Durante la última década, los automóviles se han transformado de objetos mecánicos independientes a sistemas altamente conectados con un uso cada vez mayor de la electrónica. Las interrupciones en el suministro de semiconductores (cierres de fábricas de OEM) causadas por la situación reciente con Covid y las tensiones políticas y China han demostrado la profunda dependencia de la industria automotriz de los semiconductores. Si bien estos eventos son de naturaleza transitoria, han expuesto cambios tectónicos subyacentes más profundos en la naturaleza fundamental de la cadena de suministro automotriz. Un artículo anterior”OEM automotrices y la nueva normalidad (forbes.com), "  discutió el cambio psicológico requerido en los pasillos del poder en la industria automotriz para enfrentar la nueva situación. Este artículo adopta una perspectiva más tecnológica al explicar el problema, así como los vectores estratégicos necesarios para una solución.

La Fig. 1 a continuación muestra el ciclo de vida automotriz tradicional que consiste en diseño, verificación y validación, mantenimiento y ciclo de vida útil. El diseño se centra en cuestiones como la definición funcional, el costo de fabricación, la confiabilidad y la capacidad de mantenimiento. En un flujo ideal, la especificación se captura en un lenguaje de nivel superior y, a través de un proceso de mejoras sucesivas, se seleccionan los componentes para completar la función del sistema. Para los sistemas electrónicos, los componentes semiconductores se ensamblan para completar un sistema general. A lo largo del camino, la integración de la especificación con los componentes diseñados impone disciplina en las piezas recién integradas para garantizar una implementación fiel que cumpla con las métricas de rendimiento previstas.

Comprender el ecosistema de diseño automotriz tradicional

A medida que la industria del automóvil ha madurado, la infraestructura de suministro y desarrollo también ha alcanzado un nivel de estandarización y madurez. La Tabla 1 describe la estructura de proveedores conocida para la industria automotriz con fabricantes de equipos originales (OEM), proveedores de Nivel 1, Nivel 2 y Nivel 3. La Tabla 2 muestra el ecosistema de desarrollo de estructuras de alto nivel que respalda la cadena de suministro. Se puede encontrar un análisis técnico más profundo de la cadena de diseño electrónico actual en “Temas no resueltos sobre los sistemas de conducción automatizada y el ecosistema de desarrollo."

Cambio de paradigma electrónico en el diseño automotriz

Incluso antes de la llegada de los AV, el sector automotriz había estado aumentando rápidamente el nivel de contenido electrónico con sistemas de asistencia al conductor avanzados (ADAS) y sistemas de infoentretenimiento. Por lo tanto, la electrónica forma efectivamente el sistema nervioso muscular de los vehículos modernos. Dos tendencias significativas están agregando contenido electrónico a un ritmo acelerado.

1. Funciones empresariales: El automóvil se encuentra dentro de un amplio conjunto de flujos tecnológicos que interactúan con la infraestructura en funciones como el mantenimiento, el comercio electrónico, la gestión del tráfico y más. La combinación de acceso a datos automotrices y control remoto del automóvil permite flujos comerciales de mayor nivel que generan un valor significativo. De hecho, se prevé que solo los servicios de datos de los automóviles sean una fuente importante de ingresos para los OEM automotrices de empresas como Otonomo y Wejo. Informe de investigación de SAE sobre la Ecosistema de transporte proporciona una visión completa de este ecosistema.
2. Funciones de autonomía: La autonomía en sus diversos niveles, desde ADAS hasta el nivel 5 AV, promete el valor de la seguridad, el acceso y la habilitación de la automatización a nivel del sistema.

Este cambio en el ADN fundamental de un automóvil se ilustra en la Figura 2 a continuación.

La Tabla 3 anterior muestra la evolución generacional de la electrónica automotriz desde una perspectiva de infraestructura de tecnología electrónica. Se pueden hacer varias observaciones sobre estos sistemas electrónicos:

1. Dependencia de suministro semi: la generación anterior de funcionalidad generalmente obtiene semiconductores de generaciones anteriores de procesos de semiconductores.
2. Seguridad Crítica y Tiempo Real: El automóvil es un vehículo de varias toneladas que puede causar mucho daño. Así, los sistemas electrónicos que gestionan de cerca la dinámica del automóvil tienen un alto estándar de seguridad y deben operar en tiempo real. Esto a menudo aboga por sistemas electrónicos dedicados y aislados.
3. Procesamiento digital avanzado: La funcionalidad que va desde el infoentretenimiento hasta la autonomía requiere un procesamiento digital significativo y cantidades masivas de software. Para admitir esta clase de computación, se requieren los nodos de proceso de semiconductores más avanzados.

Cualquier producto de automóvil en particular es una colección de estos sistemas donde los diseñadores de sistemas están haciendo concesiones activas entre la reutilización de subsistemas más antiguos, agregando de manera segura nuevas funciones, rendimiento y costos generales. En otras palabras, una situación increíblemente compleja con una cantidad increíblemente grande de piezas de semiconductores sesgadas con componentes de software asociados.

Mientras tanto, la industria de los semiconductores tiene su propio conjunto de vectores estratégicos:

1. Costos de Fabricación: Las fábricas de vanguardia son muy costosas y requieren volúmenes muy grandes para ser viables. Las fábricas más antiguas requieren menos volumen en comparación con las fábricas más nuevas debido a los requisitos de capital.
2. Mercado de consumidores: Hoy en día, la única industria que puede generar volúmenes suficientes para justificar estas inversiones es el mercado de consumo. El mercado de consumo produce productos una vez cada 18 a 24 meses.
3. La Ley de Moore: La ley de Moore reduce exponencialmente el costo por transistor al mismo tiempo que aumenta el rendimiento y reduce la potencia. El resultado de todas estas características mágicas es que casi siempre es mejor usar el último chip de nodo de proceso porque no solo es más económico sino que tiene características de rendimiento mucho mejores. Este suele ser el caso incluso si los chips de los nodos de proceso más antiguos están disponibles de forma "gratuita" porque los costos operativos (energía/rendimiento) de los chips más antiguos tienen peores características en comparación con la próxima generación.

Desafíos clave en el diseño de sistemas electrónicos automotrices

En general, la industria de los semiconductores sigue el ritmo del mercado de consumo, y este contraste en los vectores estratégicos genera desafíos críticos para todos los mercados que no son de consumo, como el automotriz. Los desafíos críticos se manifiestan en torno a tres temas específicos: producción de nuevos productos, soporte de garantía y relevancia de la plataforma.

Producción de nuevos productos:

Para la producción de nuevos productos, tradicionalmente la industria automotriz se ha enfocado en conceptos de manufactura esbelta y administración de inventario JIT (Just In Time) que prioriza la minimización de los niveles de inventario en todas las etapas de producción. En un mundo dominado por la demanda impulsada por los OEM, este paradigma funcionó razonablemente bien. Sin embargo, con el uso acelerado de la electrónica, los OEM automotrices se encuentran cada vez más administrando una cadena de suministro en la que son los impulsores minoritarios de la demanda.

Además, al igual que el Departamento de Defensa de EE. UU., tradicionalmente las empresas automotrices requieren chips que requieren certificación de grado automotriz. Los componentes de grado automotriz requieren cumplimientos estrictos (los componentes pasivos necesitan la calificación AEC Q200, ASILI/ISO 26262 Clase B, IATF 16949, mientras que los componentes activos (incluidos los chips automotrices) deben cumplir con los estándares AEC Q100, ASILI/ISO 26262 Clase B, IATF 16949. Sin embargo, estos requisitos no son aceptados por el mercado de consumo mucho más grande, y la divergencia impone una gran restricción en la cadena de suministro automotriz.Soluciones para la cadena de suministro de Défense Electronics… – SemiWiki”, El Departamento de Defensa de EE. UU. respondió a esta realidad con un enfoque agresivo de Commercial Of the Shelf (COTS).

Soporte de garantía:

A diferencia de los dispositivos de consumo, los automóviles tienen un modelo de garantía mucho más largo y elaborado. Esto da como resultado un compromiso de mantenimiento mucho más amplio (en comparación con el consumidor). Esta dicotomía entre el consumidor y el mercado automotriz genera problemas significativos en dos situaciones específicas: confiabilidad y obsolescencia.

1. Fiabilidad: Las fábricas de semiconductores se construyen sobre la base de la economía del mercado de consumo. Construir semiconductores con las características de confiabilidad requeridas para el mercado automotriz se vuelve cada vez más costoso.
2. obsolescencia: En la "nueva normalidad" en la que los OEM de automóviles ya no pueden influir en la cadena de suministro de semiconductores, la gestión de la obsolescencia de los semiconductores se convierte en un problema cada vez más difícil. Además, la obsolescencia no se limita solo al hardware en el dominio de la electrónica. Más bien, se extiende a los componentes de software, software de automatización de diseño electrónico (EDA) que se utiliza para diseñar/mantener sistemas electrónicos.

Competitividad de la plataforma:

A medida que los automóviles pasan de ser “un automóvil con algunos componentes electrónicos” a “un servidor que se mueve”, los automóviles comienzan a heredar las ventajas y desventajas de las plataformas informáticas. Al igual que los automóviles de hoy, las plataformas informáticas comenzaron como sistemas HW/SW integrados verticalmente, pero con el tiempo progresaron hasta convertirse en plataformas arquitectónicas con interfaces claras para permitir una red de socios mucho más amplia. Al aprovechar la red de socios, las plataformas informáticas podrían proporcionar una gran cantidad de funciones. De hecho, la industria del software actual, que eclipsa a la actual industria automotriz y de computación de hardware, es el resultado de este modelo.

Las plataformas informáticas populares incluyen los ecosistemas conectados con arquitecturas informáticas como x86, ARM, Nvidia y ahora RISC-V. Asociados con estas arquitecturas informáticas se encuentran sistemas operativos como Microsoft Windows, UNIX y Apple OS. Finalmente, un actor importante en el mundo del software es el papel del modelo de desarrollo de código abierto. Las plataformas de código abierto como Linux y Android permiten el crowdsourcing de innovación en un modelo que acelera la innovación. Se puede encontrar un tratamiento mucho más profundo de código abierto y automotriz en: “Cuestiones no resueltas sobre vehículos autónomos y software de código abierto."

El crecimiento de un automóvil como plataforma genera preguntas estratégicas abiertas:

1. ¿Cómo se compite a nivel de plataforma? ¿Colaborar o competir con las plataformas informáticas existentes? ¿Es el código abierto una respuesta?
2. En una situación de automóvil en red, ¿cómo se manejan las actualizaciones de productos de manera segura y los problemas de ciberseguridad?

Estado actual y caminos estratégicos a seguir:

Dada la importancia del problema, existe una gran actividad reciente entre los OEM de automóviles y la cadena de suministro de productos electrónicos. Tabla 4 (Informe BCG) anterior proporciona una muestra de la actividad. No está claro si estos esfuerzos tendrán éxito porque para resolver los problemas subyacentes profundos, es probable que se requiera un esfuerzo más amplio de toda la industria. ¿Cuáles serían los contornos de una solución? Girarán en torno a tres temas específicos: abstracciones a nivel de sistema, desarrollo de plataformas de semiconductores y funcionalidad EDA. Discutamos cada uno:

Abstracciones a nivel del sistema:

Como el primer gran mega mercado de la electrónica, la informática enfrentó activamente la rotación causada por los semiconductores durante más de cuarenta años. Para manejar esta situación, se generaron niveles de abstracción muy fuertes para construir interfaces que permitieran la preservación de la propiedad intelectual incluso en el contexto de la rotación de hardware subyacente. Ejemplos de estos niveles de abstracción incluyen:

1. Arquitecturas de conjunto de instrucciones de computadora: Desde IBM 360, el concepto de ISA ha permitido a los desarrolladores de software crear capacidades significativas hacia un estándar abstracto mientras el hardware subyacente se agitaba al ritmo de la ley de Moore. X86, ARM y ahora RISC-V son ejemplos de las franquicias multimillonarias respaldadas por esta abstracción.
2. Sistemas operativos/Navegadores/Lenguajes de desarrollo: Los sistemas operativos como Windows o Linux, los navegadores como Google Chrome y Microsoft Edge y los lenguajes de desarrollo como JAVA o C++ ofrecieron otros puntos de abstracción importantes que respaldaron un ecosistema más amplio.
3. Comunicaciónes: En el mundo de las comunicaciones, las pilas de redes y las abstracciones basadas en estándares inalámbricos que respaldaron industrias multimillonarias.

La industria automotriz debe construir estándares de abstracción similares que puedan soportar una separación de las preocupaciones de las funciones de nivel superior a sus implementaciones reales. Los estándares actuales del mundo de la computación serán invariablemente útiles, pero se requerirán abstracciones específicas de automoción de mayor nivel y estándares asociados. Es especialmente importante que estos estándares aborden los problemas críticos de la automoción: actuación de baja latencia de bajo nivel, operaciones en tiempo real, interfaces de ciberseguridad y, finalmente, los componentes clave de la autonomía.

Desarrollo de plataforma de semiconductores:

Con abstracciones claras en torno a los componentes centrales de un diseño de sistema automotriz, la siguiente tarea es construir sistemas electrónicos que implementen estas abstracciones. Hoy en día, la gran mayoría de las soluciones automotrices son sistemas de software y hardware de función fija que generan una gran cantidad de dependencias en la cadena de suministro. Sin embargo, es muy probable que la solución definitiva implique el desarrollo de tejidos programables específicos para automóviles. Una metodología centrada en tejidos programables tiene las distintas ventajas de:

1. Obsolescencia de piezas: Un número menor de piezas programables minimiza los sesgos de inventario y la agregación de funciones en torno a un número pequeño de piezas programables aumenta el volumen de estas piezas y, por lo tanto, minimiza las posibilidades de obsolescencia de las piezas.
2. Redundancia para la confiabilidad: La confiabilidad se puede mejorar en gran medida mediante la redundancia dentro y de múltiples dispositivos programables. Similar al almacenamiento RAID, uno puede dejar grandes partes de un tejido programable sin programar y mover dinámicamente la funcionalidad en función de las fallas detectadas.
3. Función futura: La programabilidad permite el uso de actualizaciones "por aire" que actualizan la funcionalidad dinámicamente. Esto es fundamental para crear modelos comerciales sólidos de posventa y mantenimiento remoto.

Funcionalidad EDA:

Finalmente, para administrar la conexión entre las abstracciones del sistema y la interconexión de estructuras programables, existe el requisito de la próxima generación de herramientas EDA y la IP de tiempo de ejecución asociada. Los sistemas EDA son los activos críticos que administran automáticamente el proceso de mapeo y las actualizaciones de tiempo de ejecución asociadas para la función. Para una discusión más profunda de los problemas de EDA, consulte www.anew-da.ai

conclusiones:

La industria automotriz se encuentra en medio de una gran transición de un enfoque principal en lo mecánico a un enfoque intenso en lo eléctrico (HW/SW/AI). En términos de estrategia, tanto la etapa de evaluación ambiental como la de análisis interno deberán absorber las implicaciones de este cambio. Además, si bien las actualizaciones incrementales del diseño y la gestión de proveedores pueden funcionar a corto plazo, a más largo plazo, es muy probable que sea necesario construir una arquitectura específica para automóviles (especificaciones de chips comunes) con niveles de abstracción SW/AI/EDA asociados. a nivel de industria.

Agradecimientos:  Anurag Seth por ser coautor de este artículo.

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