fonte di alimentazione.
