Прогнозите за загубите на световното производство на автомобили заради продължаващия недостиг на полупроводникови компоненти продължават да растат. През месец януари аналитиците прогнозираха, че заради този дефицит ще бъдат произведени милион и половина автомобили по-малко, а към месец април тази година това прогнозно число бе увеличено до над 2,7 милиона бройки. Нещо повече, през месец май се разбра, че ще бъдат произведени около 4,1 милиона автомобила по-малко.
Дефицитът на полупроводници съвсем ясно показа колко е крехка веригата за доставки нa необходимите компоненти за автомобилите, като едновременно с това привлече вниманието на хората към десетките скрити компютърни системи, които са вградени в днешните автомобили.
„В нито една друга сфера не се наблюдават толкова бързи технологични промени, както в автомобилната промишленост“ – каза Зоран Филипи (Zoran Filipi), ръководител на катедрата по автомобилно инженерство в Международния център за автомобилни изследвания на университета Клемсън. „Това се дължи най-вече на въвежданите все по-строги критерии относно изхвърляния в атмосферата въглероден диоксид и другите вредни емисии“.
През следващите години ще има още по-големи промени, понеже все повече автомобилни производители ще бъдат принудени да се откажат от своите автомобили с двигатели с вътрешно горене за постигане на поставените глобални цели относно предотвратяване промените в климата, и ще трябва да ги заменят с електромобили (EV), които в крайна сметка могат да работят напълно автономно, благодарение на големите успехи постигнати в роботизацията и при алгоритмите с елементи на изкуствен интелект.
През последното десетилетие разработването на най-различни транспортни средства бързо прогресира, но полупроводниковите компоненти, използвани в автомобилите се увеличават още по-бързо:
Наблюдава се интересна тенденция за увеличаване броя на чиповете използвани в автомобилите, за работата на които е необходим специализиран софтуер.
„Преди време софтуерът беше само част от автомобила. Сега неговото програмно осигуряване определя неговата себестойност“ – отбеляза Манферд Брой (Manfred Broy), професор по информатика в Техническия университет на Мюнхен и водещ експерт по специализиран софтуер за автомобилите. „Днес най-вече от софтуера зависи дали един автомобил ще бъде успешен на пазара, докато неговата цялостна механика остана на втори план“.
Професор Брой допълва, че към днешен почти всички иновации в сферата на автомобилната промишленост, се дължат или поне са свързани със софтуера. Нека се замислим.
Преди десет години единствено автомобилите от най-висок клас имаха по 100 електронни модула за управление, включващи процесор или друг специализиран чип. Те работеха, а и сега работят в рамките на една обща мрежа в купето на автомобила, за което бяха необходими около 100 милиона реда сорс код. Днес, автомобилите от висок клас, като например BMW от седма серия, в който се използват най-нови технологии, предлагащи усъвършенствани системи за помощ на водача (ADAS) имат по 150 и дори повече електронни модула за управление, а в пикапите като Ford F-150 например, се използва софтуер от над 150 милиона реда сорс код. Дори и по-евтините автомобили вече наближават 100 електронни модула за управление, за които са необходими приблизително 100 милиона реда код, понеже все повече функции, които преди време се считаха за голям лукс, сега са включени в адаптивния круиз контрол (ACC) и автоматичното внезапно спиране, сега вече са утвърден стандарт.
Допълнителните функции за осигуряване на по-висока безопасност, които в ЕС са на практика задължителни още от 2010 година, каквито са например електронния контрол на устойчивостта, резервните камери и автоматичното екстремно повикване (eCall), както и много по-строгите стандарти за отделените вредни емисии, които ДВГ автомобилите вече трябва да спазват, водят до използването на най-иновационна електроника и специализиран софтуер, което разбира се води до увеличаване на компютърните модули и до разрастване на програмното осигуряване.
Според аналитичната компания Deloitte Touche Tohmatsu Limited, към 2017 година полупроводниковите електронни системи съставят до около 30% от себестойността на новия автомобил. Това е двойно повече в сравнение с 2007 година. Според анализите на тези експерти, към 2030 година този дял ще достигне 50%. Специалистите на Deloitte Touche Tohmatsu Limited подчертават, че към днешен ден във всеки нов автомобил са поставени полупроводници за около $600, като това са почти три хиляди чипа от най-различен вид.
Броят на компютърните модули и на софтуера за тях само намекват за сложната електронна оркестрация и софтуерна хореография в новите автомобили. Ако се замислим, че всички тези компоненти трябва да работят заедно, можем да разберем необичайно голямата сложност, която трябва да остане невидима от гледна точка на водача. Новите функции за безопасност, комфорт, производителност и развлечения правят новите автомобили по-привлекателни на пазара, като производителите предлагат голям брой конфигурации за своите нови автомобили. Всичко това води до голям брой варианти за всяка марка и всеки модел, а в последно време виждаме напредъка в автономните автомобили и масовото използване на алгоритми с елементи на изкуствен интелект. Това са милиони редове сорс код, които трябва да бъдат написани, проверени, настроени и защитени от хакерите, като по този начин автомобилите се превръщат в суперкомпютри на колела и принуждават автомобилната промишленост бързо да се адаптира. Но дали това наистина е възможно?
Различните конфигурации усложняват конструкцията
През последните две десетилетия стремежът да се предостави на купувача колкото се може повече функции по безопасност и за развлечения превърна автомобилите от обикновено средство за придвижване от едно място на друго в мобилни изчислителни центрове. Вместо сървърни шкафове и високоскоростни оптични връзки се използват компютърни изчислителни устройства, които чрез снопове от проводници прехвърлят данните из целия автомобил, както и извън неговите предели. Може да се каже, че само докато отидете до най-близкия магазин, във вашия автомобил непрекъснато се изпълняват десетки милиони реда код.
Към края на 2020 година Volvo Cars използва комплект от 120 електрони блока за управление (electronic control units, ECU), които изграждат една системна архитектура, присъстваща във всеки автомобил на Volvo. Сорс кодът за работата на тази архитектура включва десетки милиони условни преходи, както и над три милиона функции.
Големината и типа на програмното осигуряване за всеки ECU силно се различават в зависимост от неговите изчислителни възможности и функции. Ако преди десетина години една трета от софтуера на един типичен електронен блок за управление бе предназначена за осигуряване предимно на комфорт, то сега повече от половината програмно осигуряване на всеки ECU е критично важно за безопасността.
Какви точно ECU и какъв специализиран софтуер ще използва Volvo зависи от няколко фактора. Тази компания, както и всички производители на автомобили, предлагат на пазара няколко конфигурации на всеки модел, които са предназначени за различни пазарни сегменти. Съвсем същия модел, който се продава в Швеция може осезателно да се различава от модела, който се продава в САЩ. Нещо повече, има най-различни регионални нормативни изисквания на които всеки един автомобил трябва да съответства и дори всеки един купувач вече може да избира една или няколко допълнителни функционалности, като например използване на допълнителни електродвигатели, какво да бъде задвижването, по какъв начин да бъде осигурена безопасността на пътуващите и други подобни. Конкретната конфигурация определя точния брой и типа на използваните ECU, софтуера и допълнителната електроника, които ще бъдат вградени в съвременното транспортно средство, като всичко това трябва да работи безпроблемно.
Не е за учудване, че за поставянето, включването и осигуряването на захранването на всички ECU, сензори и други електронни устройства са необходими голям брой проводници и ръчен труд, за да могат тези снопове от кабели да преминат през цялото купе. Хиляди снопове от проводници поддържат индивидуалната настройка на автомобила и са обединени в няколко физически мрежови шини за обмен на данните.
Физическата електронна архитектура на автомобила създава редица ограничения при проектирането, с които специалистите непрекъснато се борят. Някои ECU трябва да се намират близо до сензорите и изпълнителните механизми, с които взаимодействат. Това са например ECU за управление на спирачната система и за работа на двигателя. В резултат от това автомобилната оплетка от кабели, които свързват хиляди компоненти, включва над 1500 проводника с обща дължина 5000 метра и тегло над 68 кг.
За осигуряване на съвместната работа на всичката електроника в съвременния автомобил, което изисква значителни усилия, време и пари, не е възможно преди началото на производството да бъде осъществено цялостно тестване на всички възможни комбинации от ECU. Редица автомобилни производители имат стотици хиляди потенциални комбинации при сглобяването на само един конкретен модел. За да може реално да бъде проверена всяка комбинация от електроника, която е възможна в някои модели съвременни автомобили, са необходими над един милиард стендове. В лабораториите могат да бъдат тествани само няколко десетки комбинации от ECU, при което не се налага създаването на уникален автомобил за всеки един отделен случай.
Антивирусна за автомобила
Управлението на различните конфигурации на автомобилите се усложнява от това, че почти всички използвани ECU и специализиран софтуер се доставят от външни компании, които просто изпълняват поръчки и осигуряват необходимата функционалност. В края на миналата година Volkswagen съобщи, че само 10% от неговия софтуер е разработен от неговите специалисти. Останалите 90% са доставени от други компании, които използват различни операционни системи и различни програмни езици, което очевидно добавя още едно ниво на сложност.
Още веднъж да напомним, че преди 10 години софтуерът за транспортните средства бе разработен специално за осигуряване на по-голям комфорт. Безопасността бе на второ място. В наши дни над 7000 външни сигнала от различните сензори се подават към около 120 ECU на автомобилите например, на Volvo. Вътрешните комуникации в тези автомобили са над 100 пъти повече. Според аналитичната компания McKinsey & Company, тази информация често прехвърля 25 GB в час.
Правителствата на почти всички държави започнаха да се съобразяват с това и възлагат на автомобилните производители редица задължения за осигуряване на кибербезопасността на автомобилите. Това са наличието на сертифицирана система за управление на кибербезопасността (cybersecurity management system, CSMS), която изисква от всеки един автомобилен производител задължително да демонстрира своята структура на системата за откриване, анализ и защита от уязвимост и и кибератаки.
Освен това, ОЕМ производителите трябва да осигурят надеждна система за управление обновяванията на програмното осигуряване. Вече се налага автомобилните производители да имат база данни на всички софтуерни модули, използвани във всеки ECU, както и воденето на журнал с историята на обновяванията, включващ различните версии, и който трябва да се води докато автомобилът е в движение. Тази спецификация на програмното осигуряване ще даде възможност на автомобилните производители бързо да открият, кои точно ECU и кои конкретни автомобили ще бъдат засегнати от някоя новооткрита уязвимост.
Очевидно е, че софтуерът играе все по-голяма и по-важна роля в съвременния автомобил и вече до голяма степен определя неговата себестойност. Автомобилните концерни имат все по-голяма нужда от много добри програмисти, а механиката в автомобила остава на заден план. Тази тенденция явно ще продължи и автомобилният софтуер ще става все по-сложен.