Mene mihin tahansa ajoneuvohuoltoon ja näet todennäköisesti paljon työkaluja, joita olet aina yhdistänyt mekaanisten ongelmien korjaamiseen. Mutta tämä tulee muuttumaan merkittävästi tulevina vuosina. Sähköajoneuvojen kasvun myötä kiintoavaimet tulevat vaihtumaan tietokoneisiin.

Kun hallitukset haluavat vähentää hiilidioksidipäästöjä, tarvitaan autohuolloissa todennäköisemmin kannettavaa tietokonetta kuin jakoavainta. Vaikka voimansiirron siirtäminen fossiilisista polttoaineista sähköön on ehkä ilmeisin näkyvä muutos ja sisätilat alkavat muistuttaa yhä enemmän älypuhelimen käyttöliittymää, merkittävin mullistus tapahtuu auton sisällä piilevässä elektroniikassa.

Kun elektroniikka korvasi autoissa mekaaniset toiminnot, tyypillinen lähestymistapa oli kehittää oma elektroninen ohjausyksikkö (ECU). Ajan myötä ne verkotettiin käyttämällä teknologioita, kuten CAN, LIN ja FlexRay, tarkoituksena optimoida toimintoja, helpottaa ohjelmointia ja tarjota väylä diagnostiikkaa. Mutta tämä kehitys on johtanut ajoneuvojen alustojen monimutkaisuuteen ja joustavuuden puutteeseen. Ja sukupolvella, joka kasvoi Internetin ja älypuhelimien kanssa, jotka ovat nyt tarpeeksi vanhoja ajoneuvojen omistajiksi, tämä jäykkä lähestymistapa on täysin erilainen kuin mihin he ovat tottuneet. He ovat tottuneet siihen, että käyttäjä voi valita toimintoja.

Autoteollisuuden painolastina on vuosikymmeniä vanhoja sähkö- ja elektroniikka-arkkitehtuureja, mikä tekee siirtymisestä joustavampaan, ohjelmistopohjaiseen lähestymistapaan haastavaa. Jokainen toiminto on huolellisesti määritelty, rakennettu ja hyväksytty käytettäväksi, eikä niitä voida vaihtaa vaihtoehtoiseen tai päivittää sen ominaisuuksia käyttöiän aikana. ECU-yksiköt on tyypillisesti suunniteltu käytettäväksi tietyllä alueella, kuten voimansiirrossa, viihdejärjestelmässä, korissa ja mukavuudessa tai edistyneissä kuljettajan avustus- eli ADAS-järjestelmissä.

Siirtyminen domain-, vyöhyke- tai keskitettyyn arkkitehtuuriin

Jotta valmistajat voivat tarjota ajoneuvojen omistajille uusia ominaisuuksia, on suurin osa älykkyydestä otettava käyttöön ohjelmistossa. Tämä siirtää autoteollisuuden suunnittelua älypuhelimien suuntaan ja tarjoaa laitteiston, joka voi vastaanottaa säännöllisiä ohjelmistopäivityksiä ja uusia ohjelmisto-ominaisuuksia. Valtava haaste on kuitenkin myös siinä, että tämän ohjelmistopohjaisen ajoneuvolähestymistavan luotettavuus on säilytettävä entisellä tasollaan erityisesti toiminnallisen turvallisuuden osalta.

Tällä hetkellä kehitteillä on kolme erilaista arkkitehtuuria. Toimialuearkkitehtuurin valitsijat pitävät yhdessä tiettyyn toimialueeseen kuuluvat toiminnot, kuten korin ja mukavuuden. Useat ECU-yksiköt on mahdollisuuksien mukaan pelkistetty yhdeksi, suureksi ja tehokkaaksi ECU-yksiköksi, jossa toiminnot toteutetaan ohjelmistolla. Ne on verkotettu yhdyskäytävä-ECU:lla, joka tarjoaa Internet-yhteyden OTA-päivitysten tukemiseksi (kuva 1).

Kuva 1. Domain-arkkitehtuuri tuo klassiset eri domaineihin kuuluvat toiminnot yhteen tehokkaissa ECU-yksiköissä.

Toinen lähestymistapa eli vyöhykearkkitehtuuri on monella tapaa pragmaattisempi. Suuret, tehokkaat ECU:t on sijoitettu ajoneuvon jokaiseen neljännekseen, lähellä paikkaa, jossa toimintoja tarvitaan. Esimerkiksi auton takaosassa toimialueen ohjain voisi olla vastuussa valoryhmästä, taaksepäin suunnatuista kameroista, pysäköintiantureista ja takaluukun sähkökäytöstä. Jokaisessa ohjaimessa on useita ohjelmistoon toteutettuja toimintoja (valaistus, ovenavaaja), jotka on linkitetty autojen ethernetillä. Yleisen ohjauksen tarjoaa keskitetty korkean suorituskyvyn tietokone (HPC), joka on liitetty yhdyskäytävään (kuva 2).

Kuva 2: Vyöhykearkkitehtuurissa eri domainien toiminnot on asetettu alueellisiin ohjaimiin lähelle toimintoja (esimerkiksi taakse takakameran osalta).

Lopuksi on tietenkin keskitetty arkkitehtuuri, jota käyttävät ne autonvalmistajat, jotka pyrkivät kovasti toimittamaan täysin autonomisia ajoneuvoja. HPC:t ovat keskeisiä tällä tiellä, ja ilman niitä jarruttavia vanhoja järjestelmiä se tarjoaa täydellisen ohjelmistojoustavuuden.

Flash-tallennuksen haasteita

Riippumatta käytetystä arkkitehtuurista koodiin, diagnostiikkaan ja muuhun dataan käytettävän flash-muistin on oltava sovelluksen ja sen käyttöiän mukaisia ajoneuvossa. Nykyään kehitteillä olevan domain-arkkitehtuurin komponenttien pitäisi tulla markkinoille vuonna 2025. Laitteistopäätökset näihin alustoihin tehtiin kuitenkin useita vuosia sitten, mikä heijastuu käytettyyn teknologiaan.

Vaikka älypuhelinteollisuus on suurelta osin siirtynyt UFS-piireihin, autoteollisuudessa on vasta käynnissä siirtymä e-MMC-piireihin. Telematiikan ja ADA-järjestelmien osalta valmistajat käyttävät jo suurinta saatavilla olevaa kapasiteettia, kuten 128 gigatavun THGAMVT0T43BAB8-muistia, joka perustuu Kioxian BiCS FLASH 3D -muistitekniikkaan. Näiden järjestelmien ennustetaan kuitenkin vaativan jopa 1 teratavun verran tallennustilaa seuraavan sukupolven ajoneuvoissa.

On kyseenalaista, kehitetäänkö JEDECissä e-MMC-standardia enää pidemmälle. Tämä jättäisi sen maksimisiirtonopeudeksi 400 MB/s, kun UFS 3.1 -muisteissa päästään 2320 megatavuun sekunnissa (kuva 3). UFS 3.1:n ja myöhempien versioiden, kuten UFS 4.0:n, myötä siirrytään myös autoissa nykyisistä 2D-siruista 3D-piireihin. Kioxia on tämän tekniikan edelläkävijä JEDEC-tiimin avainjäsenenä, joka määrittelee standardin ja edistää sitä.

Lisäksi kehittämällä omaa ohjainlaitteistoa ja laiteohjelmistoa flashin rinnalle on mahdollista lisätä ominaisuuksia, jotka parantavat kirjoituksen suorituskykyä (WriteBooster) ja satunnaisia lukuoikeuksia (Host Performance Booster). Koska autoteollisuus vaatii enemmän flash-muistilta ja koska tiheys ja suorituskyky ovat niin tiukasti liittyneet toisiinsa, ratkaisu löytyy siirtymisestä UFS-piireihin.

Kuva 3: UFS tuo merkittävästi nopeammat datansiirrot kuin e-MMC-piirit, mikä nopeuttaa käynnistys- eli boot-aikoja ja tekee sulautetusta järjestelmästä nopeammin reagoivan (Lähde: https://europe.kioxia.com/en-europe/business/memory/automotive.html).

On olemassa ehdotuksia, joissa haluttaisiin hyödyntää pilven tehoa ajoneuvojen tukemiseksi joidenkin ehdotettujen uusien innovaatioiden kanssa. Tämä ja muut turvaominaisuudet riippuvat kuitenkin matkapuhelinverkoista, kuten ajoneuvojen välisistä V2V- ja ajoneuvojen ja muiden laitteiden V2X-yhteyksistä. Huolimatta langattoman Internet-yhteyden yleistymisestä uusissa ajoneuvoissa suuri osa tulevaisuuden toiminnoista edellyttää laajaa pääsyä 5G-verkkoihin, joita ei ole vielä täysimittaisesti otettu käyttöön. Tämä tarkoittaa, että suuri osa ajoneuvon turvallisuutta ja autonomisia ominaisuuksia tukevasta tekniikasta on prosessoitava ECU-yksikössä verkon reunalla.

Jotta algoritmit voidaan suorittaa nopeasti ja tulokset tallentaa tarvitaan nopeaa muistia. UFS-flashin tarjoama lisäkaistanleveys on kriittinen näille sovelluksille. Lisäksi e-MMC-muistit eivät yllä UFS-piirien kapasiteettiin. UFS on tekniikka, joka kehittyy ja jota kehitetään edelleen, samoin kuin sitä hyödyntäviä tallennusratkaisuja. Vaikka e-MMC ei olekaan hävinnyt markkinoilta, sen käyttökelpoisuus heikkenee ajan myötä, kuten minkä tahansa puolijohdetekniikan. Autoteollisuudessa, jossa komponenttien tarjonnan pitkäikäisyys on ratkaiseva vaatimus, tämä on iso haaste, mikäli ei siirrytä UFS-muisteihin (kuva 4).

Kuva 4: Autoteollisuus on siirtymässä e-MMC:stä UFS:ään kuluttajalaitteiden kuten älypuhelimien vanavedessä (Lähde: https://europe.kioxia.com/en-europe/business/memory/automotive.html).

Flash-muistin valinta on edelleen kriittinen suunnittelupäätös

Automaailma muuttuu, ja muutos on nopeaa, kun ajoneuvojen omistajat etsivät lähempänä älypuhelinta olevaa käyttökokemusta. Autoteollisuuden kannalta on selvää, että menneisyyden arkkitehtuurit eivät tue tätä vaatimusta. Itse asiassa he hyötyisivät suuresti siirtymällä laitteistoihin, jotka pysyvät suurelta osin muuttumattomina useiden vuosien ajan ja joita voidaan käyttää useissa eri ajoneuvoissa, ohjelmistojen määrittäessä toiminnot.

Kun domain-, vyöhyke- ja keskusarkkitehtuurit ovat kehitteillä, flash-muistin valinta on kriittinen osa palapeliä kohti ohjelmiston määrittämää ajoneuvoa. Puolijohdeteollisuuden toimijat, kuten Kioxia kehittävät jatkuvasti yhä suorituskykyisempiä ratkaisuja tarjotakseen valmistajille tällaisten sovellusten vaatimaa suurempia kapasiteettia ja suorituskykyä. Tulevaisuudessa autoteollisuus jatkaa e-MMC:n korvaamista UFS:llä, joka tarjoaa viisi kertaa suuremman suorituskyvyn, yli teratavun meneviä kapasiteetteja. Tämä vie lopulta kohti 3D-flashien käyttöä ajoneuvoissa.