Systemkretsar (SoC) och systemprogramvara står för en allt större del av ett fordons värde. Elektrifieringen av bilen är nyckeln till innovation för biltillverkarna. David W. Smith, forskare på Synopsys, granskar utmaningarna för utvecklingsteam och vad som krävs på en plattform för virtuell utveckling.

Elektrifieringen av bilen är den största förändringen inom branschen sedan 1900-talets början. Vi har sett hur antalet elektroniska delsystem har ökat dramatiskt i konventionella fordon under de senaste tio åren, och tillväxtprognoserna för hybrid- och elbilar förutspår en starkt växande marknad för halvledare inom bilindustrin.

48 miljarder dollar
År 2010 stod marknaden för elektroniska styrenheter ensam för närmare 48 miljarder USD, en ökning på ca 29 procent jämfört med 2009. Generellt väntas fordonselektroniken öka med knappt 8 procent per år fram till 2015. Vissa användningsområden förväntas öka särskilt kraftigt (över 50 procent). Det gäller bland annat elbilar, siktlinjesindikatorer, trötthetsdetektorer, LED-belysning, stopp/start-system, avåkningsvarnare och döda vinkeln-varnare. År 2010 stod elektroniska system tillsammans med programvara för 30 procent av kostnaden för konventionella (bensindrivna) bilar och för 65 procent av kostnaden för hybrid- och elbilar.

Den viktigaste elektroniken
Körupplevelsen, inklusive säkerhet, komfort, miljömedvetenhet, ekonomi – kontakten mellan bilen och dess passagerare – har blivit lika viktig som bilens funktion som transportmedel. Branschen har under de senaste 20–30 åren fokuserat på att göra bilen mer användarvänlig. Det har resulterat i att många av bilens system innehåller elektriska delsystem. Några av de viktigaste kontaktytorna mellan individen och bilen (både inom tillverkning och forskning) är:
* Elektrifiering av körkomfort och mediaanläggning
* elektrifiering av drivlinan för att minska utsläppen
* navigationssystem, GPS, molnnavigering som ger omedelbar åtkomst till information
* elektrisk infrastruktur och minimerad effektförbrukning
* gruppering av fordon i "fordonståg", skylt-/fotgängar-/linjeigenkänning och
* autonoma bilar där föraren inte längre behövs.
Implementeringen av ovan nämnda teknik gör bilarna mer komplexa – hur mycket mer komplexa visar sig i den mängd programvara som biltillverkarna producerar.

Fig 1. För att koppla samman de olika elementen krävs en plattform som klarar modellering och simulering av fysiska system, vilket möjliggör virtuella prototyper av hela systemet för tillämpningar inom analog elektronik/kraftelektronik och elförsörjning, konvertering och mekatronik.

Fordonssystemen närmar sig samma komplexitetsnivå som hos moderna operativsystem – med allt mellan hisnande 50 och 300 miljoner rader källkod. Fordonssystemen är i själva verket ännu mer komplexa, eftersom interaktionen med mekatroniksystemet i bilen är mycket viktigare än i en dator. Bilen kan sätta ditt liv på spel, det gör i allmänhet inte datorn.

Utmaningar
På SAE:s internationella konferens år 2010 deltog experter från Honda, GM, Ford, BMW, Chrysler, PSA och Toyota i en paneldiskussion för biltillverkare där de identifierade de största utmaningarna för fordonsutveckling. Dessa är:
* Fördelning av funktioner på programvara samt verifiering: Detta är centralt inom fordonsutveckling idag. Det innebär att identifiera bilens funktioner och fördela dem på maskin- och programvara.
* Systemutveckling och simulering: Fordonstekniker måste konstruera om alla bilens system och anpassa dem för elektrifiering.
* Elförsörjning, energistyrning och distribution: Bilens viktigaste system är fortfarande försörjning, distribution och förbrukning av elenergi, vilket nu utökas till drivlinan.
Nedan granskar vi dessa utmaningar i detalj.

Fördelning av funktioner på programvara samt verifiering
Den största utmaningen för systemtekniker inom bilindustrin är att programvaran inte ökar tillförlitligheten utan snarare gör uppgifterna svårare. Att tillverka bilar som inte krockar, som levererar information till föraren utan att distrahera och som inte förstör miljön är en av de största utmaningar som branschen står inför. Dessutom är branschens framgång beroende av att det finns tillräckligt stor efterfrågan på bilar, vilket betyder att utvecklarna ständigt måste hitta den senaste "coolhetsfaktorn".

Fig 2. Bilindustrins utvecklingsteam lämnar nu alltmer de traditionella metoderna och går över till ett virtuellt tillvägagångssätt för att hantera alltmer komplexa system.

Kärnan i systemutveckling är att konstruera ett distribuerat datorsystem som interagerar med fysiska system och sedan definiera och fördela programvaran på detta distribuerade system. Den här uppgiften var enklare när varje styrenhet i bilen var kopplad till en enda funktion och styrenheten/programvaran levererades som en svart låda – ett tillvägagångssätt som innebär att det numera inte är ovanligt med över 100 styrenheter i exklusiva bilar. För att minska antalet styrenheter har man utvecklat tekniken att konsolidera flera funktioner i en enda enhet. Funktionerna har även blivit mer komplexa, så att flera styrenheter måste samarbeta för att styra en komplex funktion. Parkeringsassistanssystem eller kollisionsvarnare måste kommunicera med och styra flera olika delsystem.
En stor utmaning inom integration av olika system är att komponenterna vanligen kommer från flera olika tillverkare. Detta medför risker vad gäller säkerhet och kvalitet. Det kan finnas tusentals fel när styrenheternas programvara ska börja integreras. Ju senare någon identifierar dessa problem, desto mer kostar det att åtgärda dem. Fel som upptäcks när bilen redan är i kundens ägo är mycket kostsamma att åtgärda. Business Week rapporterade att återkallade produkter kostade Toyota mer än 2 miljarder USD under 2009–2010, inkluderat juridiska kostnader, utebliven försäljning och garantikostnader.

Systemutveckling och simulering
Så hur kan fordonsutvecklarna överbrygga de utmaningar som elektrifieringen innebär? Problemet är inte begränsat till programvara och elektronik – utvecklingsteamen måste även inkludera mekatroniken. Potentiella lösningar måste inkludera detaljerade fysiska modeller, konceptutveckling och implementering samt modellering och verifiering på flera nivåer samtidigt.
Bilelektronikens historia har gått från enkla elförsörjningssystem via elektroniska styrsystem till eldrivningssystem. Elektronikkostnaden har ökat från 10 procent till 60 procent för elektriska hybridfordon. Den stora kostnaden är inte programvaran (programvarutillverkning innebär oftast inga kostnader), utan de elektroniska, elektriska och elektromekaniska komponenter som bilen består av.

Modellbaserad utveckling av inbyggda system (mbese)
Biltillverkarna behöver modeller av flera skäl:
* För att analysera/verifiera produktbehovet
* för att ta fram programvara för elektroniksystemet och
* för att simulera och verifiera anläggnings-/multifysik-/fordonssystemmodeller.
Därför kräver modellerna flera olika verktyg:
* AUTOSAR – programvara som körs på en virtuell processor
* EAST-ADL2 – programvara som körs i en miljö (anläggningen inkluderad)
* VHDL-AMS/MAST – mekatronikmodeller och elektriska system
* SystemC/SystemC-AMS – systembeskrivning av SoC (systemkretsar) och SoC-kopplingar
* SystemVerilog/Verilog-AMS – SoC-implementering och
* SPICE – analoga IC (integrerade kretsar).
För att koppla samman alla dessa element krävs en plattform som klarar modellering och simulering av fysiska system, vilket möjliggör virtuella prototyper av hela systemet för tillämpningar inom analog elektronik/kraftelektronik och elförsörjning, konvertering och mekatronik (fig 1).
Halvledare är grunden i alla bilelektroniksystem, men medan programvaran körs i styrenheterna är mekatroniken det som får programvaran att utföra något meningsfullt. För att en plattform ska vara användbar måste den ha ett elektriskt system som är konstruerat för att koppla samman dessa huvudkomponenter.

Elförsörjning, energistyrning och distribution
Bilens huvudfunktion är fortfarande att generera, distribuera och förbruka elenergi. Detta blir ännu tydligare hos eldrivna bilar, eftersom drivlinan nu är en av faktorerna på alla dessa områden. Alla elektriska system måste använda lågförbrukande teknik så att mängden elenergi som bilen förbrukar, och därmed batteristorleken, kan minskas.
Det går att minska belastningen på batteriet genom att optimera 12/24/48 V-belastningar, genom att minska antalet kablar i fordonet och genom att konstruera mer effektiva värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem.
Jämfört med bilindustrin har andra branscher, som mobiltelefonindustrin, mycket mer erfarenhet av lågförbrukande teknik. Batteriets livslängd spelar en avgörande roll för framgången för programvaruplattformar som Android. Programvaran har i sin tur stor inverkan på livslängden hos batteriet. En applikation som aktiverar telefonen i bara åtta sekunder var tionde minut för uppdateringar kan halvera telefonens standby-tid. Ett programfel eller ineffektiv elförsörjning kan snabbt minska standby-tiden fem gånger eller mer.

David Smith är forskare hos Synopsys och ansvarig för Sabers produktionslinjer. David är en av grundarna av Analogy, där han var med och skapade språket MAST och drivande i utvecklingen av språket VHDL-AMS. Som vice VD för teknik och avancerade produkter var han drivande i utvecklingen av produkterna Saber Designer (Scope, Sketch, Guide) och Saber Harness. Efter Analogy var David vice VD för teknik på IronSpire, ett nyetablerat företag som arbetar med webbaserad projekthantering. David började arbeta för Synopsys inom gruppen för avancerad teknik, där han var gruppchef för språkexperter som skapade språket SystemVerilog. Därefter gick han tillbaka till Saber-produkterna. David är sedan länge medlem i kommittéerna IEEE 1076.1 (Treasurer), IEEE 1800 (System Verilog) och följer standardaktiviteterna för Verilog-AMS, SystemC AMS och FAT/AK-30. Under hans 27 år i branschen har bilindustrin varit hans ständiga verksamhetsfält, från tillverkningen av mekaniska till elektriska drivlinor. Och resan fortsätter. David innehar ett antal patent inom AMS-simulering och modellering.

De sofistikerade distribuerade programvaruenheterna för elbesparing och energistyrning måste vara vertikalt integrerade och samarbeta för att garantera att batteriet i mobiltelefonen används effektivt. Telefonens användningsscenarier spelar en viktig roll eftersom de avgör hur telefonen interagerar med omvärlden. Men hur går det att felsöka telefonen när den ligger låst i din ficka? Hur garanterar man att scenarierna är deterministiska så att man kan jämföra olika implementeringsalternativ?
Felsökning av elfel är en annan stor utmaning. I lågförbrukande lägen, t ex när telefonen är spärrad, är felsökningstjänsten ofta inaktiverad. Dessutom påverkar all felsökning elförbrukningen negativt, vilket leder till felaktiga resultat. Det krävs också dyr labbutrustning för att utföra en tillräckligt detaljerad elförbrukningsanalys så att man kan avgöra vilken komponent som är mest kritisk.
Utvecklarna, vare sig de arbetar med mobiltelefoner eller elbilar, står alla inför liknande utmaningar.

Lösningar för fordonsteknik
Synopsys automationslösningar tacklar många av de växande utmaningar som biltillverkarna står inför. Vi har lösningar för själva silikonhanteringen (systemkretsar – SoC), ledande lösningar för virtuella plattformar för programvaruverifiering (virtuella prototyper) och de ledande aktörerna inom programvaruutveckling är våra partner. Vi har också det marknadsledande verktyget för mekatronikutveckling (Saber) och leder utvecklingen av de standardspråk som används, bland annat MAST och VHDL-AMS. Saber är även den ledande lösningen för elförsörjningssystem i bilar och är väl lämpad för kabelutveckling.

Virtuella lösningar för funktions- och programvaruutveckling
Med virtuella prototyper blir det enklare för bilutvecklarna att verifiera och fördela funktioner på programvara. De virtuella prototyperna möjliggör transparent felsökning på rätt abstraktionsnivå, som t ex processpårning i operativsystem. De kan även utrustas med information som beskriver elförbrukningen. De styrs av deterministiska scenarioskript som kontrollerar dataflödet, exempelvis genererar användarinput via en pekskärm, ställer in GPS-koordinater via en UART, startar ett telefonsamtal mm Under simuleringen samlas elförbrukningsdata in tillsammans med andra maskin- och programvarudata, vilket möjliggör orsaksanalys och felsökning som teknikerna sedan kan använda för att optimera programvaran. Bilindustrins utvecklingsteam lämnar nu alltmer de traditionella metoderna och går över till ett virtuellt tillvägagångssätt (fig 2) för att hantera alltmer komplexa system.
En virtuell prototyp av ett fordonssystem ger en snabb och användbar programvarumodell av de interagerande delsystemen, kör oförändrad produktionskod och ger en mer effektiv felsökningsanalys.

Systemlösningar
Alla system utsätts för variationer i komponenttolerans, stress från omgivningen eller slitage. Systemutvecklarna inom bilindustrin vill minska effekterna av varierande systemfunktion genom att ta fram system som är mindre känsliga för dessa variationer. Med Saber får utvecklarna robusta utvecklingsverktyg, som t ex Taguchi eller DFSS (Design For Six Sigma), och kan optimera kostnad och kvalitet hos sina mekatroniksystem.

Lösningar för energistyrning
Saber är kopplat till TCAD-verktyg (CAD på transistornivå) från Synopsys som gör det möjligt för utvecklingsteamen att snabbare ta fram produkter för energistyrningssystem. Genom att abstrahera fysik på komponentnivå till fysiska system kan utvecklarna arbeta med exakta, kompakta Saber-modeller av elektriska komponenter. De abstrakta modellerna stöder kretssimulering som kan gå hundratusentals gånger snabbare än blandad simulering på komponentnivå.
David W. Smith, forskare hos Synopsys

Filed under: FPGA