Tulevaisuuden ajoneuvot toimivat ohjelmistopohjaisesti. Tämä kehitys asettaa kuitenkin autoteollisuudelle kovia haasteita. Koko teollisuusalan yhteistyö on menestyksen kannalta ratkaisevan tärkeä tekijä. Siinä tulisi hyödyntää avoimia standardeja sekä jakaa parhaita käytäntöjä ja tuloksia kaikkien kesken.

Autoteollisuudessa on meneillään valtava muutos usealla rintamalla, kun autonvalmistajat investoivat nettiin kytkettyihin sähköajoneuvoihin (EV), jotka kehittyvät yhä autonomisemmiksi ja jotka päivittävät eri järjestelmiään OTA-yhteyksin (over the air) koko elinkaarensa ajan. Ohjelmistot, jotka toimivat uusilla sähköisillä/elektronisilla (E/E) arkkitehtuureilla, on suunniteltava innovatiivisilla tavoilla tukemaan kaikkia näitä tärkeitä investointeja. Tämä johtaa merkittävään siirtymiseen autojen laitteistokeskeisestä toiminnasta ohjelmistopohjaiseen SDV-lähestymistapaan (software-defined vehicle).

Seuraavassa tarkastellaan, kuinka tämä monitahoinen muutos vaikuttaa autojen kehitykseen useilla eri tasoilla. Tähän kuuluvat laitteistojen, verkkojen ja ohjelmistojen kehitystyöt sekä mahdollisuus hyödyntää pilvipalveluja ajoneuvojen kehitystyön aikana ja tarjota niille tukea koko elinkaaren ajan. Kurkistetaanpa siis konepellin alle.

Valtava muutos autoteollisuudelle

Autoteollisuudessa eletään vallankumousta, joka muuttaa dramaattisesti kaikkia tulevaisuuden ajoneuvoja. Autonvalmistajat ovat nopeasti ymmärtäneet, että perinteiset laakeat E/E-arkkitehtuurit eivät kykene skaalautumaan yhä lisääntyvien ECU-ohjausyksiköiden (electronic control unit) pohjalta, eivätkä ne pysty täyttämään nettiin kytkettyjen, autonomisten ja jaettujen sähköajoneuvojen (CASE) liikkuvuuden vaatimia datankäsittelyn ja kaistanleveyden tarpeita.

Turvallisuus on myös ollut suuri huolenaihe, sillä mikä tahansa haitallinen hakkerointi johonkin ohjausyksikköön voi johtaa vakaviin turvallisuusongelmiin. Alan eteenpäin viemiseksi OEM-valmistajat ovat siksi omaksuneet dynaamisemman ja ohjelmistopohjaisemman lähestymistavan, jota hyödynnetään jo monissa jokapäiväisissä tuotteissa kuten älypuhelimissa.

Tällä hetkellä OEM-valmistajan ensimmäinen askel kohti SDV-ajoneuvoja on ryhmitellä ajoneuvon toiminnot toisistaan eristettyihin lohkoihin. Tämä arkkitehtuurissa tehty eristäminen toimialueisiin tarjoaa ylimääräisen suojaustason, jossa keskitetty yhdyskäytävä ohjaa dataliikennettä ohjausyksiköiden kanssa. Näin yhdistetään loogisesti eri toiminnot kuten tiedonsiirto, runkotoiminnot, mukavuustoiminnot, ADAS-järjestelmät (advanced driver assistance system) ja AD-toiminnot (autonomous driving) sekä hoidetaan kaikkien niiden kytkeytyminen pilveen.

Kuva 1. Ajoneuvojen E/E-arkkitehtuurien yhdistäminen tarjoaa OEM-valmistajille paljon etuja.

Eteenpäin siirryttäessä uudet arkkitehtuurimallit, jotka on suunnattu vuosimalleille 2025+, ovat jo keskittyneet enemmän vyöhykeajatteluun. Tasomaisen lähestymistavan toimintojen loogisen osioinnin sijaan uutena lähestymistapana on arkkitehtuurin fyysinen jakaminen eri vyöhykkeisiin. Toinen OEM-valmistajille tarjottava keskeinen etu siirryttäessä tasoarkkitehtuurista toimialue- tai vyöhykearkkitehtuuriin on monimutkaisten johtosarjojen yksinkertaistuminen. Niiden kokoa, painoa ja kustannuksia voidaan kutistaa merkittävästi.

Siirtämällä ECU-yksiköiden toiminnot yhtenäisen arkkitehtuurin omaaviin ohjelmistomoduuleihin voidaan kattaa toiminnalliset alueet vyöhyketason yhdyskäytävissä. Kutakin laitelohkoa varten tehtävien lukuisten investointien sijaan OEM-valmistajat voivat hyödyntää investointeja eri toimialueiden ohjelmistoihin. Tämä vyöhyketason fokusointi helpottaa huomattavasti laitteisto- ja ohjelmistopäivityksiä.

Koska kaikki ajoneuvossa määritetään ohjelmallisesti, aina kuljettajan käyttökokemuksesta ajoneuvon suorituskykyyn asti, parannukset ovat ajan kuluessa mahdollisia OTA-päivitysten avulla. Päivitys itseohjautuvaksi tai suorituskyvyn lisäämiseksi voisi näin jopa kohottaa ajoneuvon arvoa.

Haasteita edessä

Täydellinen rynnäkkö erilaisia tekniikoita on kehitteillä SDV-konseptin mahdollistamiseksi. Ensinnäkin jo nyt on tarjolla autoihin soveltuvia tehokkaita suorittimia ja järjestelmäpiirejä (SoC), joiden avulla voidaan liittää yhteen tusinoittain eri prosessoreita ja toimintoja. Tyypillisesti OEM-valmistajilla on ollut palveluksessaan voimansiirtoon, korirakenteisiin, mukavuustoimintoihin ja viihde/infolaitteisiin erikoistuneita suunnittelijoita, jotka ovat tehneet työtä omissa ’siiloissaan’, mutta nyt osa kehitettävistä toiminnoista voidaan toteuttaa samalla prosessorilla.

Mukaan tulevat myös nopeat verkkoyhteydet sekä langattomat yhteydet 5G-verkkoihin ja Wi-Fi 6 -verkkoihin. Tärkeää on myös pilvipalvelujen tarjoajien kanssa tehtävä yhteistyö, jossa pilvi-infran kypsyys ja pilvipohjaiset ohjelmistot työkaluineen ovat todella tärkeitä SDV-konseptin toteuttamiseksi.

Merkittävää edistystä on tapahtunut ajoneuvoihin suunnatun Ethernet-väylän tekniikassa. Hyvin nopeasti on siirrytty 100 megabitin sekuntinopeuksista 2,5 gigabitin ja pian jo 10 gigabitin sekuntinopeuksiin. Tällainen TSN-yhteyksiä (time-sensitive networking) tukeva usean gigabitin Ethernet voi varmistaa laadukkaan palvelutason (QoS) ja antaa mahdollisuuden jakaa nopeasti tietoa ajoneuvon eri osien välillä.

Lisäksi ajoneuvoihin on tulossa koneoppimisen (ML) tarjoama uusi näkökulma, joka sekin vaatii pilven hyödyntämistä. Jatkuva reaaliaikainen datasykli parantaa ajoneuvossa hyödynnettäviä malleja koko elinkaaren ajan ja antaa mahdollisuuden ottaa käyttöön uusia algoritmeja. Hieman suolaa haavoihin tuovat kuitenkin uudet kyberturvallisuuden määräykset ja standardit, jotka liittyvät järjestelmän langattomaan OTA-hallintaan sekä mahdollisen tunkeutumisen havaitsemiseen ja kirjaamiseen.

Näiden uusien tekniikoiden tulva on suuri haaste OEM-valmistajille, jotka tekevät valtavia investointeja ja palkkaavat tuhansia suunnittelijoita SDV-laitteiden ohjelmistonkehitykseen. Lisäksi alalla ollaan siirtymässä uudenlaisiin kehitysmenetelmiin sekä jatkuvaan integrointiin ja toimitukseen (CI/CD), jolloin ollaan entistä enemmän riippuvaisia pilvestä ja laajojen ohjelmistojen integroinnista.

Haasteita on runsaasti aina viestintäsiiloja purkavan uudelleenorganisoinnin tuomista muutoksista uusien kokonaisvaltaisten IT-järjestelmien kehittämiseen asti. Tätä varten on löydettävä uusia osaajia, koska lukuisia toimintoja yhdistetään läpi koko ajoneuvon.

Mutta toiveikkuus elää. Vaikka SDV-konseptiin on tarjolla useita eri lähestymistapoja, taustalla on yhteinen tarve lisätä koko toimialan yhdenmukaistumista ja löytää tapoja edistää monialustaisia palveluja. Ei siis kannata yrittää keksiä pyörää uudelleen, koska se olisi erittäin kallista ja voisi johtaa tilanteeseen, jossa koko teollisuusalan SDV-kehitys saattaisi hiipua.

Yhteistyö kaiken avaimena

Koko teollisuusalan viemiseksi eteenpäin yhteistyö on ratkaisevan tärkeää SDV:n menestyksen kannalta. Siksi tulisi hyödyntää avoimia standardeja ja jakaa parhaita käytäntöjä sekä lisätä yhdenmukaistamista ja käyttää tuloksia uudelleen niin paljon kuin mahdollista.

Tärkeää on, että avoimesta lähdekoodista tulee avaintekijä yhdenmukaistamisessa. Se eliminoi tarpeettomat ja yksinoikeuksiin nojaavat lähestymistavat koko toimialalla. Aidatuissa puutarhoissa työskentelyn sijaan on luotava johdonmukaisia mekanismeja ja sovellusohjelmoinnin rajapintoja (API), jotka tarjoavat investointialustan ekosysteemille.

Alalla on viime aikoina nähty paljon liikehdintää SDV-laitteiden eri näkökohtia käsittelevien liittoutumien ympärillä. SOAFEE (Scalable Open Architecture For Embedded Edge) pyrkii tarjoamaan pilvipohjaisen arkkitehtuurin, jota on paranneltu ajoneuvojen sekakriittisiin sovelluksiin. Tällainen sovellusasetelma on esimerkiksi reaaliaikaisuus vs. sovellusprosessointi. Yhteisö tarjoaa myös tähän arkkitehtuuriin nojaavia avoimen lähdekoodin referenssitoteutuksia, jotka antavat avoimille standardeille lisää vipuvoimaa tukemaan ja nopeuttamaan SDV-kehitystä.

COVESA-yhteisö (Connected Vehicle Systems Alliance) puolestaan keskittyy enemmän kehittämään autoalan standardien mukaista datamallia VSS-määritysten (Vehicle Signal Specification) pohjalta. Sitä on nyt tarkoitus viedä aivan uudelle tasolle kehittämällä SDV-telemetriaa ajoneuvon käyttökokemuksen parantamiseksi. Tavoitteena on luoda käytäntöjä ohjelmistonkehityksen liittämiseksi IT-toimintoihin (DevOps) parantamaan suorituskykyä ja muita SDV-konseptin datapohjaisia näkökohtia.

Lisäksi Eclipse Foundation on perustanut SDV-työryhmän, jonka tehtävänä on koota yhteen avoin teknologia-alusta SDV-konseptille autoteollisuuden hyödyntämien ohjelmistopinojen innovoinnin nopeuttamiseksi. Tavoitteena on kannustaa koko toimialaa yhdistämään voimansa ohjelmistopohjaisten ajoneuvojen tarvitseman yhtenäisen infrastruktuurin luomiseksi.

Tie menestykseen avautuu

Ajoneuvojen perinteiset E/E-arkkitehtuurit eivät voi skaalautua jatkuvasti lisääntyvien ECU-yksiköiden kautta ja täyttää CASE-tyyppisten ajoneuvojen datankäsittelyn ja tiedonsiirron kaistanleveysvaatimuksia. Lopullisena tavoitteena on vähentää laitteiston monimutkaisuutta tekemällä ajoneuvon toiminnoista entistä enemmän ohjelmallisesti määriteltyä.

Tämä taas auttaa virtaviivaistamaan ajoneuvojen valmistusta, tukee ohjelmistojen päivitettävyyttä, mahdollistaa entistä nopeammat toiminnot ja innovaatiot sekä tarjoaa uusia tulolähteitä OTA-palvelujen muodossa.

Yhdessä mainitut kolme liittoumaa voivat todella auttaa vastaamaan tähän kehityksen viimeiseen haasteeseen. Kun OEM-valmistajat vastaavat kaikkiin muihin haasteisiin uusilla järjestelyillä sekä tuomalla uusia kykyjä Piilaaksosta ja muista vastaavista paikosta, SDV-konseptille avautuu tie menestykseen.