I dispositivi System-on-a-chip (SoC) per gateway automobilistici devono offrire sia prestazioni elevate per l'implementazione di nuove applicazioni, come i servizi cloud, sia un basso consumo energetico quando non in uso. Devono inoltre offrire una risposta CAN rapida per supportare tempi di avvio istantanei. Inoltre, questi SoC devono fornire una tecnologia di comunicazione a basso consumo energetico che consenta le funzioni di rete come gateway utilizzando una potenza limitata, insieme a una tecnologia di sicurezza per garantire comunicazioni sicure all'esterno del veicolo. Per soddisfare questi requisiti, Renesas ha sviluppato (1) un'architettura che regola dinamicamente la temporizzazione operativa del circuito per adattarsi alle condizioni del veicolo con prestazioni e consumo energetico ottimizzati, (2) una tecnologia di avvio rapido che partiziona e alimenta solo i programmi essenziali, (3) un acceleratore di rete che raggiunge un'efficienza energetica di 10 gigabit al secondo/watt (Gbps/W) e (4) una tecnologia di sicurezza che previene le interferenze di comunicazione riconoscendo e proteggendo le comunicazioni vitali all'interno del veicolo relative al controllo del veicolo.
I dettagli delle nuove tecnologie includono:
1. Architettura che ottimizza le prestazioni di elaborazione e il consumo energetico in base alle condizioni del veicolo.
I SoC gateway di comunicazione devono offrire prestazioni di elaborazione superiori a 30 miliardi di istruzioni al secondo (DMIPS) durante il funzionamento, mantenendo al contempo un consumo energetico in standby pari o inferiore a 2 mW per preservare la durata della batteria. In genere, i SoC ad alte prestazioni presentano anche un elevato consumo energetico in standby, mentre i SoC a basso consumo con un basso consumo in standby soffrono di problemi di prestazioni. Per ovviare a questo problema, Renesas ha integrato in un singolo chip un sistema applicativo ad alte prestazioni e un sistema di controllo ottimizzato per un consumo energetico in standby estremamente ridotto. La nuova architettura gestisce l'alimentazione di questi due sottosistemi e regola le temporizzazioni dei circuiti per ottenere un equilibrio ottimale tra prestazioni ed efficienza energetica. Il risultato è una maggiore performance durante il funzionamento e un minore consumo energetico in standby.
2. Tecnologia di avvio rapido con memoria flash esterna che raggiunge la stessa velocità della memoria flash integrata.
Poiché i SoC gateway di comunicazione gestiscono l'elaborazione di funzioni critiche di controllo del veicolo, devono essere in grado di rispondere al CAN in meno di 50 millisecondi (ms) dall'avvio. Tuttavia, se il SoC utilizza un processo che non supporta la memoria flash integrata, il programma di avvio deve essere codificato e memorizzato nella memoria flash esterna. Ciò significa che il caricamento e la decrittazione dei dati del programma richiedono più tempo. Per risolvere questo problema, Renesas ha sviluppato una tecnologia che divide il programma in sezioni e inizialmente carica e decritta solo la porzione essenziale per l'avvio, continuando a caricare il resto del programma in parallelo. Questo consente una risposta rapida al CAN (50 ms o meno), anche quando si utilizza una memoria flash esterna.
3. Acceleratore di rete altamente efficiente con un'efficienza di comunicazione di 10 Gbps/W.
Per consentire il raffreddamento ad aria e la dissipazione del calore delle unità di controllo elettroniche (ECU), i SoC del gateway di comunicazione devono mantenere il consumo energetico a 7 watt o meno. Poiché una velocità di elaborazione di 30.000 DMIPS o superiore richiede circa 6 watt di potenza, solo circa 1 watt può essere utilizzato per l'elaborazione di rete. Ciò rappresenta una sfida, poiché la comunicazione totale di 10 Gbps deve essere realizzata utilizzando solo 1 watt di potenza, con un'efficienza di elaborazione di soli circa 3 Gbps/W quando gestita dalla CPU. Per risolvere questo problema, Renesas ha trasferito l'elaborazione dalla CPU a un acceleratore di rete personalizzato, ottenendo un'efficienza superiore di 9,4 Gbps/W. Inoltre, Renesas ha aumentato l'efficienza a 11,5 Gbps/W modificando il metodo di routing da una TCAM convenzionale a una tabella hash in SRAM.
4. Tecnologia di sicurezza per prevenire interferenze nelle comunicazioni che richiedono elevata affidabilità
Un SoC gateway di comunicazione svolge una serie di compiti diversi, tra cui l'elaborazione di dati di controllo del veicolo altamente affidabili e la gestione di grandi quantità di comunicazioni dati casuali con servizi cloud e altri. Poiché il controllo del veicolo è essenziale per la sicurezza, è importante proteggere e separare i dati critici. Tuttavia, nonostante le differenze nei tipi di dati, tutti i dati vengono trasmessi sulla stessa rete all'interno del veicolo, creando intersezioni fisiche e ponendo sfide alla sicurezza. Per affrontare questa sfida, Renesas ha sviluppato una tecnologia di sicurezza che analizza i pacchetti in entrata sul SoC. Determina se contengono dati critici e li assegna a percorsi e funzioni di controllo diversi all'interno dell'acceleratore di rete. Ciò impedisce interferenze con dati altamente affidabili e protegge le comunicazioni dati all'interno del veicolo da varie minacce alla sicurezza.
Queste quattro tecnologie sono state integrate nel SoC gateway di comunicazione per veicoli R-Car S4 di Renesas. Con l'ultimo R-Car S4, gli sviluppatori possono accelerare i progressi nelle architetture E/E, implementare una connessione sicura con i servizi cloud e garantire al contempo un controllo del veicolo sicuro e affidabile.
