I microcontrollori (MCU) rappresentano il primo passo verso la fase che sta caratterizzando l'industria automobilistica, ovvero la Software Defined Car (SDC). Questa nuova tecnologia prevede che ogni funzione dell'automobile sia controllata e gestita da software. I microcontrollori svolgono questa funzione per il motore attraverso una serie di sensori che misurano in tempo reale il suo funzionamento e controllo. Tuttavia, in futuro, una SDC avrà tutta la funzionalità dell'automobile sotto controllo software: l'impianto frenante, i dispositivi di sicurezza, persino lo stato psicofisico del guidatore. Poiché i sensori sono numerosi, vengono implementate varie tecniche di sensor fusion che richiedono capacità di elaborazione in tempo reale, elaborazione che ogni microcontrollore affronta a modo proprio. Infatti, le MCU sono così performanti che, nel caso di utilizzo di potenzialità avanzate come quelle dell'intelligenza artificiale, non è necessario dotarsi di processori come le GPU di NVIDIA per eseguire tali applicazioni.
Considerando che il governo italiano ha autorizzato la produzione di auto elettriche cinesi sul territorio italiano, la tecnologia SDC avrà sicuramente un impulso positivo, nonostante in Europa la costruzione di auto elettriche cinesi sia vista come un danno per l'industria automobilistica nativa. Tesla negli USA, azienda leader nello sviluppo di tecnologie avanzate per uso automobilistico, ha dimostrato che tale approccio, basato sulla tecnologia SDC, è sicuramente vincente.
Microcontrollori auto: una lunga storia di sviluppi e successi
I principali produttori e fornitori di microcontrollori per l'industria automobilistica sono oggi Siemens-Infineon, NXP, STMicroelectronics e Renesas Electronics, un quartetto di aziende che ha segnato la storia di queste applicazioni.
Motorola fu la prima a occuparsi di automotive. aveva inventato il microcontrollore proprio per l'industria automobilistica e aveva denominato i suoi microprocessori della famiglia HC come "microcontrollori". All'inizio, il microcontrollore controllava solo l'ABS in logica fuzzy, tanto che Motorola sviluppò appositamente una variante del microprocessore HC12 con istruzioni per questo tipo di applicazione. Successivamente, seguirono l'airbag e gli altri sistemi di controllo automotive dedicati.
Le configurazioni strutturali si sono evolute negli anni, toccando tutte le variabili possibili da controllare durante la guida. Oggi i microcontrollori presentano quasi tutti un core ARM e sono molto più complessi che in passato, soprattutto ricchi di sensori in tecnologia MEMS come accelerometri e sensori di temperatura, aumentando notevolmente di numero. Inoltre, dispongono di memoria non volatile veloce che in passato si suppliva con chip esterni o memoria esterna non volatile (EPROM).
Siemens-Infineon
Siemens è da sempre fornitrice di sistemi di automazione industriale e opera in modo massiccio anche nell'industria automobilistica. Nel 1999 l’azienda ha dato luogo allo spinoff Infineon dalla sua divisione semiconduttori e, di conseguenza, Infineon è diventata il fornitore della microelettronica per l'industria automobilistica.
Nel 2019 Infineon inizia l'acquisizione di Cypress, che si è concluso nell’aprile 2020 per 10 miliardi di dollari, acquisendo l'intero portafoglio prodotti e diventando uno dei 10 maggiori produttori di semiconduttori al mondo e il principale fornitore dell'industria automobilistica.
Siemens affidò ad Infineon di fornire all'industria automobilistica i microcontrollori e si occupa soprattutto di automazione nella fase di produzione, avvalendosi delle tecnologie all'avanguardia come la comunicazione, l'intelligenza artificiale e gli smartphone. Siemens intende essere un fornitore globale per l'industria, mentre Infineon fornisce componentistica innovativa all'industria automobilistica, come il microcontrollore AURIX Tricore. Questo riunisce in un singolo chip paradigmi computazionali come il RISC e il CISC, il SIMD, il DSP, la WLIW, la computazione a 16-32 bit e un ampio spazio di indirizzamento (fino a 5 GB). Il Tricore di Infineon si adatta a controllare qualsiasi funzione dell'autoveicolo, il motore sia a combustione che elettrico, l'impianto frenante con il recupero dell'energia in fase di frenata, l'illuminazione intelligente e, cosa più importante, la ricarica efficiente del pacco batterie nell'auto elettrica.
Infineon ha un centro di ricerca a Padova, dove, con i suoi ricercatori, sperimenta nuove tecnologie in automotive, come ad esempio l'intelligenza artificiale applicata all'enorme mole di dati provenienti dai sensori.
NXP Semiconductors
NXP è l'acronimo di NeXt eXPerience. NXP e Infineon sono reciprocamente competitor sullo stesso mercato, l'automotive. NXP discende da Philips tramite uno spinoff che trasferiva a questa tutta la divisione semiconduttori. Il know-how vocale di Philips è stato invece venduto a una società cinese. NXP, dopo la fusione con Freescale, è diventata una delle 10 più importanti case produttrici di semiconduttori al mondo, lo stesso che ha fatto Infineon con Cypress Semiconductors.
NXP si occupa oggi ai sistemi di guida automatica per automotive. Attivata da Freescale prima della fusione con NXP, la Freescale Cup è una competizione mondiale tra università e centri di ricerca basata sulla famiglia di microcontrollori Freedom, che controlla il motore elettrico, il sistema di guida, la visione e il pacco batterie. Ora, dopo la fusione, si chiama NXP Cup. La guida automatica viene sviluppata in ambiente MATLAB Simulink, quindi i risultati sono facilmente trasferibili.
STMicroelectronics
STMicroelectronics (STM) ha da sempre sviluppato microcontrollori per vari settori applicativi e ultimamente si è focalizzata sull'automotive. Poiché ha valutato che circa l'80% della funzionalità di un'automobile viene controllata dall'elettronica, vista la sua lunga esperienza e conoscenza di certe tecnologie come i MEMS, ha sviluppato il suo microcontrollore per automotive STM32 ARM-Based, ricco di funzionalità come i sensori, i LED driver, l'elettronica per il controllo motore e un ricco ecosistema per lo sviluppo di applicazioni anche AI. STM è convinta che ogni funzione dell'automobile debba essere smart, anche la più semplice come l'apertura e la chiusura del finestrino, come pure la sicurezza assicurata dall'ADAS eseguita in tempo reale dal microcontrollore e dai sensori al contorno.
Renesas Electronics
Renesas Electronics si è resa conto che l'automotive è diventato molto complesso, tanto da formulare il neologismo "driving computer" per l'automobile. Per questo motivo, non ha progettato una nuova MCU per l'automotive, ma un SoC (System-on-Chip) che ospita anche la MCU. Renesas è consapevole del fatto che l'interesse primario dell'automotive è la sicurezza e il comfort di guida. L'ADAS è dunque l'obiettivo del SoC di Renesas R-Car, anche se di fatto può controllare qualsiasi funzionalità dell'autoveicolo, dal motore all'impianto frenante, ecc.
Il riconoscimento degli oggetti è fondamentale per la sicurezza di guida, perché se il guidatore fa una manovra sbagliata che mette in pericolo la sua incolumità e quella degli altri, il sistema lo può rivelare ed eventualmente intervenire, e allo stesso modo proteggere l'autoveicolo dagli altri autoveicoli che minacciano la sicurezza dell'autoveicolo principale. Ciò implica la capacità di connettersi in tempo reale con altre MCU che acquisiscono dati dai sensori e di eseguire applicazioni di AI per il riconoscimento.
I SoC R-CAR VM4 e R-Car vRH4 sono orientati all’ADAS e all’ADAS+, quindi hanno capacità di elaborazione AI e sono compatibili con le MCU precedenti della stessa Renesas.
Alla pari dei suoi diretti competitor NXP e Infineon, Renesas fa un’acquisizione che la rende competitiva nel settore automotive. Avendo l’intuizione che per l’automotive i pcb sono il punto critico sia per complessità che per affidabilità, nel 2024 Renesas acquisisce Altium proprio per soddisfare a questo requisito.
Microprocessori e Microcontrollori
I microprocessori sono all'origine dei microcontrollori. Ai tempi dei microprocessori c'erano le cosiddette Single-board Computer, in cui vi era il microprocessore, un po' di ROM per il bootstrap, un po' di RAM e qualche periferica. Poi, con la riduzione della geometria di integrazione, tutto fu integrato in un unico chip, realizzando così il microcontrollore. In seguito, si aggiunsero anche dei sensori e delle periferiche più sofisticate. Ma molte applicazioni industriali richiedevano il tempo reale, quindi Motorola, oggi Freescale, inventò il microcontroller DSP. Il microcontroller era un CISC, mentre il DSP era un RISC, quindi il microcontrollore DSP poteva essere programmato con il linguaggio "C" ed avere le prestazioni real-time del DSP.
Oggi il core dei microcontrollori è un ARM M4, quindi non sarebbe necessario un core DSP. Malgrado il core ARM-M4 sia ben performante, Infineon ha preferito realizzarne uno specifico per l'automotive, il Tricore, derivandolo da un suo DSP 16-32 bit. Questo microcontrollore DSP è molto potente ed è in grado di governare con il suo firmware gran parte della funzionalità dell'automobile, dal motore all'impianto frenante.
L'ARM-M4 è un ottimo microcontrollore che, grazie alla sua MAC (Multiply-Accumulate) singolo ciclo, è performante come un DSP ed è programmabile in "C", oltre ad essere un'architettura computazionale a 32 bit.