更快地制造更好的汽车

汽车制造商正在加快他们的芯片和电子设计进度，以在日益快速变化的市场中保持竞争力，但他们在工具、供应链和制造这些汽车的方法上遇到了差距。

虽然很容易想象CAD软件如何用于创建下一款新车的3d外观，以及模拟软件如何帮助开发人员优化下一款汽车芯片的PPA，但要将所有这些部件集成到一辆可以使用十年或更长时间的安全汽车中要困难得多。

这个过程的第一步是同步供应链，并定义不同的步骤，包括哪些可以同时完成，哪些需要连续完成。这促使汽车原始设备制造商及其供应商更深入地进行建模和仿真，使用虚拟平台开发软件。这在芯片领域是一个熟悉的概念，虚拟块通常用于在实际硬件不可用时替代实际硬件。然后，当硬件可用时，开发人员将返回模型并清理它。但在汽车这样对安全至关重要的市场，这种做法从未实现过。在汽车行业，持续不断的更新和改进需要根据严格的安全标准进行认证。

“这可能非常混乱，但它正在改变，”David Fritz观察到，混合和虚拟系统的副总裁西门子数字工业软件．“oem现在要求他们的一级和二级供应商以及承包商提供硬件模块的软件版本，也称为硬件在环(HIL)。这使得OEM无需实际硬件就可以使用虚拟平台进行设计。这不仅会加快设计过程，还会颠覆整个生态系统。供应链还不习惯这种情况。”

新设计趋势
汽车设计比消费电子产品设计耗时长得多。一款新车型的发布可能需要数年时间，虽然这比过去有所改善，但这不足以让汽车制造商在快速发展的汽车市场中保持竞争力。因此，整车厂希望进一步加快电动汽车、SDV和其他新型汽车的设计过程，因此项目计划现在包括并行和串行任务。

射频/微波产品高级产品营销经理David Vye表示:“工程团队及其执行管理团队已经采用了‘左移’的口号，将测试、质量和性能评估移至设计过程的早期，这是提高盈利能力和竞争力的可靠途径。节奏．“左倾的压力要求技术人员通过并行设计活动来缩短设计周期，并减少延迟交付的低效率设计。当团队等待其他团队开始他们的设计活动时，当设计师等待分析专家提供数据时，当分离的工具需要大量工程时间在点工具之间传输设计数据时，产品延迟就会发生。这是发生在芯片和IC封装团队之间的常见问题。”

然而，在汽车行业，这要困难得多，因为安全是最重要的问题。越来越多的设计团队必须关注将器件插入电子封装的电气和热影响以及由此产生的性能偏差。这就是虚拟原型和其他系统级分析和仿真工具适用的地方。

传统上，软件开发人员完成编码过程，然后在电子控制单元(ECU)或计算机上测试软件ADAS设备。如果没有这种或类似的硬件，软件开发人员就会无所事事。相比之下，硬件在环(HIL)实时模拟允许继续开发，因为硬件规格可以像真实硬件一样进行测试和验证。

更进一步，原始设备制造商现在要求一级和二级供应商和承包商提供包含ECU和ADAS设备实际硬件设计的软件模块。使用这种方法，oem可以创建一个完整的虚拟原型，至少在理论上，他们应该能够测试和验证完整的汽车设计。

“在过去，开发人员会添加新的ecu来解决特定的功能，”Marc Serughetti说，嵌入式软件解决方案和系统的高级总监Synopsys对此．一旦经过验证，ECU将集成到车辆的其余部分，以及具有CAN或LIN等通信网络的其他ECU中。”

但是要加快进度将离开这在消费类电子产品领域已经很困难了，在汽车行业更是难上加难，因为汽车行业的安全是最重要的。然而，这种整体设计周期太慢，无法满足客户对更方便和安全功能的日益增长的要求，错过一个市场窗口的代价是高昂的。

Serughetti表示:“因此，汽车原始设备制造商正在转向软件定义汽车。“这种方法需要新的E/E架构，例如带中央计算的区域控制器、基于以太网的通信，以及能够安全可靠地并行执行多项功能的新型汽车软件平台。此外，该架构需要轻松支持软件升级和更新，简化车辆维护，并为oem提供新的收入来源。仿真，使用数字双胞胎来验证这些更复杂的系统，已经成为将物理系统开发(包括机械和硬件)与软件开发分离的必要条件。使用模拟，开发人员可以在物理测试台架和骡子车辆可用性之前很好地验证。它们还提高了效率，因为模拟提供了更高的可见性和控制，并且可以轻松地部署来并行执行大量的测试场景。其结果是更早更简单的开发，更快地验证和部署新功能，以及更高质量的软件。”

图1:车辆的复杂性使得汽车设计具有挑战性。来源:节奏

从SoC到数字孪生
虚拟样机是一个复杂的过程，虽然它有很多好处，但实现起来可能很有挑战性。例如，您如何知道ECU在最终生产中是否能够完美运行?更重要的是，如何确保每个组件(soc、ecu、ADAS和CAN总线等内部专用网络)能够很好地协同工作，同时考虑时序、延迟、数据流、纠错等因素?

车辆内的数亿行代码必须无错误地运行。当一切都是实时运行时，如果出现软件故障会发生什么?这对高速公路上高速行驶的车辆有何影响?可靠的测试和验证至关重要。但是，即使来自不同供应商的ecu已经经过了成功的测试，将它们集成在一起也增加了另一层次的复杂性。

“单独测试ecu只是一个开始，”Fritz说。“这些微妙的问题需要花费最多的时间来发现和纠正，只有当所有ecu连接在一起并同时运行时，这些问题才会变得明显。这种同时操作对连接ecu的网络构成了压力。延迟是由于网络带宽限制而注入的。仲裁和长距离传输时间将增加延迟。使用刺激需要同步整个系统，并根据上下文评估每个ECU的输出。这就是场景的作用。它们为系统提供现实的刺激，并且系统中ecu的总输出可以在系统级别上进行评估。例如，车辆是否撞到了灯杆?最终方案将基于所有单独组件的运行情况进行评估，如ecu一起运行。”

最初，建模和仿真从SoC和模块上系统(SoM)开始，然后再包括ecu和ADAS。尽管一级或二级供应商设计和测试了许多这些组件，但原始设备制造商负有最终责任，以确保虚拟原型能够交付每个组件都能完美运行的车辆。最大的挑战是如何以最大的效率做到这一点，同时还能满足安全性和可靠性的要求。

大多数oem厂商都熟悉汽车SoC的设计和选择。下一步是优化ecu和ADAS，这是一个持续的过程。

Cadence的Vye表示:“当pcb采用建模工具设计时，汽车电子控制单元(ecu)可以从尺寸和重量的减轻中受益。”“这将使PCB微型化，具有细线多层衬底，盲孔和埋孔，微孔，衬底嵌入的无源和有源组件，以及可以折叠并安装到汽车外壳的刚性-柔性衬底，以针对汽车内部的特定空隙和空间。与机械CAD (MCAD)工具的集成确保了外壳和pcb的ECU协同设计。”

使用PCB、SiP和SoC结构创建的汽车ecu还必须适应车内恶劣的热和电磁工作条件。他说:“随着ecu之间和内部数据速率的急剧上升，这就需要仔细分析信号、功率和热完整性。”“ECU内SiP和PCB设计中内存和CPU之间的千兆赫通信，或ECU之间的网络通信，都受益于信号完整性(SI)分析，其中信号、电源和地面可以耦合并一起模拟。”

从大局来看，汽车行业正在从一个非常线性的模式转向一个更加协作的模式，原始设备制造商与供应商的互动和参与正在发生变化。Synopsys的Serughetti指出，oem正在半导体和软件领域进行更深入的互动，从而形成新的生态系统。

“虚拟车辆视觉可以实现这种集成和交互。建立虚拟车辆的技术需要在多个方面具有可扩展性。一个重要的问题是渐进式构建的可扩展性，其中来自不同供应商的虚拟ecu需要集成在一起，”Serughetti说。“虚拟车辆基础设施可用于促进这种垂直整合，从soc到ecu再到虚拟车辆。它实际上为原始设备制造商提供了很多价值。他们可以使用这个基础设施来确保ECU满足他们的要求。通过这种方式，他们的供应商可以很早就集成和验证ECU，无论是独立的还是在整个系统的上下文中。该过程有点像即插即用系统，您可以在现有系统中添加另一个ECU，但也可以评估不同的ECU或软件模块。”

根据多位专家的说法，目前还没有一种全面的工具可以让原始设备制造商购买现成的工具来对整辆汽车进行虚拟原型设计。这需要对单个组件或模块进行建模，并将这些单个组件集成到虚拟车辆中。最有可能的情况是，可能会使用不同的建模/仿真工具对各个组件建模。这将取决于模型的类型(表示的完整性和准确性)，这本身是由考虑中的验证用例驱动的。

例如，模拟车辆动力学与模拟ECU软件有不同的要求。类似地，如果需要一个非常精确的模型(在物理层)，这可能需要不同于只提供简单功能行为的非常高级的模型的技术。

Serughetti说:“模型将来自供应链的各个部分，不同的部分使用不同的工具。”“关键在于车辆层面。技术必须使用户能够将每个单独的组件模型及其相关的仿真技术结合起来，以构建虚拟车辆。功能模拟接口(FMI)等标准将在这里发挥关键作用。”

FMI是交换动态仿真模型的标准。这个免费标准定义了一个容器和接口，用于使用XML文件、二进制文件和C代码的组合(以ZIP文件的形式发布)交换动态模型。版本3.0于2022年5月上映。]

数字的双胞胎
最终，整车厂将使用数字双胞胎(DT)之类的技术，这在汽车领域相对较新，仍在不断发展。汽车业界对DTs有不同的看法。

公司解决方案和业务发展副总裁Frank Schirrmeister说:“这是《指环王》的反面。Arteris IP．“可能永远不会有一款模拟游戏能够统治所有游戏。开发团队在项目期间使用不同的工具来模拟不同的范围。“分而治之”的方法并没有消亡，因为用户可以实际模拟的范围和复杂性很大程度上取决于模拟的保真度等方面;受影响的领域-电子学、力学等;使用模型的类型——架构分析、对功率、成本和其他特性的优化、功能验证、软件开发等等;还有很多其他的。”

有些人认为任何允许在项目的各个阶段模拟设计的开发平台都是一个'数字双．’

Schirrmeister说:“定义通常包括模拟、仿真和基于fpga的原型。然而，它的目的延伸到产品的生命周期，如预测性维护，不同类型的增产措施可能更适合。我曾见过一些案例，在产品生产前，数字双胞胎会重现产品生命周期中发现的缺陷。”

对于原始设备制造商来说，汽车可能看起来像一个系统，但更准确地说，它是一个由子系统组成的系统。“这些子系统中的许多都以异构电子模块的形式出现，由于半导体和集成技术的潜在进步，这些子系统不断发展，以更小的占地面积支持更好的传感、计算和通信性能。这些高度复杂的模块仍然依赖于专门的设计、分析和实现工具，这些工具在计算上比前几代EDA更加强大和集成。通过在数字双胞胎的背景下采用设计内分析和设计平台互操作性，原始设备制造商将能够在实际水平上模拟整个车辆的功能。”

设计时要考虑安全，保证安全
随着数字双胞胎以及对车辆内每个组件的许多功能和交互的软件模拟不断发展，成为汽车的最终虚拟原型解决方案，在汽车设计过程中不可忽视的一个关键部分是对功能安全和网络安全的需求。

Thierry Kouthon，安全IP的技术产品经理Rambus指出了采用综合安全方法的重要性。Rambus的CryptoManager Root of Trust (RT-640)是一款通过ASIL-B认证的安全处理器。ASIL-B认证级别意味着即使IC出现故障，RT-640也能正常工作，只要故障出现的概率低于一定水平。选择的完整性级别ASIL-B表示概率。我们主要使用两个工具来确保CryptoManager信任根(CMRT)的行为符合预期。第一个工具提供了Diagnostic Coverage结果，用于衡量系统检测所有故障的有效性。诊断覆盖考虑了CMRT的所有组成部分，并度量了现有的安全机制是否能够检测到其中的故障。第二个工具提供故障活动，并可以通过使用CMRT电路的精确表示来完全模拟CMRT的功能。它在CMRT中人工模拟故障，并检测它们是否得到了适当的处理。使用这两种工具，我们可以向审计师展示我们设计的可行性。”

关于功能安全和ISO 26262Kouthon指出，根据地理位置的不同，汽车设计要求制造商建立能够实现功能安全的系统，旨在降低在汽车中使用复杂电子系统时的故障风险。

Kouthon表示:“用于汽车应用的半导体面临着温度、湿度和振动等环境挑战。“此外，制造商正在设计更复杂的集成电路，采用收缩几何形状。所有这些因素都会增加故障的风险。功能安全性是这些系统的一项属性，可以使用ISO 26262标准中描述的方法进行评估。功能安全对于降低危害机动车乘客和车辆附近其他人的风险，以及事故对其他车辆、路边财产和附近基础设施造成损害的风险至关重要。功能安全在欧洲和其他地区具有重大的法律后果，因为它涉及产品责任。在许多司法制度中，制造商只有在能够证明该制度无法根据制造时存在的科学和技术状况来防止故障时，才能避免产品责任。ISO 26262标准引入了安全完整性等级，以减轻车辆设备故障的四类风险等级(从A到D, D为最高，A为最低)，基于对财产的潜在损害和对乘员的危害。”

遵守ISO 26262对oem制造现代汽车的方式产生了强烈的影响。“他们需要在设计中引入纠错方案、测试序列、冗余和许多其他机制，以确保车内电子设备的故障概率低于ISO 26262标准设定的阈值。如果不这样做，可能会导致车辆召回和法律诉讼，”他说。

Arteris IP的Schirrmeister对此表示赞同。“开发人员将模拟和测试各个方面，包括安全性、安全性和功能，在定义的场景、功耗、热效应等情况下进行测试。同样，没有一种工具可以覆盖所有内容，甚至对于特定的使用模型(如验证)，团队将根据所需的保真度使用不同的工具——基于软件的模拟、仿真、原型等等。这就是为什么用户要求IP供应商提供不同保真度的模型，一些将内存访问抽象为单个透明事务，另一些则对NoC的特定性能方面进行建模。”

其他挑战和未来
随着虚拟原型技术的成熟，原始设备制造商也必须应对来自软件重用和更新的挑战。随着新的特性和功能被添加到车辆中，重用现有的、经过验证的软件代码是有益的。这些代码可能散布在车辆各处，例如在ecu和ADAS中。如果对原始代码进行了更新，那么将更改应用于整个过程将非常重要。在接下来的几年里，今天的数百万行代码将会成倍增长。想象一下跟踪所有变化的负担。此外，更新信息将通过空中发送给道路上的车辆。除非记账方法正确，否则后果不堪设想。

汽车行业发展缓慢是有原因的。与消费品不同，汽车要在路上行驶很长时间。设计过程中必须考虑许多因素，比如功能安全，这是最重要的。软件和电子设备的加入肯定会增加设计的复杂性。一方面，原始设备制造商希望加快设计过程，但另一方面，一体化、现成的虚拟原型设计工具的可用性可能需要时间。