Os dispositivos System-on-a-Chip (SoC) para gateways automóveis devem oferecer um elevado desempenho para a implementação de novas aplicações, como os serviços de cloud, e um baixo consumo de energia quando não estão a ser utilizados. Devem também oferecer uma resposta CAN rápida para suportar tempos de arranque instantâneos. Além disso, estes SoC devem fornecer tecnologia de comunicação de baixo consumo que permita funções de rede como um gateway utilizando energia limitada, juntamente com tecnologia de segurança para garantir uma comunicação segura fora do veículo. Para satisfazer estes requisitos, a Renesas desenvolveu (1) uma arquitetura que ajusta dinamicamente o tempo de funcionamento do circuito para se adaptar às condições do veículo com um desempenho e consumo de energia otimizados, (2) uma tecnologia de arranque rápido que particiona e alimenta apenas os programas essenciais, (3) um acelerador de rede que atinge uma eficiência energética de 10 gigabits por segundo/watt (Gbps/W) e (4) uma tecnologia de segurança que previne interferências na comunicação, reconhecendo e protegendo comunicações vitais dentro do veículo relacionadas com o seu controle.
Os detalhes das novas tecnologias incluem:
1. Arquitetura que otimiza o desempenho de processamento e o consumo de energia com base nas condições do veículo.
Os SoC de gateway de comunicação devem oferecer um desempenho de processamento superior a 30 mil milhões de instruções por segundo (DMIPS) durante o funcionamento, mantendo o consumo de energia em modo de espera a 2 mW ou menos para preservar a vida útil da bateria. Normalmente, os SoC de alto desempenho também apresentam um elevado consumo de energia em modo de espera, enquanto os SoC de baixo consumo com baixo consumo de energia em modo de espera sofrem de problemas de desempenho. Para solucionar isto, a Renesas combinou um sistema de aplicação de alto desempenho e um sistema de controlo otimizado para o consumo de energia em modo de espera ultrabaixo num único chip. A nova arquitetura gere as fontes de alimentação destes dois subsistemas e ajusta os tempos dos circuitos para alcançar um equilíbrio ideal entre desempenho e eficiência energética. O resultado é um maior desempenho durante o funcionamento e um menor consumo de energia em modo de espera.
2. Tecnologia de arranque rápido com memória flash externa que atinge a mesma velocidade que a memória flash integrada.
Uma vez que os SoC de gateway de comunicação gerem o processamento de funções críticas de controlo do veículo, devem ser capazes de responder ao CAN em menos de 50 milissegundos (ms) a partir do momento do arranque. No entanto, se o SoC utilizar um processo que não suporte memória flash integrada, o programa de arranque necessita de ser codificado e armazenado em memória flash externa. Isto significa que é necessário tempo adicional para carregar e desencriptar os dados do programa. Para resolver este problema, a Renesas desenvolveu uma tecnologia que divide o programa em secções e carrega e desencripta inicialmente apenas a parte essencial para o arranque, enquanto continua a carregar o resto do programa em paralelo. Isto permite uma resposta rápida ao CAN (50 ms ou menos), mesmo quando se utiliza memória flash externa.
3.º Acelerador de Rede Altamente Eficiente com uma Eficiência de Comunicação de 10 Gbps/W.
Para permitir o arrefecimento a ar e a dissipação de calor das unidades de controlo eletrónico (ECUs), os SoCs de gateway de comunicação devem manter o consumo de energia a 7 watts ou menos. Uma vez que a taxa de transferência de computação de 30.000 DMIPS ou superior requer aproximadamente 6 watts de energia, apenas cerca de 1 watt pode ser utilizado para o processamento de rede. Isto representa um desafio, uma vez que a comunicação total de 10 Gbps deve ser alcançada utilizando apenas 1 watt de energia, com uma eficiência de processamento de apenas cerca de 3 Gbps/W quando gerido pelo CPU. Para resolver este problema, a Renesas transferiu o processamento da CPU para um acelerador de rede personalizado, conseguindo uma eficiência superior de 9,4 Gbps/W. Além disso, a Renesas aumentou a eficiência para 11,5 Gbps/W, alterando o método de encaminhamento de uma TCAM convencional para uma tabela de hash em SRAM.
4. Tecnologia de segurança para prevenir interferências em comunicações que exijam elevada fiabilidade
Um SoC de gateway de comunicações executa um conjunto diversificado de tarefas, incluindo o processamento de dados de controlo de veículos altamente fiáveis e a gestão de grandes volumes de comunicação de dados aleatórios com serviços na nuvem e outros. Uma vez que o controlo do veículo é essencial para a segurança, é importante proteger e separar os dados críticos para a missão. No entanto, apesar das diferenças nos tipos de dados, todos os dados são transmitidos através da mesma rede dentro do veículo, o que leva a intersecções físicas e representa desafios de segurança. Para resolver este desafio, a Renesas desenvolveu uma tecnologia de segurança que analisa os pacotes recebidos no SoC. Determina se os pacotes contêm dados críticos e encaminha-os para diferentes caminhos e funções de controlo dentro do acelerador de rede. Isto evita interferências com dados altamente fiáveis e protege a comunicação de dados dentro do veículo contra diversas ameaças de segurança.
Estas quatro tecnologias foram incorporadas no SoC de gateway de comunicações veiculares R-Car S4 da Renesas. Com o mais recente R-Car S4, os programadores podem acelerar os avanços nas arquiteturas elétricas/eletrónicas, implementar uma ligação segura aos serviços na nuvem e garantir o controlo seguro e fiável do veículo em simultâneo.
