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汽车设计新方法

原始设备制造商使用基于模型的系统工程转向可执行规范。

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提高汽车自动化程度的努力正在推动电子产品开发的新方法。现在的重点不是设计单个组件,而是在上下文中建模。

最终目标是基于业界接受的标准创建一个可执行的规范,具有足够的灵活性,以便能够为不同的客户定制该规范。这是一项艰巨的工程挑战,在大多数情况下,汽车是目前最复杂的电子设计项目。

相比之下,为飞机制造电子设备要比为自动驾驶汽车制造电子设备容易得多。汽车中的逻辑和复杂软件的数量是飞机的10倍。汽车设计汇集了各种形式的技术,并推动所有这些技术一致地向前发展。

其中一个关键方法是基于模型的系统工程(MBSE)数字的双胞胎通过扩展。这并不是什么新技术,它们在过去已经被用于航空航天和汽车领域。但它们正在迅速发展,以应对日益复杂的自动驾驶汽车。

福特汽车营销副总裁库尔特•舒勒说:“如果你想制造防抱死制动系统或挡风玻璃清洗机之类的东西,这相对简单,你不需要花太多时间在这些工具上,就能想出那个模型。Arteris IP.“但是,一旦你遇到一些非常复杂的东西,比如芯片上的系统——就像创建SystemC模型或类似的东西一样——你可能会花更多的时间在RTL上,或者写RTL的规格、RTL规格的需求和用例,或者SysML模型上。”

MBSE远非简单。Shuler说:“在其他领域,有一些自动化、重用等。“如果你想为这些半导体设计得到一个非常详细的模型,这将需要大量的工作和时间。当你拥有它的时候,可能已经不值得了。这些工具来自于大型机软件工程类型的工具。它是UML,上面有一些系统的东西,而且有很多相同的供应商。而且,目前还没有好的开源工具。”

但人们认为这种方法越来越有必要。“你不能等RTL嵌入式软件解决方案公司产品营销高级总监Marc Serughetti说:“你不能等到网络列表可用时才看功率。Synopsys对此.“你需要更早地分析这些,你需要在使用它的背景下分析。这就是为什么我们在架构设计中谈论工作负载,这些工作负载模型是由SoC将如何使用以及SoC上的负载定义的,所以你可以探索SoC,并有一个可以跨团队使用的可执行规范。”

MBSE特别吸引人的地方是寻径的能力。Serughetti说:“这种早期分析和对这些系统的探索,以及团队之间的沟通能力,都具有动态的方面。”“随着汽车平台变得越来越复杂,软件也越来越多。有很多人参与开发系统——可能是SoC供应商、原始设备制造商、一级供应商或软件公司。编写一个Word文档并交换它的旧概念不再适用。这就是您需要可执行规范的明确原因,并且您必须能够共享可执行规范,因为这是人们查看规范的最佳方式。现在的系统太复杂了,人们无法用一张纸来理解它是如何工作的,以及它需要如何执行。”

其他人也同意。“如今,我们有能力也需要在非常高的水平上对系统进行建模,并在很早就对它们进行建模,”西门子解决方案营销高级集团总监Frank Schirrmeister说节奏.“有趣的问题是,当你从一个阶段过渡到另一个阶段时,这些阶段是如何联系在一起的,你在早期可以为此付出多少努力?看看这一切是如何结合在一起的是非常有趣的。你希望有一个流程,但从一个流程到另一个流程的步骤有时很困难,这取决于应用程序领域,不管它是否真的有意义。”

在20世纪90年代末,业界曾努力将SysML连接到SystemC,但问题仍然存在,它如何很好地连接到实现流中?

“我们会不会走到这样的地步:只要把一个规格放进黑匣子,系统和芯片就出来了?”这是一个正确的问题。”“我们是否真的将任何东西从前端连接到实现流程?我们能不能把需求说明书放到这个黑盒子里然后取出一个芯片什么的?答案是,可能不会。这是一种改进,而且模型具有相当大的挑战性。”

保持较高的抽象层次会有所帮助,Shuler说。“这就是为什么使用一些物理系统会更容易一些。移动部件更少,但一旦进入半导体领域,就变得困难起来。我和一些人谈过ISO 26262事件来尝试理解人们在做什么,因为我想在这是什么之前有一个更正式的定义。但其中一个问题是,你可能会陷入一个兔子洞,从字面上设计产品,而不仅仅是提出产品的需求。理想情况下,您希望提供足够的前期需求,也许还有一些用例来描述最终结果,同时给工程团队大量的时间来发挥创造力。当你在一开始就把事情定义得太详细时,你最终所做的就是一个传统的瀑布式过程。我们没有创新的空间。”

大局观,新挑战
EDA供应商越来越多地参与交付整个soc的交钥匙项目,并作为顾问参与,这意味着他们需要了解整个系统。由于大众汽车等公司正在建造自己的soc,这些设计通常利用了Arm、Synopsys、Cadence、西门子等公司的知识产权。

Synopsys的技术人员伯恩哈德·鲍尔(Bernhard Bauer)表示,由于自动驾驶和自动驾驶在未来将由一个芯片实现,这意味着我们对这些“怪物芯片”有巨大的复杂性。他指出,原始设备制造商倾向于以标准化的方式对不同的功能进行建模。

不同的原始设备制造商在实施基于模型的汽车开发方面处于不同的阶段。Serughetti说:“基于模型的开发需要记住的一个方面是,有不同的路径,可能会有不同的车辆虚拟表示。”“例如,在整个虚拟车辆概念中,可以有不同的抽象级别,例如当有一个SoC的虚拟原型模型时,软件可以在其上运行。也有提供系统级抽象的技术。所以有很多种方法来组合虚拟车辆的模型。这里的挑战是更高层次的。工程团队希望验证功能的功能。他们不太关心这些活动中的底层硬件。但其他团队可能希望将多个虚拟原型与底层软件结合在一起,因为他们感兴趣的是规格,以及当涉及到多个ecu相互通信时如何验证规格,以及如何使用这些模型进行开发。”

Bauer指出,鉴于在自动驾驶领域,oem之间的竞争关系非常激烈,赢得竞争的将是汽车的整体概念,而不是背后的模型。“随着时间的推移,这一模式将变得统一,但目前一些原始设备制造商,尤其是欧洲的原始设备制造商,仍然只有一半意识到这一模式的重要性。在这个模型中,车辆的特定行为可以被配置。最重要的方面是基于模型的系统需求,除此之外,还有基于模型的系统架构。大多数人说,需求指示必须做什么,而架构指示必须如何做。还有一些人希望在每个功能和技术层面上都有一个模型来描述必须做什么,并结合第二个层面来说明应该如何做。总的来说,最重要的是捕捉所有自主行为所涉及的动力学。基于模型的方法是记录和建模所有特性的动态的唯一可能。否则,您无法满足预期功能的强烈安全要求(SOTIF),或者需要构建的不同soc的性能。”

然而,这种类型的开发是非常具体的应用程序,汽车原始设备制造商可能是采用者,因为他们专注于标准和标准化的开发方法。

Schirrmeister说:“某些行业比其他行业更关心它,因为它成为了可预测性和可重复性的问题。”“你可以自动化高级合成,通过自动化,您可以使该过程可重复地从高级描述到低级描述。这实际上是在航天领域占主导地位的东西。在航空航天和汽车领域,人们比在其他领域更愿意构建和自动化。原因不是上市时间或速度,而是流程的可重复性。他们希望从更高层次的描述自动生成软件,然后不必修改软件本身,而是更改高级描述并得到这个流程。”

MBRE vs MBSE
MBSE的一个新变种是基于模型的需求工程(MBRE)。它是基于汽车原始设备制造商的反馈而开发的。他们说,虽然MBSE在概念上是有意义的,但太复杂了,不能反映他们的团队是如何工作的。

“我来自半导体行业,我想,‘这有什么大不了的?我们为所有东西建模,所以当你真正实现一个芯片时,你用RTL或Verilog或VHDL编写它,这本质上是一个模型。西门子数字工业软件.“它恰好是一个有足够细节的模型,我们可以合成网络列表,然后进行布局过程。我意识到这都是基于模型的工程。汽车原始设备制造商习惯于依赖一级供应商说,‘我将给你驱动模块,我将给你转向模块,你不需要知道里面是什么。因此,一切都是一次性的。一切都是定制的。每样东西都非常适合这份工作。”

这让Fritz开始思考:“如果你写下你的需求,做一个抽象模型,完善整个车辆的模型,这样你就在持续集成中进行硬件/软件的联合开发/联合验证,会怎样?你会更快到达那里。这是敏捷开发为了一辆车。”

不过,问题依然存在。例如,如果要求在高速公路上以每小时100英里的速度行驶并及时刹车,该怎么办?这与需求分解有什么关系?

他说:“我们正在尽可能地根据我们的需求建模。”“然后,当我们运行这个动态模型时,新的东西就会跳出来。模型经过改进以解决这个问题,更多的新内容将再次出现。随着保真度越来越高,这个过程会细化需求。这就是需求工程。任何认为他们可以在数字双胞胎中映射它的人都是对的,但他们只看到了故事的一半。剩下的就是如何使用数字双胞胎来发现更深入的新需求。”

到目前为止,oem采用MBRE的最大障碍是分层供应商的部件型号的可用性,但情况正在发生变化。弗里茨说:“为了有这些型号的汽车,他们可以确定需求是什么,型号必须是可用的。”“你可以从原始设备制造商开始。然后他们开始告诉供应商他们需要这些模型。直到大约18个月前,原始设备制造商还会受到抵制。现在,情况完全逆转了。北美有一家OEM已经采用了这种方法,他们已经找到了所有9家供应商,说:‘我们需要你们所有解决方案的模型。’他们开始力推,现在我们已经签了六份开发模型的合同。”

具体地说,流程从输入需求开始,然后工具记录这些需求,然后生成功能模型。然后,高级抽象属性被指定,建模相机,物体检测和分类将要做什么。对该系统进行了软硬件综合设计,并进行了仿真运行。当这种情况发生时,数据就出来了,并被拉回需求中,这样它就可以继续细化成一个逻辑架构。

图1:使用模型来推导和验证复杂的需求。来源:西门子EDA
图1:使用模型来推导和验证复杂的需求。来源:西门子EDA

“我们从不断改进的模拟中推断出需求,这些模拟从非常高的水平和抽象开始,并随着时间的推移不断增加。我们最终得到了所有这些模拟,可以做所有这些事情——所有这些决定,包括SoC的样子,例如,四个Arm a76和两个Arm a53。他们可以让供应商去制造。他们已经在运行软件了。“尽快建造,但我们现在不需要它。我们不要你架子上的东西。告诉我们你什么时候能拿到这个。如果你做不到,我们就去找其他人做。”

在过去,原始设备制造商依赖分层供应商来告诉他们他们可以拥有什么。“这完全颠倒了。通过这种方法,原始设备制造商可以告诉供应商他们需要什么,这样他们就可以真正地驱动,而不是被供应商驱动。这就是改变生态系统的原因。”

验证汽车
基于模型的方法在芯片验证中非常常见。Olivera Stojanovic,项目经理Vtool他指出,工程团队已经使用基于模型的方法来并行创建整个芯片的模型。“这样做的主要原因是,软件团队可以在这款芯片的开发阶段就开始做一些事情,因为在其他方面,他们需要开发完整的芯片,然后再开始。”

一般来说,Stojanovic说,汽车验证的主要挑战是如何确保所有的需求都被检查,并提前计划所有的步骤,跟踪代码,并有非常好的文档。这需要从设计的角度和从验证的角度进行额外的努力,因为它包括需求的可跟踪性。

对于验证工程师来说,汽车项目的经验是很有价值的,可以教会他们如何做事情的系统方法。她说:“你需要遵循一定的流程,通常你需要创建设计验证需求,并提前为每个需求做好计划,你需要什么样的检查人员,什么样的覆盖范围,什么样的测试等等。”“你需要提前遵循一个程序。这意味着您需要在开始编码之前了解一切,这样您就不会遇到这样的情况:您开始开发某些东西,然后发现它是不正确的,并且它不符合规范。这可能意味着在规范中没有很好地定义它。所有这些不确定性都应该在一开始就消除,如果你遵循汽车行业的所有这些步骤,验证的质量就会高得多。”

结论
像MBSE和MBRE这样的方法有望在汽车设计中得到更广泛的采用。

“我在这个模型开发中投入了多少努力,我从中得到了什么?”这是系统设计的经典问题,”Schirrmeister说。“这取决于在早期投入多少精力在模型上,而不是在后来再次从实现中抽象它们?”

这取决于项目本身。“在一些项目中,如果你没有适当地进行早期建模,失败的风险是相当大的,”他说。“这取决于项目,归结为应用程序领域,您可能希望在早期对整个系统建模时在更高的级别上进行建模。但是,这不是我们20年前认为我们会得到的可执行规范。我们还没讲到这个。我们越来越多地关注连接,人们说他们在UML或SysML或任何该级别的专有语言中有一个模型,并询问如何从那里进入实现?它可能首先成为验证的参考。然后,随着时间的推移,它可能会发展成高级合成。我们仍有一段路要走,它将成为一个完整的黑盒类型的东西,在那里,工具嘎吱嘎吱作响,使它工作。但考虑到系统的复杂性以及机械、电子等不同元素之间的相互作用,这一点正变得越来越重要。”

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