Dai nuovi materiali wide band-gap per garantire un utilizzo efficiente della potenza disponibile, alle architetture digitali più sofisticate e complesse, ai protocolli di comunicazione più recenti. L’auto moderna è affamata di innovazione a semiconduttori
Il mondo dell’automobile sta vivendo un periodo di grandissima crescita con una forte discontinuità rispetto al passato. I consumatori hanno nuove aspettative. Una volta un modello di vettura si valutava in base all’estetica della carrozzeria e alla potenza del motore. Quando si andava veloci in autostrada, era un piacere sentire il rombo e le vibrazioni sotto il cofano. Oggi è tutto diverso. I modelli di auto elettrica sono silenziosissimi. E concetti come sicurezza, attenzione all’ambiente, comfort e assistenza alla guida sono diventati decisamente più importanti della cilindrata del motore. L’obiettivo è arrivare a zero. Zero emissioni, zero incidenti, con una macchina sempre connessa e capace di interagire con l’infrastruttura, con le vetture che la circondano o più genericamente con il cloud, e con zero distrazioni al guidatore. Un’evoluzione che sta spingendo i produttori di auto ad un uso più sempre più massiccio di elettronica integrata. Fino al 1998 le applicazioni automotive contribuivano solo per il 4,7% al consumo globale di dispositivi a semiconduttore. Si trattava, inoltre, quasi esclusivamente di componenti semplici, di scarsa complessità tecnologica. La crescita è stata esponenziale: il settore dei chip per l’auto ha un valore ormai prossimo al 10% del totale mercato dei semiconduttori. E nelle automobili si sperimentano innovazioni che poi trovano impiego anche in altri campi: nuovi materiali come il carburo di silicio e il nitruro di gallio, o soluzioni per l’elaborazione parallela multiprocessore con protocolli all’avanguardia.
Potenza efficiente per batterie che durano a lungo
Tra gli sviluppi più interessanti e più innovativi dell’elettronica per l’automobile vi sono quelli che riguardano il controllo del motore, conseguenza della comparsa e diffusione delle vetture (più o meno) ibride. Le batterie, elemento sempre più critico nei nuovi modelli, possono essere gestite in modo efficiente solo con sistemi elettronici avanzati. È necessario misurare con la massima precisione tensioni, correnti e temperature. Ma non basta. Le architetture sono modulari e distribuite. Una batteria può essere costituita da più celle in serie, in daisy chain. I moduli vengono collegati tra loro da cavi inevitabilmente esposti ai rumori. Ciò richiede affidabilità, meccanismi e sistemi che permettono una comunicazione robusta. I veicoli elettrici richiedono anche una grande attenzione nel garantire l’efficienza energetica per massimizzare i tempi di percorrenza tra due ricariche successive. Per questo si sono fatti strada nuovi materiali semiconduttori cosiddetti wide band-gap, come il SiC (carburo di silicio) o il GaN (nitruro di gallio). I motivi sono semplici. Una batteria ad alta tensione, come quelle presenti nei nuovi modelli di auto, può andare da 400 a 800 V ed è circondata da alimentatori ausiliari, convertitori DC-DC, l’inverter per la trazione, oltre ovviamente al sistema per la gestione della batteria. Gli elementi elettronici di potenza impiegati in ciascuno di questi sistemi devono garantire non solo le prestazioni, ma anche l’efficienza: le dimensioni, il peso e il volume sono fattori critici. I sistemi più efficienti sono tipicamente quelli più leggeri e compatti che occupano meno spazio nel vano motore. E qui entrano in gioco il carburo di silicio e il nitruro di gallio: materiali con alcune proprietà caratteristiche che li rendono la scelta migliore per realizzare componenti elettronici da usare in automobile. I dispositivi SiC e GaN possono lavorare in modo efficace a tensioni e temperature più elevate, con commutazioni molto più rapide. Sono più piccoli ed efficienti degli equivalenti chip basati sul tradizionale silicio.
Sensori per rilevare i pericoli della strada
Ma non è solo nell’elettronica di potenza che l’automobile è diventata una fucina di innovazioni. Le vetture devono essere sempre più “consapevoli” del mondo che le circonda, delle situazioni del traffico o di potenziali pericoli: il guidatore ormai si aspetta che la sua macchina ponga riparo alla sua disattenzione, magari frenando da sola se un pedone attraversa improvvisamente la strada. Per questo servono sensori. Tanti e di tipi diversi: ad ultrasuoni, rilevatori di immagine, radar o lidar. Ogni tecnologia ha la sua caratteristica particolare e ognuna si adatta a differenti condizioni ambientali: nebbia densa, pioggia intensa, luce o ombra. I produttori continuano a migliorare le prestazioni dei diversi tipi di sensore. Per esempio, migliorando la gamma dinamica o unificando in un solo modulo le funzioni di rilevazione di oggetti a distanza ravvicinata e in lontananza.
Una complessa architettura digitale
Ma non basta. La disponibilità di nuovi circuiti integrati e soluzioni microelettroniche sta permettendo ai progettisti di dare libero sfogo alla fantasia anche nell’ambito delle soluzioni digitali. Si stanno osando cose in passato impensate. Le vetture non sono più solo uno strumento per andare da un luogo a un altro, ma diventano oggetti capaci di offrire servizi di mobilità avanzata. E cambia radicalmente l’approccio concettuale, con il passaggio da una struttura “piatta” a una “a domini”. Un sistema, cioè, in cui le macro-funzioni dell’auto vengono accorpate in gruppi omogenei, organizzati in modo logico e rigorosamente gerarchico. Oggi si parla essenzialmente di quattro domini. Il primo è il cosiddetto Drive, che comprende la gestione del motore, della trasmissione e del servosterzo. C’è poi il Body & Comfort che raggruppa per esempio il controllo degli alza-cristalli, dei tergicristalli, dell’automazione dei sedili: insomma tutto ciò che non ha un impatto diretto e immediato sulla sicurezza ma è fondamentale perché il guidatore si senta a suo agio, al volante. Il terzo è l’infotainment, informazione e intrattenimento: l’autoradio, il navigatore satellitare… Ultimo, ma certo non meno importante, è l’ADAS che comprende tutti i sistemi avanzati di assistenza alla guida. Ogni dominio non è concentrato in una posizione fisica, ma ha ramificazioni in tutto il corpo della macchina. Ognuno è gestito da un controllore con la potenza di calcolo necessaria. E ogni controllore è diverso dagli altri, perché deve rispondere a richieste particolari. A livello superiore vi è un gateway che comunica con i controllori di dominio, anche se con interazioni relativamente limitate.
Dai domini agli ottanti, con in più la comunicazione 5G
Quella “a domini” non è però la soluzione più avanzata. C’è qualcuno che sta pensando di abbandonare il concetto di un singolo gateway che parla con i diversi controllori di dominio per suddividere l’auto in zone, in ottanti. Otto spicchi fisici, ciascuno dotato di un gateway che controlla tutte le funzioni di quella zona. Ovviamente in ogni zona sono presenti tutte le funzioni necessarie (Drive, Body & Comfort, Infotainment e ADAS). Ciascuna con i suoi protocolli di comunicazione e con le sue specificità. Ciascuna isolata dalle altre, capace di garantire la qualità di servizio indispensabile. La capacità di elaborazione e di colloquio tra i vari ottanti esige “cervelli elettronici digitali” potenti, dedicati ed efficienti. E poi… la macchina deve colloquiare con il mondo esterno. E qui il 5G la farà presto da padrone.
Il 5G la farà presto da padrone. Il mondo dell’auto sta vivendo una vera e propria rivoluzione
Insomma, il mondo dell’auto sta vivendo una vera e propria rivoluzione. Le nostre strade saranno sempre più percorse da oggetti a basso consumo, sicuri e confortevoli, flessibili, configurabili e aggiornabili. Intelligenti e consapevoli dell’ambiente che le circonda. Semplici ed efficienti. Tutte caratteristiche rese possibile da nuove soluzioni connettività, da processori innovativi, da tecnologie di potenza avanzate e da sensori potenti ed economici. I semiconduttori e il software sono la chiave di volta, il pilastro imprescindibile su cui appoggiarsi.
