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Arm et Siemens concluent un partenariat qui va changer la conception des semi-conducteurs pour le secteur automobile (Parrainé par Siemens)

Arm et Siemens concluent un partenariat qui va changer la conception des semi-conducteurs pour le secteur automobile (Parrainé par Siemens)


À l'occasion du CES 2020, Arm et Siemens ont annoncé un partenariat visant à accélérer l'avenir de la mobilité. Les deux sociétés travaillent ensemble à l'intégration de la propriété intellectuelle (IP) des semi-conducteurs d'Arm dans la plate-forme de conception et de simulation PAVE360.

En apparence, ce partenariat améliore l'accès à l'IP Arm, y compris l'IP Automotive Enhanced (AE), dans la conception de systèmes sur puce (SoC) personnalisés. Les avantages pourraient néanmoins s'étendre bien au-delà du développement d'une IP de semi-conducteurs personnalisée et optimisée pour les SoC automobiles ou les SoC destinés à d'autres systèmes complexes. Cette annonce pourrait changer la façon dont les semi-conducteurs, l'électronique et toutes les plates-formes connexes seront conçus à l'avenir.


Nécessité d'une personnalisation et d'une optimisation


L'industrie automobile est en pleine révolution. Un véhicule électrique (VE) ressemble plus à un smartphone sur roues qu'à une voiture traditionnelle. Les véhicules électriques sont des systèmes électroniques complexes composés de réseaux de capteurs hétérogènes, d'éléments de traitement multiples, d'un réseau à haut débit, de communications sans fil, d'affichages multiples, de batteries lithium-ion et des applications nécessaires aux fonctions mécaniques, aux interfaces utilisateur et au divertissement. Les véhicules qui présentent un niveau d'aide à la conduite (ADAS) supérieur et les véhicules autonomes (VA) augmentent les capteurs, le réseau, les communications et le traitement de façon exponentielle, atteignant le niveau d'un supercalculateur d'IA.


En conséquence, les constructeurs automobiles doivent adapter leur façon de concevoir les véhicules, et les systèmes électroniques figurent désormais parmi les principaux composants qui ont un impact sur la conception et le temps de développement. En outre, les systèmes électroniques offrent la plus grande possibilité d'amélioration par l'optimisation et de différenciation par la personnalisation. Certains fabricants développent leurs propres SoC en interne, tandis que d'autres travaillent avec des partenaires traditionnels de semi-conducteurs de rang 2. Tesla a été le premier constructeur à développer un SoC d'IA personnalisé pour ses véhicules. Bien que le SoC Tesla n'affiche pas les performances haut de gamme des autres SoC généralement disponibles, Tesla a affirmé que son SoC est 20 % moins cher et qu’il permet de réduire la consommation électrique, le format and la complexité de la conception système.


Inflexion imminente du marché


L'industrie automobile se rapproche rapidement de deux points d'inflexion : le passage aux VE et aux VA. La transition vers les VE a déjà commencé et a donné naissance à plus de 1 000 startups spécialisées dans tous les domaines, des batteries pour VE aux VE eux-mêmes. On trouve désormais plus de startups construisant des VE que de marques automobiles traditionnelles (3 pour 1). Avec les investisseurs en capital-risque et les entreprises technologiques qui financent les startups, les constructeurs traditionnels et les fournisseurs de systèmes électroniques de premier rang modifient rapidement leurs stratégies d'investissement et de développement pour rester compétitifs. La plupart des équipementiers et fournisseurs traditionnels investissent désormais davantage dans la technologie des VE que dans les moteurs à combustion traditionnels et quelques entreprises, telles que Daimler et Continental, n'investissent plus que dans la technologie des VE. De nombreux fabricants s'associent également pour développer des plateformes de VE, comme en attestent par exemple les partenariats de BMW, Daimler, Ford et Volkswagen, et la fusion récemment annoncée de FCA et PSA (les parents de Chrysler et Peugeot). Par conséquent, tous les grands constructeurs automobiles et les startups proposeront un VE d'ici fin 2021 et beaucoup d'entre eux auront plusieurs VE sur le marché d'ici 2025. TIRIAS Research estime que le point d'inflexion du marché des VE se situera en 2021/2022.

L'introduction d'un si grand nombre de VE, combinée à une pression en faveur de réglementations environnementales plus strictes et de changements économiques potentiels, entraînera une forte croissance des VE à l'avenir. Alors que les VE représentent actuellement moins de 1 % des véhicules vendus, ils pourraient potentiellement dépasser les véhicules à moteur à combustion dès 2035.

La transition vers les VA est concomitant à l'essor des VE. La plupart des VA en cours de développement et destinés à la commercialisation sont des VE. Les VA représentent un énorme bond en avant dans la technologie des véhicules et des changements radicaux pour l'ensemble du marché automobile. Une intersection importante entre les VA et les VE est centrée sur la puissance consommée par le grand réseau de capteurs et l'ordinateur d'IA de type supercalculateur. Cela influence de nombreuses décisions initiales de conception qui ont une incidence sur la conception du réseau de batteries et, au final, sur l'autonomie du véhicule.


L'industrie a adopté une transition progressive vers les VA suivant les niveaux d'autonomie SAE, qui vont du niveau 1 (systèmes de sécurité de base) au niveau 5 (véhicules totalement autonomes). Dans la réalité, la transition doit cependant être rapide pour éviter la confusion du niveau 3, où le fait de déterminer si l'homme ou le véhicule doit avoir le contrôle peut changer soudainement. Le passage à une autonomie totale nécessite toutefois une augmentation significative des capteurs, des réseaux, des communications et des performances de traitement (plus de 1 000 fois supérieures aux systèmes de sécurité SAE de niveau 2 actuels), ainsi qu'un vaste apprentissage de l'IA. Cet apprentissage de l'IA pour le contrôle des véhicules autonomes constitue désormais le facteur limitant le temps de développement des VA. Alors que l'industrie automobile a réussi à faire passer la durée moyenne de développement d'un véhicule de plus de 5-7 ans à 3-4 ans, les VA peuvent repousser ce chiffre à 5 ans ou plus. Cela signifie que pour introduire un VA en 2025/2026, le développement doit commencer cette année au plus tard.


Plusieurs équipementiers, comme Tesla, lanceront des VA au cours des prochaines années, mais la technologie, l'industrie et la réglementation continuent d'évoluer pour prendre en charge les VA. Toutefois, les VA atteindront probablement un point d'inflexion du marché pour stimuler la croissance en 2025/2026 et la transition vers les VA se fera au cours des prochaines décennies. Il est à noter que cette transition correspondra également à l'investissement dans l'infrastructure de soutien de véhicule à infrastructure (V2I) ou de véhicule à tout (V2X), qui nécessitera une technologie et un apprentissage de l'IA similaires.


Figure 1. Niveaux d'autonomie SAE
 

Conception et simulation des futurs véhicules - PAVE360


En mai 2019, Siemens a introduit la PAVE360, plateforme de conception et de simulation de systèmes en boucle fermée qui facilite la conception de SoC. PAVE360 développe des simulations de jumeaux numériques très précises pour les plateformes de nouvelle génération, du silicium jusqu'au véhicule entier. Elle permet à plusieurs fournisseurs de travailler ensemble pour développer et tester chaque composant d'un véhicule jusqu'aux simulations dans une ville simulée dans des conditions de conduite simulées. Par conséquent, chaque composant électronique et mécanique du système peut être testé en termes de puissance, de performances, de surface et de paramètres thermiques dans des scénarios complexes afin de s'assurer qu'il répond aux exigences du système et respecte les exigences de sécurité du véhicule. Dans le cas des VE et des VA, PAVE360 permet également de concevoir le réseau de batteries pour l'autonomie souhaitée du véhicule.


La plateforme PAVE360 permet également de procéder à des essais en circuit une fois que les composants électroniques et mécaniques physiques sont disponibles. Chaque composant matériel et logiciel du système peut être développé simultanément pour optimiser la conception, réduire le temps de développement, faciliter la certification et même l'apprentissage dans le cas d'un véhicule autonome. Bien qu'elle soit destinée aux applications automobiles, cette plateforme peut être utilisée pour quasiment tous les systèmes électromécaniques une fois que les modèles de composants et de plateformes sont disponibles, ce qui en fait l'environnement de conception le plus flexible qui soit.



Figure 2. Plate-forme de simulation PAVE360
 

Avantages du partenariat avec Arm


La plateforme PAVE360 prend déjà en charge certaines IP Arm et l'IP des semi-conducteurs d'autres fournisseurs. Dans un premier temps, ce partenariat permettra d'accroître l'accès à la plus grande bibliothèque IP pour les semi-conducteurs, y compris les cœurs de processeurs, les cœurs GPU, les cœurs ISP, les cœurs ML (Machine Learning), les interconnexions, les logiciels et les outils d'Arm. En outre, l'IP AE d'Arm est conçue pour répondre aux exigences strictes de sécurité fonctionnelle des applications automobiles, telles que les normes ISO 26262 et CEI 61508. Arm a également annoncé récemment la possibilité de personnaliser les instructions sur les futurs cœurs Cortex-M et Cortex-R. Les instructions personnalisées pourront aussi être étendues aux cœurs Cortex-A plus performants à l'avenir.


Arm a également récemment lancé son programme de licence Flexible Access, qui permet aux entreprises d'essayer l'IP avant de s'engager dans la conception d'une puce. Si l'on ajoute à cela les capacités de simulation de la plateforme PAVE360, les clients pourront expérimenter différents cœurs et configurations de conception standard et personnalisés dans un jumeau numérique entièrement opérationnel d'un véhicule, afin de développer des SoC optimisés avec des coûts IP initiaux minimes et des années plus tôt que ce qui serait autrement possible. Résultat : les concepteurs de SoC disposent d'un plus large choix de modèles de silicium plus complets et le temps de développement des systèmes est réduit, mais ce n'est que le début.
Réduction des cycles de conception


En plus de permettre le développement de SoC optimisés, la plateforme PAVE360 modifie le calendrier de développement en permettant le développement simultané de l'ensemble du système, y compris le SoC et les autres composants matériels et logiciels du système. Le temps de conception d'un véhicule pourrait ainsi diminuer de jusqu'à deux ans. Toutefois, ce modèle de développement repose toujours sur l'utilisation de composants SoC (IP) prédéveloppés. Chaque année, Arm introduit de nouveaux cœurs IP silicium et d'autres composants. Bien que ces nouveaux cœurs IP soient développés avec la contribution des partenaires d'Arm, leur utilisation n'est pas possible tant que la conception de chaque cœur/composant n'est pas achevée et déterminée au niveau RTL (une abstraction de la conception).


À l'avenir, les blocs de silicium les plus basiques pourraient être développés et testés en même temps. Cela permettrait à Arm d'évaluer et de tester la propriété intellectuelle pour des applications ou même des clients spécifiques. Cela pourrait également conduire ARM à créer de nouveaux cœurs et composants IP plus personnalisés à l'avenir. Veuillez noter qu'il s'agit là d'une spéculation de notre part (TIRIAS Research), car Arm n'a pas annoncé ses plans à long terme. Toutefois, si Arm suit cette stratégie, la société pourrait optimiser davantage la conception des SoC jusqu'à l'IP de silicium, ce qui peut se traduire par une plus grande performance par watt dans un format thermique et physique inférieur. Pour l'industrie automobile, cela pourrait encore réduire le cycle de conception jusqu'à un an, car les voitures deviennent plus électroniques que mécaniques dans le conxtexte de la transition vers des véhicules à la fois électriques et autonomes.


Les SoC mélangent souvent l'IP de plusieurs fournisseurs, ainsi que l'IP propriétaire de l'entreprise. D'autres IP de semi-conducteurs pourraient donc bénéficier de l'utilisation de la plateforme PAVE360.

Figure 3. Évolution du cycle de conception avec PAVE360
 
 

Au-delà des commandes et du contrôle


L'automobile, plus précisément les SoC qui servent de cerveau aux systèmes de commande et de contrôle, représente la cible initiale de la plateforme PAVE360. Cependant, les véhicules modernes sont plus qu'un simple moyen de transport de base. Ils comprennent des systèmes complexes de divertissement, de navigation et de contrôle de l'environnement, qui utiliseront tous de plus en plus de capteurs, de communications et d'IA. Par conséquent, d'autres systèmes dans le secteur automobile bénéficieront à la fois de l'IP Arm et de la plateforme PAVE360 pour la conception des futurs SoC.
Implications au-delà de l'automobile


Comme indiqué plus haut, la plateforme PAVE360 peut être utilisée pour toute conception de système électromécanique complexe une fois que les modèles de simulation sont disponibles. En outre, Arm ajoute de plus en plus de fonctionnalités à son IP pour des fonctions et des applications spécifiques. Même les plateformes simples gagneront en complexité avec l'intégration de capteurs, de composants de connectivité et d'IA. Cette technologie a récemment été dénommée Intelligence artificielle des objets (AIoT). Par conséquent, un nombre croissant d'applications (appareils électroménagers, systèmes d'imagerie médicale, systèmes de contrôle de la fabrication, systèmes environnementaux, robotique, drones, tous les types de moyens de transport, etc.) peuvent bénéficier de l'intégration de l'IP Arm et de la modélisation sur la plateforme PAVE360.


Conclusion


La révolution dans l'industrie automobile avance très rapidement avec deux points d'inflexion majeurs dans les prochaines années. Le développement des VE conduisant aux VA, une erreur dans le développement des plateformes très complexes de nouvelle génération pourrait s'avérer coûteuse pour un fabricant ou un fournisseur automobile. La plateforme PAVE360 permet aux équipementiers d'évaluer chaque composant tout au long du développement du véhicule, tout en raccourcissant le cycle de conception total. Avec l'intégration de l'IP des semi-conducteurs d'Arm, y compris l'IP Automotive Enhanced (AE), elle comprendra la plus grande bibliothèque d'IP conçue pour les applications critiques de sécurité, permettant aux concepteurs de SoC de développer des solutions optimisées pour tous les futurs véhicules et de respecter le point d'inflexion critique des VA dans le calendrier 2025/2026. Le tandem Arm-PAVE360 pourrait également faire évoluer les cycles de conception d'autres plateformes électromécaniques avec des SoC (et éventuellement des cœurs IP) personnalisés et optimisés pour un segment de marché ou une application spécifique.
 

Auteur : Jim McGregor, Principal Analyst at TIRIAS Research
(based in Show Low, Arizona)

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