Virtualização e o Carro Definido por Software

Tecnologias Modulares Impulsionam um Caminho de Atualização para Veículos Definidos por Software

Brandon Lewis para Mouser Electronics

Fonte: CYBERUSS/stock.adobe.com

Os veículos modernos são maravilhas da engenharia, integram características e funcionalidades que eram inimagináveis há poucos anos. No entanto, por trás do exterior elegante existe uma complexidade crescente com um desafio significativo para o futuro do setor automotivo: a procura cada vez maior de cálculos a bordo dos veículos e as respectivas implicações para as unidades de controle eletrônico (ECUs).

ECUs são computadores especializados que controlam muitas tarefas de segurança críticas e não críticas de um veículo. Por exemplo, a maioria dos carros hoje tem uma ECU que controla o motor, outra que gerencia os freios, outra que controla os sistemas de entretenimento e assim por diante – todas conectadas por cabos, fios e software que constituem o sistema nervoso de um carro.

Embora permita recursos avançados, essa rede complexa apresenta desvantagens. O grande número de ECUs e suas interdependências resultam em um labirinto de conexões cabeadas. Isso adiciona peso e custo ao sistema e aumenta a complexidade da integração, complica o desenvolvimento de software e limita a capacidade de implementar e gerenciar atualizações de firmware pelo ar (FUOTA). Sem recursos como FUOTA, os fabricantes de veículos precisam realizar visitas dispendiosas às concessionárias e os proprietários estão sujeitos a períodos longos de inatividade dos veículos.

A boa notícia é que a era dos veículos definidos por software (SDVs) está mudando tudo no negócio automotivo, incluindo ECUs e arquiteturas de processamento automotivo.

Os Causadores da Revolução de SDV

A evolução em direção a SDVs não é apenas uma mudança de software; é uma reestruturação profunda da arquitetura interna do veículo. No centro desta revolução está o conceito de consolidação da ECU, a reavaliação do controle do veículo e das hierarquias de processamento que impulsionam reduções de custos e melhorias de desempenho, além de abrir um futuro de atualizações contínuas dos veículos por meio de atualizações de software.

Uma das inovações resultantes do movimento de consolidação da ECU é a utilização de arquiteturas distribudas ou a subdivisão de vários subsistemas de veículos em áreas de funcionalidade relacionada. As arquiteturas distribuídas abordam os desafios da atual expansão da ECU ao dividir os sistemas do veículo em áreas distintas. Cada área é gerenciada por um controlador potente que consolida a funcionalidade de múltiplas ECUs legadas em seu domínio e é responsável por subsistemas específicos, como alimentação dos motores, chassi ou infoentretenimento.

Esta abordagem modular oferece vários benefícios:

• Complexidade Reduzida, Fiação Elétrica Simplificada: a fiação elétrica atual dos carros é uma rede caótica que pode ser bastante simplificada com os layouts de área. As topologias de área reduzem o peso e o custo por meio de número menor de conexões de alta largura de banda entre elas, em vez de muitas conexões ponto a ponto; isto resulta em chicotes elétricos menores.
• Robustez Aprimorada: menor número de ECUs significa menos pontos potenciais de falha e superfícies de ataque para ameaças cibernéticas. Com o processamento centralizado e recursos de compartilhamento, as arquiteturas distribudas oferecem maior redundância e maior segurança, tornando os SDVs mais resilientes a falhas e invasões externas.
• Virtualização e Conteinerização: as arquiteturas distribuídas abrem caminho para a virtualização, uma virada de jogo no desenvolvimento de software. Vários aplicativos de software podem ser executados em um único controlador potente, isolados uns dos outros por meio da tecnologia de conteinerização. Isso permite atualizações e inclusões de recursos para criar uma abordagem modular e contínua para a evolução do software.
• Atualizações OTA: graças às arquiteturas distribuídas e à conectividade de alta largura de banda, os SDVs podem evoluir continuamente por meio de atualizações sem fio (over-the-air OTA). Os SDVs podem receber melhorias de desempenho em tempo real, correções de bugs e até mesmo funcionalidades totalmente novas pelo ar, mantendo a aparência de "novos" por muito tempo após a compra.

A conectividade de alta largura de banda, atuando como a autoestrada da informação do SDV, libera ainda mais o potencial das arquiteturas de veículos da próxima geração. A rede melhorada aumenta a capacidade de fornecer atualizações sem fio (OTA) contínuas, que manterão os SDVs funcionando como novos por anos e desbloquearão modelos de receita recorrentes por meio de assinaturas de software e experiências de direção personalizáveis.

Bases Virtuais dos SDVs

As arquiteturas distribuídas são o cérebro dos SDVs, mas a verdadeira magia está em suas bases virtuais. Assim como uma cidade precisa de uma infraestrutura robusta para comportar diversas atividades, os SDVs dependem de tecnologias de virtualização, como máquinas virtuais (VMs) e contêineres, para orquestrar a sinfonia de software que os mantém em operação.

As VMs fornecem ambientes de execução particionados e seguros para diversas cargas de trabalho de software. Essencialmente, as VMs podem atuar como computadores virtuais dentro dos controladores de áreas centrais ou semi-distribuídos do SDV, com tarefas específicas a cada VM dedicada como, controle do motor, assistência ao motorista ou infoentretenimento. Essa modularidade oferece inúmeros benefícios:

• Eficiência de Desenvolvimento: as VMs agilizam o desenvolvimento de software isolando diferentes projetos e funcionalidades. Os desenvolvedores podem trabalhar nas atualizações de uma seção sem afetar outras, aumentando assim a eficiência e reduzindo a complexidade dos testes.
• Dimensionamento Dinâmico: as VMs são adaptadas às demandas em constante mudança. Por exemplo, uma navegação de manuseio de VM pode expandir dinamicamente seus recursos virtuais e consumir mais potência de processamento durante uma navegação complexa para garantir a experiência perfeita do usuário.
• Segurança Intensificada: em casos de consolidação extrema da carga de trabalho, as VMs oferecem uma separação crucial para software de criticidade mista, nos quais funções como entretenimento representam riscos menores do que as de controle de freios. Este isolamento garante que uma falha em uma VM não afete as operações críticas de outra, melhorando a segurança geral do sistema.

Resumindo, as VMs fornecem um ambiente de execução completo para software. Os contêineres, por outro lado, são conjuntos leves e portáteis que integram tudo o que é necessário para a execução de um módulo de software específico. Esta abordagem oferece vantagens significativas próprias:

• Implementação e Atualizações Rápidas: a implementação de novos recursos ou as correções de bugs são significativamente mais rápidas com contêineres. As atualizações podem ser implementadas em um módulo por vez, minimizando as paradas e os possíveis riscos.
• Escalabilidade Entre Modelos: como os contêineres são independentes de plataforma, a mesma função conteinerizada pode ser executada em diferentes plataformas de SDV, independentemente das variações de hardware. Isso reduz drasticamente os custos de desenvolvimento e manutenção para as montadoras.
• Controle e Monitoramento Centralizado: com contêineres gerenciados, as montadoras ganham recursos centralizados de controle e monitoramento. Imagine dispor de um painel que mostre em tempo real o desempenho de cada módulo de software. Isto permitiria diagnósticos rápidos e respostas coordenadas a ameaças à segurança ou a falhas críticas.

A modularidade com VMs e contêineres ajuda as montadoras a manter a vanguarda e simplificar suas operações. Com isso, os SDVs podem incorporar facilmente novos desenvolvimentos de software e hardware. É necessário atualizar seu sistema de entretenimento automotivo com os recursos de IA mais recentes? Basta trocar o contêiner correspondente por uma versão atualizada.

Esta possibilidade de adaptação garante que a tecnologia de SDV esteja sempre atualizada e ajustada às novas exigências do setor, mantendo os fabricantes de automóveis à frente da inovação automotiva. Esses desenvolvimentos levam ao fim do paradigma convencional da ECU e ao surgimento de uma nova era de automóveis flexíveis, atualizáveis e em constante mudança.

SDVs no Trânsito

Tesla é um estudo de caso interessante sobre como impulsionar o setor por meio da adoção de arquiteturas distribuídas e atualizações OTA. Por exemplo, os carros Tesla Model S e X oferece um único computador que conduz o automóvel - Full Self-Driving (FSD) de alto desempenho que processa tarefas anteriormente gerenciadas por muitas ECUs independentes. Essa arquitetura simplificada reduz o peso e a complexidade e abre infinitas possibilidades por meio de atualizações de software.

Imagine receber uma atualização OTA que melhore o alcance do seu Tesla em 16 quilômetros durante a noite. Foi exatamente isso que aconteceu em 2020, demonstrando o poder das melhorias de desempenho orientadas por software. Mas a ambição da Tesla vai além do desejo de alcance. Em 2022, eles introduziram o recurso "Summon", que permite aos proprietários estacionar e retirar seus carros remotamente usando um aplicativo de smartphone – funcionalidade não imaginável em um veículo definido por hardware.

Mas a Tesla não está só. O novo sedã EQS da Mercedes-Benz integra uma arquitetura elétrica modular, firmando as bases para futuros recursos definidos por software. A Volvo também adota arquiteturas distribuídas, enquanto a Toyota e a GM exploram ativamente conceitos semelhantes. O cenário automotivo global está mudando e os SDVs estão impulsionando a mudança.

Além das montadoras, os fornecedores também estão se adaptando. Empresas como a NXP Semiconductors e a Bosch estão desenvolvendo controladores robustos e centralizados, projetados explicitamente para arquiteturas distribuídas. Este ecossistema próspero promove a inovação e garante a infraestrutura de hardware necessária para que a revolução dos SDVs prospere.

Conclusão

A ascensão dos SDVs marca um momento crucial no cenário automotivo. As arquiteturas distribuídas, com processamento centralizado e projeto modular, abrem um futuro de inovação contínua. Imagine veículos que aprendem e se adaptam, recebendo atualizações personalizadas que melhoram as experiências de condução e adaptam o desempenho às necessidades individuais. Imagine carros que evoluem ao mesmo tempo com você, tornando-se a cada dia mais inovadores, mais seguros e mais eficientes.

A capacidade de atualização remota de sistemas críticos, como freios e software anticolisão, promete melhorar significativamente a segurança no trânsito. Além disso, a otimização contínua do desempenho do motor e do controle de energia por meio de atualizações de software pode abrir caminho para um futuro de transportes mais limpos e sustentáveis.

No entanto, o futuro não está livre de obstáculos. Garantir a segurança e a confiabilidade das atualizações de software é fundamental. Os reguladores e os fabricantes precisam atuar em conjunto para definir protocolos robustos de segurança cibernética para os veículos conectados. Além disso, o gerenciamento de sistemas de criticidade mista, nos quais funções como entretenimento e frenagem têm requisitos de segurança diferentes, exige soluções sofisticadas de virtualização.

A evolução dos SDVs ainda está em fase inicial, mas o potencial é inegável. Os avanços contínuos no projeto da arquitetura distribuída, nas tecnologias de conectividade de alta largura de banda e nas plataformas de desenvolvimento adaptadas especificamente para os SDVs, irão acelerar o crescimento dos veículos autônomos e dos serviços de automóveis conectados. Imagine um mundo em que os carros tenham comunicações contínuas entre si e com a infraestrutura ao seu redor, criando uma sinfonia de mobilidade inteligente.