Dalla sua nascita, avvenuta circa un secolo fa, l'automobile si è evoluta per vari decenni, soprattutto in termini di caratteristiche meccaniche (propulsore, trasmissione, cambio) ed aerodinamiche per ottimizzare prestazioni e consumi. Ma la comparsa della tecnologia microelettronica e il suo progressivo ingresso nei vari componenti dell'auto ha avuto un effetto rivoluzionario; si è assistito ad una transizione che ha portato molti apparati a trasformarsi da meccanici in elettronici e alla nascita di centraline di controllo elettroniche prima completamente assenti, per funzioni che riguardano sia il motore che altre funzioni del veicolo, come cambio, frizione, freni, ma anche specchietti retrovisori, fari, condizionamento, serrature, controllo pressione pneumatici e altro ancora.
Dieci anni fa l'elettronica di bordo di un veicolo medio comprendeva tre o quattro ECU, cioè unità di controllo elettroniche, costituite generalmente da un processore e da altri componenti discreti. Oggi un veicolo come la Mercedes classe S dispone di circa 70 ECU, ad alta integrazione e tutte reciprocamente interconnesse. Non stupisce poi che gran parte di questi componenti elettronici siano progettati per migliorare il confort del viaggio o più in generale per quello che viene definito "infotainment" di bordo, un misto tra telematica, informatica e intrattenimento puro e semplice. Del resto, le ore che si trascorrono a bordo di un automobile non sono poche, e ognuno di noi ha sperimentato quanto sia utile e piacevole poter disporre, mentre ci si sposta per lavoro o per svago, di informazioni, connettività per comunicare, musica o altro. Anche per chi non guida la situazione sta cambiando: sono sempre più numerose (oggi circa il 10% del totale dei veicoli circolante, ma saranno almeno il 30% nel 2010) le auto dotate di sistemi audio e video di intrattenimento, anche sui sedili posteriori.
Ottime prospettive di sviluppo
Secondo le stime di iSuppli, la produzione mondiale di automobili arriverà a 82 milioni di veicoli nel 2012 e, nello stesso momento, il mercato globale per i circuiti integrati destinati alle applicazioni di infotainment nell'auto raggiungerà un valore totale di 56 miliardi di dollari (dagli attuali 36). I sistemi di navigazione, da soli, triplicheranno le vendite, passando da 14 a 42 milioni di pezzi (e questo significa che praticamente ogni auto sarà dotata di navigatore). Anche in Europa questo mercato è destinato ad espandersi rapidamente, e Frost & Sullivan stima che varrà 9.2 miliardi di euro nel 2010. Principali utilizzatori di dispositivi elettronici continueranno a essere gli Oem, ovvero i fornitori di primo livello che propongono sistemi elettronici di bordo, mentre dovrebbe ridursi lo spazio per chi propone gli stessi apparati (generalmente sistemi multimediali) come accessori per successiva installazione. Interessanti, ma più caute le prospettive di sviluppo per le radio satellitari, che nei prossimi anni saranno installate su una percentuale relativamente modesta del parco circolante. Le solite previsioni entusiastiche degli analisti di mercato?
Con Sync arriva la standardizzazione
Forse vedere insieme sul palco degli oratori, al recente Consumer Electronics Show statunitense, due personaggi del calibro di Bill Gates (chairman di Microsoft) e Mark Fields (presidente di Ford Motor) può far ricredere gli scettici. In tale occasione Gates e Fields hanno annunciato un prodotto sviluppato congiuntamente dalle due aziende e chiamato semplicemente Sync, che è sostanzialmente un'interfaccia intelligente in grado di dialogare, tramite USB o Bluetooth, con i vari gadget che sono ormai parte costante della nostra vita quotidiana, come telefoni cellulari, PDA, iPOD, console per videogiochi, ecc. Usando Sync il guidatore potrà ascoltare la musica, telefonare, farsi leggere messaggi di testo e gestire le altre funzioni dei dispositivi, sia tramite comandi vocali che con i normali comandi al volante (oppure anche tramite un touch screen, se il veicolo in questione è dotato anche di un navigatore, che però non è indispensabile) ed è dotato di un software che può essere aggiornato, per adattarsi a nuovi dispositivi.
Benchè simile nelle funzioni a molti sistemi multimediali già presenti nelle auto di fascia alta, anche come accessori opzionali, Sync ha attirato l'attenzione di molti osservatori perchè è destinato ad un mercato molto più vasto (anche per ragioni di costo) e perchè sembra essere una risposta efficace ad uno dei problemi storici dei sistemi di infotainment in-car, cioè quello della mancanza di standardizzazione delle interface. In questo modo sembra aprire quindi la strada a reali applicazioni di massa.
Una sfida per gli IC
In effetti, quello di interfacciarsi alla grande varietà di dispositivi consumer presenti sul mercato (oltre a proporre sistemi integrati proprietari), è solo un aspetto delle molte sfide che i costruttori di circuiti elettronici devono affrontare quando pensano alle applicazioni automotive.
Uno dei problemi più generali, che riguarda tutta l'elettronica dell'auto, è quello di adeguare i cicli di sviluppo dell'elettronica integrata, tipicamente velocissimi, ai tempi medi dell'industria automobilistica, in cui passano vari decenni da quando un modello viene progettato a quando esce completamente dal mercato. Questo richiede non solo la garanzia di poter disporre per tutto questo arco di tempo di un determinato tipo di componente o sistema (e già si può immaginare quanto ciò sia complicato alla luce delle costanti modifiche alle tecnologie produttive dei circuiti integrati), ma anche di garantire l'affidabilità e la durata degli stessi IC, in condizioni ambientali particolari (temperatura, vibrazioni, interferenze elettromagnetiche), considerando anche il fatto che stiamo parlando di applicazioni critiche, in quanto l'elettronica non è oggi contenuta solo nel cruscotto o nel navigatore, ma anche nel sistema ABS o nel controllo motore.
In realtà, gran parte dei circuiti utilizzati nelle attuali applicazioni di largo consumo non potrebbe sopravvivere a lungo in un ambiente automotive; tutti i chip per queste applicazioni devono infatti essere garantiti su un ampio range di temperatura (tipicamente da - 40 a + 125 °C) e presentare anche bassi consumi e immunità ai disturbi elettromagnetici. Un apparato che si guasta in un computer o in un televisore è un problema; in un'automobile può essere un disastro e il fatto che molti apparati siano interconnessi, di certo complica ulteriormente le cose.
I dispositivi a semiconduttore devono rispettare precise linee guida per permettere agli Oem di rispettare a loro volta alcuni standard dalle specifiche molto stringenti (AECQ100, ISO9001, ISO/TS 6949). Allo stesso tempo i fornitori di circuiti analogici o misti (Freescale, NXP, Infineon, International Rectifier, NEC solo per fare qualche nome) devono confrontarsi con problemi ancora maggiori, in quanto l'elettronica analogica o di potenza è notoriamente più sensibile ai malfunzionamenti
La necessità di poter disporre di circuiti altamente affidabili è anche, probabilmente, una delle ragioni per cui gli Oem utilizzano di preferenza soluzioni standard o ASSP (Application Specific Standard Products) piuttosto che Asic, anche se quest'ultimo segmento, così come quello delle logiche programmabili, è in relativa crescita.
Affidabilità e costi giustificano anche l'utilizzo di tecnologie produttive ampiamente collaudate e di conseguenza non all'attuale estremo limite di integrazione. Ad esempio, le CPU PowerPC di Freescale e SHseries di Renesas impiegate nelle applicazioni automotive sono realizzate in geometrie 0.25 micron CMOS.
Altro tema peculiare dell'elettronica in auto è quello dell'interconnessione tra i vari sottosistemi, fisica e logica (protocolli) per permettere la comunicazione tra i sistemi multimediali e l'elettronica embedded di controllo del veicolo, ovviamente senza dimenticare la comunicazione globale verso l'esterno e quindi includendo sia soluzioni cablate che soluzioni wireless.
Allo sviluppo dei protocolli lavorano anche vari consorzi, in particolare il gruppo AutoSar (Automatic Open Source Architecture) e il gruppo Jaspar (Japan Automotive Software Platform Architecture) entrambi con lo stesso obiettivo: ridurre i costi del software e migliorarne l'affidabilità, offrendo architetture unificate in grado di accettare le diverse soluzioni già presenti sul mercato.
L'importanza degli standard
In un'automobile le diverse centraline elettroniche coordinano varie funzioni: tipicamente in un normale veicolo sono presenti almeno tre diversi tipi di rete: un bus standard CAN ad alta velocità per il controllo motore e la gestione della sicurezza di marcia; un bus CAN a velocità diversa (più lento) per le funzioni di bordo, luci, ecc; un'altra rete, ad esempio LIN, per collegare le funzioni tipo vetri elettrici, specchietti retrovisori.
Sotto molti punti di vista lo standard CAN è alquanto datato, lento e non deterministico, e per sostituirlo stanno emergendo soluzioni come FlexRay, il più recente tra i protocolli di rete in ambiente automotive, che potrebbe anche prestarsi a integrare in un'unica rete anche i sistemi multimediali. FlexRay è veloce (fino a 10 megabit/ secondo), sicuro e può essere ridondante. La caratteristica più interessante di FlexRay è il controllo dell'allocazione della banda, sia statica che dinamica, in modo da permettere l'espandibilità del sistema senza richiedere modifiche al software dei nodi (degli apparati). Mentre si attendono per il 2008 le prime realizzazioni pratiche completamente funzionanti baste su FlexRay, arrivano però anche le soluzioni destinate specificamente all'interconnessione delle apparecchiature multimediali, come MOST (Media Oriented Systems Technology) e IDB (Intelligent Transport System Data Bus).
La soluzione MOST utilizza come mezzo la fibra ottica (particolarmente adatta agli ambienti caratterizzati dal rischio di interferenze) è può raggiungere i 150Mbits/s; inoltre gestisce anche la temporizzazione della rete, in modo da far funzionare tutti gli apparati con la propria sincronizzazione; il che rende superfluo l'eventuale buffering o conversione di frequenza, semplificando e rendendo meno costoso l'interfacciamento degli apparati. Il bus IDB-1394 dovrebbe operare a 200 Mbits/s (permetterebbe quindi di collegare direttamente iPOD Apple, PlayStation Portable o altre console) ed è attualmente in fase di sviluppo presso vari costruttori di sistemi automotive.
Adattarsi ai vari protocolli è quindi una sfida anche per i costruttori di chip, perchè riuscire a prevedere quale tipo di protocollo richiederà una determinata applicazione multimediale non è cosa da poco, soprattutto alla luce dei costanti cambiamenti dell'elettronica di consumo.
Una soluzione potrebbe essere quella di creare circuiti "piattaforma" che accettino, se non tutti, almeno gran parte, dei protocolli esistenti, mentre un approccio alternativo è quello di lavorare congiuntamente con i produttori di sistemi e con i costruttori di auto per definire insieme le specifiche dei circuiti già nella fase iniziale di progetto delle nuove vetture.
Ad esempio, SMSC propone dispositivi piattaforma per il networking in applicazioni automotive che supportano lo standard MOST per la connessione di sistemi multimediali, mentre Texas Instruments ha sviluppato una propria architettura OMAP (Open Media Applications Platform), su cui sono basati i processori OMAP 3 destinati al video HD, ma pensati anche per applicazioni automotive.
Freescale propone dispositivi che supportano i protocolli FlexRay, AutoSar, Jaspar, mobileGT NEXUS 5001, LIN, e anche SPARC. Il processore i.MX31, una CPU a 400 MHz con sistema operativo Microsoft, è proprio il core attorno a cui è stato sviluppato il progetto Sync. D'altra parte Freescale sta anche sviluppando con Tilcon Software una piattaforma per applicazioni telematiche automotive, in cui si combinano hardware e software attorno al processore Freescale Media5200.
Anche NXP Semiconductors ha annunciato di recente un progetto per i sistemi MOST basato sulla piattaforma Nexperia che usa il processore NXP 9520 , destinata ai sistemi di navigazione con grafica 3D. Lo stesso processore è anche al centro di un progetto per la ricezione televisiva satellitare per gli schermi video di cui usufruiranno i passeggeri dei sedili posteriori sulla prossima generazione di veicoli Chrysler. Nello stesso segmento di mercato, STMicroelectronics ha annunciato un chip set per il servizio Sirius Satellite Radio Backseat TV, che in sostanza dovrebbe fornire contenuti video da reti televisive dedicate ai veicoli preselezionati.
Il futuro è sicuramente wireless
La prossima generazione di lettori MP3, sistemi di navigazione e lettori Dvd promette di essere dotata di interfacce wireless; questo potrebbe semplificarne l'integrazione a bordo, ma a rischio di una ulteriore frammentazione del mercato e delle tecnologie.
Se fino a poco tempo fa Bluetooth sembrava l'unico tipo di standard adottabile per questo tipo di connettività (benchè venga comunemente associato alla telefonia mobile), in questa fase sta emergendo anche il wireless USB che, grazie alla possibilità di creare reti indipendenti personalizzate con varie decine di apparati connessi potrebbe essere la soluzione radio adatta per i collegamenti tra apparecchi multimediali.
Proprio NXP è uno dei sostenitori più convinti del wireless USB, e ne prevede l'adozione diffusa già a partire dal 2008. Il limite del wireless USB potrebbe però essere costituto dai differenti schemi di frequenza adottati nei vari paesi, e ciò spinge altri costruttori a proporre soluzioni diverse. Ad esempio Infineon privilegia le soluzioni Wi-Fi, anche perchè ritiene che le prossime generazioni di chip in questa tecnologia avranno consumi tali da essere adatti anche alle applicazioni mobili e all'automotive.
STMicroelectronics è uno dei protagonisti assoluti nel mercato dei fornitori di circuiti per l'auto, con un portafoglio che comprende prodotti per la navigazione satellitare, per il wireless, per radio digitale e multimedia in genere. Il programma NaviFlex di ST propone una piattaforma completa di navigazione, costruita attorno al processore Nomadik Multimedia e ai ricevitori GPS. La soluzione SoC Nomadik è caratterizzata da consumi minimi, eccellenti performance e una serie completa di periferiche di interfaccia. Per le trasmisioni radio digitali ST supporta tutti i principali standard internazionali, tra cui DAB/DMB, HD Radio, XM Radio, Sirius, e WorldSpace.
DAB (Digital Audio Broadcasting) è un tipo di trasmissione radio già presente in vari paesi e abbastanza diffusa, che permette di diffondere segnali con i tipici vantaggi del digitale (qualità audio, assenza di distorsione, trasmissione di canali multipli audio e video). Il DMB (Digital Multimedia Broadcast) è invece una evoluzione del DAB, di cui usa l'infrastruttura esistente, permette un numero di canali maggiore nello stesso spettro di frequenza e consente di inviare anche video e dati. In Europa è però ancora allo stadio sperimentale.
Il DRM (Digital Radio Mondiale) è un nuovo standard operante a varie lunghezza d'onda, che non richiede una specifica allocazione in frequenza, ma utilizza la banda in modulazione d'ampiezza, (sotto i 30 MHz). Le trasmissioni DRM usano una tecnica in-band on-channel (IBOC) per la trasmissione di canali multipli (sia analogici che digitali) sulla stessa frequenza (simulcasting).
HD Radio è simile al DRM, ed è già molto diffuso negli Stati Uniti.
Telematica e sicurezza
Avere le informazioni necessarie spesso significa riuscire ad evitare situazioni pericolose, e per raggiungere questo obiettivo, uno dei più importanti per i costruttori di auto, giocano un ruolo di primo piano da un lato i dispositivi di bordo e dall'altro i sistemi telematici. Tra i primi vanno annoverati i sistemi di guida assistita, che permettono di migliorare la visibilità diurna e notturna in caso di condizioni di guida difficili (nebbia o pioggia), mentre la telematica è coinvolta per tutto quello che riguarda l'invio di informazioni utili, non solo tramite i navigatori satellitari, ma anche utilizzando i più moderni sistemi di gestione integrata del traffico, che includono pannelli informativi, incroci semaforici computerizzati, controlli di accesso, avvisi in caso di pericolo imminente (ad esempio utilizzando la tecnologia DSRC) e altro ancora.
I sistemi di visione utilizzati per queste applicazioni sono generalmente prodotti da aziende giapponesi e basati su tecnologia CCD, ma in Europa esiste un progetto comunitario denominato Car Vision, che punta alla realizzazione di una tecnologia ottica CMOS in grado di coprire sia lo spettro visibile che l'infrarosso, offrendo un maggior livello di integrazione e costi inferiori.
Infatti, disponendo di circuiti di acquisizione delle immagini in tecnologia CMOS, questi potrebbero essere integrati, con relativa facilità, con i circuiti di elaborazione delle immagini, per realizzare una videocamera ad altissima integrazione con eccellenti capacità di filtraggio e di gestione dell'immagine (per ricavare e magari riconoscere i particolari salienti da comunicare al guidatore). Il tutto a bassissimi consumi, particolare questo non trascurabile per le applicazioni auto.
L'innovazione si propaga poi anche al modo di comunicare con il guidatore, proponendo nuove soluzioni che affiancano i tradizionali display a cristalli liquidi. Si pensi ad esempio agli HUD (Head up display) di derivazione aeronautica, capaci di trasmettere e visualizzare sul vetro frontale tutte le informazioni provenienti sia dalla strumentazione del cruscotto sia le indicazioni di navigazione e anche eventuali segnali provenienti dai sistemi di guida assistita. In questo senso una nuova generazione di processori grafici (ad esempio quelli proposti da Fujitsu) dispone già della potenza di calcolo adeguata a tali applicazioni.
