Virtualización y el automóvil definido por software
Tecnologías modulares impulsan una ruta de actualización para los vehículos definidos por software
Brandon Lewis para Mouser Electronics
Fuente: CYBERUSS/stock.adobe.com
Los vehículos modernos son maravillas de la ingeniería, repletos de características y funcionalidades que eran inimaginables hace apenas unos años. Sin embargo, debajo de su elegante exterior, yace una creciente complejidad que representa un desafío significativo para el futuro de la industria automotriz: la demanda cada vez mayor de cálculos dentro del vehículo y sus implicancias para las unidades de control electrónico (UCE).
Las UCE son computadoras especializadas que controlan muchas tareas críticas y no críticas para la seguridad dentro de un vehículo. Por ejemplo, la mayoría de los automóviles hoy en día tienen una UCE que controla el motor, otra que gestiona los frenos, otra que maneja los sistemas de entretenimiento, y así sucesivamente, todos conectados por los cables, alambres y software que conforman el sistema nervioso de un automóvil.
Si bien permite capacidades avanzadas, esta red compleja también tiene sus inconvenientes. El gran número de UCE y sus interdependencias generan un laberinto de conexiones cableadas. Esto agrega peso y costos al sistema, aumenta la complejidad de la integración, complica el desarrollo de software y limita la capacidad de implementar y gestionar actualizaciones de firmware por aire (FUOTA). Sin capacidades como FUOTA, los fabricantes de automóviles deben recurrir a costosas visitas a concesionarios, y los propietarios deben enfrentarse a largos períodos de inactividad del vehículo.
La buena noticia es que la era de los vehículos definidos por software (SDV) está cambiando todo en el negocio automotriz, incluidas las UCE y las arquitecturas de procesamiento automotriz.
Impulsores de la revolución SDV
La evolución hacia los SDV no es simplemente un cambio de software, es una reestructuración profunda de la arquitectura interna del vehículo. En el corazón de esta revolución yace el concepto de consolidación de UCE, una reevaluación de las jerarquías de control y procesamiento del vehículo que impulsan reducciones de costos y mejoras de rendimiento, y promueven un futuro de mejoras continuas del vehículo a través de actualizaciones de software.
Una de las innovaciones que ha surgido del movimiento de consolidación de UCE es el uso de arquitecturas zonales o la subdivisión de varios subsistemas del vehículo en zonas de funcionalidad relacionada. Las arquitecturas zonales abordan los desafíos del actual despliegue de ECU al dividir los sistemas del vehículo en zonas distintas. Cada zona es gestionada por un controlador potente que consolida la funcionalidad de múltiples UCE heredadas en su dominio y es responsable de subsistemas específicos como el tren motriz, el chasis o el sistema de infoentretenimiento.
Este enfoque modular ofrece múltiples beneficios:
- Menor complejidad, cableado simplificado: El cableado actual de los automóviles es una red caótica que puede simplificarse enormemente utilizando diseños zonales. Las topologías zonales reducen el peso y el costo al utilizar menos conexiones de alta capacidad entre zonas en lugar de muchas conexiones punto a punto, lo que permite utilizar arneses de cables más pequeños.
- Mayor solidez: Menos UCE se traducen en menos puntos potenciales de fallo y superficies de ataque para amenazas cibernéticas. Con capacidades de procesamiento centralizado y compartición de recursos, las arquitecturas zonales ofrecen una mayor redundancia y una mejor seguridad, y hacen que los SDV sean más resistentes a fallos y intrusiones externas.
- Virtualización y contenerización: Las arquitecturas zonales allanan el camino para la virtualización, un cambio de juego en el desarrollo de software. Ahora, múltiples aplicaciones de software pueden ejecutarse en un solo controlador potente, aisladas entre sí mediante la tecnología de contenerización. Esto permite que las actualizaciones y adiciones de funciones creen un enfoque modular y sin problemas para la evolución del software.
- Actualizaciones OTA: Gracias a las arquitecturas zonales y la conectividad de alta velocidad, los SDV pueden evolucionar continuamente a través de actualizaciones por aire (OTA, por sus siglas en inglés). Los SDV pueden recibir mejoras de rendimiento en tiempo real, correcciones de errores e incluso funcionalidades completamente nuevas a través del aire, lo que los mantiene sintiéndose "nuevos" mucho tiempo después de la compra.
La conectividad de alta velocidad, que actúa como la autopista de la información de los SDV, genera aún más el potencial para las arquitecturas de vehículos de próxima generación. La mejora de la red aumenta la capacidad de ofrecer actualizaciones OTA continuas que mantendrán los SDV funcionando como nuevos durante años y permitirán modelos de ingresos recurrentes a través de suscripciones de software y experiencias de conducción personalizables.
Fundamentos virtuales de los SDV
Las arquitecturas zonales son el cerebro de los SDV, pero la verdadera magia reside en sus fundamentos virtuales. Así como una ciudad necesita una infraestructura robusta para soportar diversas actividades, los SDV dependen de tecnologías de virtualización como máquinas virtuales (VM) y contenedores para orquestar la sinfonía de software que los mantiene en funcionamiento.
Las máquinas virtuales (VM) proporcionan entornos de ejecución seguros y particionados para diversas cargas de trabajo de software. Esencialmente, las VM pueden funcionar como computadoras virtuales dentro de los controladores zonales centrales o semidistribuidos de los SDV, con cada VM dedicada a tareas específicas como el control del motor, la asistencia al conductor o el entretenimiento. Esta modularidad permite una multitud de beneficios:
- Eficiencia en el desarrollo: Las VM agilizan el desarrollo de software al aislar diferentes proyectos y funcionalidades. Los desarrolladores pueden trabajar en actualizaciones para una sección sin afectar a otras, lo que aumenta la eficiencia y reduce la complejidad de las pruebas.
- Escalado dinámico: Las VM se adaptan a las demandas cambiantes. Por ejemplo, una VM encargada de la navegación puede expandir dinámicamente sus recursos virtuales y aprovechar más potencia de procesamiento durante una navegación compleja para garantizar una experiencia de usuario sin interrupciones.
- Seguridad reforzada: En casos de consolidación extrema de carga de trabajo, las VM proporcionan una separación crucial para el software de criticidad mixta, donde funciones como el entretenimiento presentan riesgos más bajos que aquellas que controlan los frenos. Este aislamiento garantiza que un mal funcionamiento en una VM no afecte las operaciones críticas de otra, lo que mejora la seguridad general del sistema.
En resumen, las VM proporcionan un entorno de ejecución completo para el software. Los contenedores, por otro lado, son paquetes ligeros y portátiles que contienen todo lo necesario para ejecutar un módulo de software específico. Este enfoque ofrece significativas ventajas por sí mismo:
- Implementación y actualizaciones rápidas: Desplegar nuevas características o correcciones de errores se vuelve significativamente más rápido con los contenedores. Las actualizaciones pueden implementarse módulo por módulo, lo que minimiza el tiempo de inactividad y los riesgos potenciales.
- Escalabilidad entre modelos: Dado que los contenedores son independientes de la plataforma, la misma función contenerizada puede ejecutarse en diferentes plataformas de SDV, independientemente de las variaciones de hardware. Esto reduce drásticamente los costos de desarrollo y mantenimiento para los fabricantes de automóviles.
- Control y monitoreo centralizado: Con contenedores gestionados, los fabricantes de automóviles obtienen capacidades de control y monitorización centralizadas. Imagina tener un panel de control en tiempo real que muestre el rendimiento de cada módulo de software. Esto permitiría diagnósticos rápidos y respuestas coordinadas a amenazas de seguridad o fallos críticos.
La modularidad con VM y contenedores ayuda a los fabricantes de automóviles a adelantarse a la curva y optimizar sus operaciones. Con ellos, los SDV pueden incorporar fácilmente nuevos desarrollos de software y hardware. ¿Necesita actualizar su sistema de entretenimiento en el automóvil con las últimas características de IA? Simplemente cambie el contenedor correspondiente por una versión actualizada.
Esta adaptabilidad garantiza que la tecnología en el SDV se mantenga actualizada y se ajuste a los requisitos cambiantes de la industria, lo que mantiene a los fabricantes de automóviles a la vanguardia de la innovación automotriz. Estos desarrollos conducen al fin del paradigma convencional de las UCE y al surgimiento de una nueva era de automóviles flexibles, actualizables y en constante cambio.
SDV en la calle
Tesla es un fascinante estudio de caso que impulsa la industria al adoptar arquitecturas zonales y actualizaciones OTA. Por ejemplo, los automóviles Tesla Modelo S y X cuentan con una única computadora de alto rendimiento para la conducción totalmente autónoma (FSD) que maneja tareas que antes eran gestionadas por muchas UCE independientes. Esta arquitectura simplificada reduce el peso y la complejidad, y abre un mundo de posibilidades a través de las actualizaciones de software.
Imagine recibir una actualización OTA que mejora la autonomía de su Tesla en 10 millas de la noche a la mañana. Eso es exactamente lo que sucedió en 2020, lo que demostró el poder de las mejoras de rendimiento impulsadas por el software. Pero la ambición de Tesla va más allá del miedo a la autonomía. En 2022, introdujeron la función "Summon", que permite a los propietarios estacionar y recuperar sus autos de forma remota usando una aplicación para teléfonos inteligentes, una funcionalidad impensable en un vehículo definido por hardware.
Y Tesla no es el único protagonista en este juego. El nuevo sedán EQS de Mercedes-Benz emplea una arquitectura eléctrica modular que sienta las bases para futuras capacidades definidas por software. Volvo también adopta arquitecturas zonales, mientras que Toyota y GM están explorando activamente conceptos similares. El panorama automotriz global está cambiando, y los SDV están impulsando el cambio.
Más allá de los fabricantes de automóviles, los proveedores también están adaptándose. Empresas como NXP Semiconductors y Bosch están desarrollando controladores robustos y centralizados diseñados específicamente para arquitecturas zonales. Este próspero ecosistema fomenta la innovación y garantiza la infraestructura de hardware necesaria para que la revolución de los SDV prospere.
Conclusión
El surgimiento de los SDV marca un momento crucial en el panorama automotriz. Las arquitecturas zonales, con su procesamiento centralizado y diseño modular, desbloquean un futuro de innovación continua. Imagine vehículos que aprenden y se adaptan recibiendo actualizaciones personalizadas que mejoran las experiencias de conducción y ajustan el rendimiento a las necesidades individuales. Imagine autos que evolucionan con usted, no solo junto a usted, y se vuelven más innovadores, seguros y eficientes con el tiempo.
La capacidad de actualizar de forma remota sistemas críticos como los frenos y el software de prevención de colisiones promete mejorar significativamente la seguridad vial. Además, la optimización continua del rendimiento del motor y la gestión de la energía a través de actualizaciones de software pueden allanar el camino para un futuro de transporte más limpio y sostenible.
El camino por delante, sin embargo, no está libre de obstáculos. Garantizar la seguridad y confiabilidad de las actualizaciones de software es primordial. Los reguladores y los fabricantes deben trabajar juntos para establecer protocolos de ciberseguridad sólidos para estos vehículos conectados. Además, gestionar sistemas de criticidad mixta, donde funciones como el entretenimiento y los frenos tienen diferentes requisitos de seguridad, demanda soluciones de virtualización sofisticadas.
La evolución de los SDV aún se encuentra en sus primeras etapas, pero el potencial es innegable. Los avances continuos en el diseño de arquitecturas zonales, las tecnologías de conectividad de alta velocidad y las plataformas de desarrollo diseñadas específicamente para SDV acelerarán el ascenso de los vehículos autónomos y los servicios de automóviles conectados. Imagine un mundo donde los autos se comuniquen entre sí y con la infraestructura que los rodea de manera fluida, para crear una sinfonía de movilidad inteligente.