Ohjelmoitavien porttimatriisien valinta ja käyttö autoteollisuuden liitäntöihin, tietoturvaan ja laskentaintensiivisiin kuormiin

Ajoneuvojen laskentatehtävät on yleensä suoritettu mikrokontrolleriyksiköillä (MCU) ja sovellusprosessoreilla (AP). Keskiluokan ajoneuvossa voi olla tyypillisesti 25–35 mikrokontrolleriyksikköä/sovellusprosessoria, kun taas luksusautoissa niitä voi olla 70 tai enemmän. Autot vaativat yhä useammin erittäin kehittyneitä, laskentaintensiivisiä ominaisuuksia, esimerkiksi ADAS (Advanced Driver Assistance Systems)- ja infotainment-, ohjaus-, verkko- ja tietoturvajärjestelmiin liittyvissä tehtävissä. Moniin näistä sovelluksista liittyy konenäkö kuvan- ja videonkäsittelyn muodossa tekoälyyn (AI) yhdistettynä.

Prosessoriarkkitehtuuri ei pysty käsittelemään yksinään kaikkia sähköliitäntöjä ja -protokollia, joita oheislaitteet, kuten kennot, kamerat ja näytöt, vaativat. Monissa tapauksissa nämä prosessorit eivät yksinkertaisesti pysty täyttämään konenäön ja tekoälyn kaltaisten tehtävien erittäin korkeita laskentavaatimuksia.

Autojärjestelmien suunnittelijat käyttävät tämän kompleksisuuden ratkaisuun ohjelmoitavia porttimatriiseja (FPGA), mutta tarkoituksena ei ole korvata nykyisiä mikroprosessoriyksiköitä/sovellusprosessoreita. Sen sijaan niitä halutaan pikemminkin käyttää edellä mainittujen ja muiden laitteiden välisenä siltana. Lisäksi niillä halutaan purkaa tietoliikenteen ja muiden laskentaintensiivisten tehtävien kuormitusta.

Koska ohjelmoitavat porttimatriisit voidaan ohjelmoida tukemaan monenlaisia sähköliitäntöjä ja -protokollia, ne voivat toimia siltoina mikroprosessoriyksiköiden/sovellusprosessoreiden ja kennojen, kameroiden ja näyttöjen välillä. Koska ohjelmoitavat porttimatriisit voivat suorittaa laskutoimituksia ja operaatioita massiivisesti rinnakkain, niitä voidaan käyttää laskentaintensiivisten näköprosessointi- ja tekoälytehtävien suorittamiseen, jolloin isäntäprosessorit vapautuvat muihin tehtäviin.

Tässä artikkelissa käsitellään nykyaikaisten ajoneuvojen prosessointivaatimuksia ja kuvataan joitakin ajoneuvosovelluksia, jotka voidaan toteuttaa ohjelmoitavilla porttimatriiseilla. Sen jälkeen siinä esitellään esimerkkeinä joitakin ohjelmoitavia porttimatriiseja valmistajalta Lattice Semiconductor ja osoitetaan, miten niillä voidaan ratkaista liitettävyys-, prosessointi- ja tietoturvaongelmia. Lisäksi artikkelissa esitellään vastaavia kehitysalustoja, jotka auttavat suunnittelijoita pääsemään alkuun.

Ohjelmoitavien porttimatriisien käyttökohteet autoteollisuudessa

Nykyisissä autoissa tuetaan ADAS-ominaisuuksia käyttämällä monia ajoneuvon ulkopuolisia tunnistimia, kuten kameroita, tutkia, LiDAR:ia ja ultraääniantureita. Monissa tapauksissa on tarpeen koota dataa erilaisista antureista, esikäsitellä se (poistaa kohina ja formatoida se tarpeen mukaan) ja yhdistää tämä anturidata. Tarkoituksena on tuottaa dataa, jonka epävarmuus on alhaisempi eri antureista saadun erillisen datan käyttöön verrattuna. Datan analysointiin, päätöksien tekoon ja asianmukaisten toimien toteutukseen käytetään monissa tapauksissa tekoälysovelluksia.

Suhteellisen uusi suuntaus on elektronisten (myös ”digitaalisten”) taustapeilien käyttöönotto. Tällöin takaikkunan sisäpuolelle asennetaan laajakulmainen, korkearesoluutioinen kamera. Kameran videostriimi esitetään digitaalisella näytöllä, joka korvaa perinteisen peilin, jolloin takaistuimilla istuvat matkustajat eivät peitä näkökenttää taaksepäin. Joissakin tapauksissa sivupeileihin asennettujen kameroiden videostriimit voidaan yhdistää takaikkunan kameran videostriimiin. Nämä kolme striimiä ”nivotaan yhteen”, jolloin saadaan yksi ainut erittäin leveässä elektronisessa peilissä esitettävä kuva. Näin kuljettaja saa paljon paremman tilannekuvan siitä, mitä ajoneuvon ympärillä tapahtuu.

Toinen viimeaikainen suuntaus on käyttää ohjaamossa kojelautaan tai ohjauspylvääseen asennettuja tai taustapeiliin (tavalliseen tai elektroniseen) integroituja kameroita. Tekoälyyn yhdistettynä näitä auton sisällä sijaitsevia peilejä voidaan käyttää monenlaisiin tehtäviin, kuten tunnistamaan se, kuka istuu kuljettajan istuimella, ja säätämään istuinta ja peilejä sen mukaisesti. Järjestelmä valvoo kuljettajia ja varmistaa, että he kiinnittävät huomionsa tiehen eivätkä torkahda. Lisäksi se voi myös tarkkailla merkkejä uneliaisuudesta sekä sairauskohtauksista tai hätätilanteista, esimerkkinä epilepsia- tai sydänkohtaus, ja ryhtyä tarvittaviin toimiin. Näihin toimiin voi kuulua esimerkiksi hätävilkkujen aktivointi, jarrutus ja ajoneuvon ohjaaminen tien sivuun. Muihin sovelluksiin kuuluvat esimerkiksi sen varmistaminen, ettei pieniä lapsia ja lemmikkejä jätetä vahingossa valvomatta takaistuimille estämällä auton lukitseminen ja vilkuttamalla valoja. Tällä tavalla voidaan myös viestittää kuljettajalle, jos matkustaja jättää takapenkille jotain, kuten puhelimen, laukun tai paketin.

Videopohjaisissa sovelluksissa on joissakin tapauksissa tarpeen jakaa yksittäinen videotulo useammaksi videostriimiksi. Toisissa tapauksissa suunnitteluvaatimuksena voi puolestaan olla useiden videostriimien yhdistäminen yhdeksi videostriimiksi.

Sähköajoneuvojen (EV) yleistyminen lisää moottoreiden valvonnan ja ohjauksen sekä latausprosessin valvonnan ja hallinnan tarvetta akun mahdollisimman pitkän käyttöiän saavuttamiseksi.

Kaiken tämän lisäksi monet nykypäivän autoista alkavat olla 5G- tai V2X-yhteensopivia. V2X (”vehicle to anything”) tarkoittaa ajoneuvon ja minkä tahansa muun entiteetin välistä viestintää, joka voi vaikuttaa ajoneuvoon (tai johon ajoneuvo voi vaikuttaa), tienvarsi-infrastruktuurista muihin ajoneuvoihin. Yhdistettävyyden myötä tarvitaan myös tietoturvaa, jotta ajoneuvoa ei voida hakkeroida.

Autoteollisuustason laitteet

On tärkeää muistaa, että kaikki ohjelmoidut porttimatriisit eivät sovellu autosovelluksiin. Automotive Electronics Council (AEC) on alun perin Chryslerin, Fordin ja GM:n 1990-luvulla perustama organisaatio, jonka tarkoituksena oli luoda osia koskevat yhteiset vaatimus- ja laatujärjestelmästandardit. Yksi yleisimmin viitatuista AEC:n dokumenteista on AEC-Q100 ”Failure Mechanism Based Stress Test Qualification for Integrated Circuits.” (Vikaantumismekanismiin perustuva kuormitustestivaatimus integroiduille piireille)

Standardi IATF 16949:2016 on jatkuvaan parantamiseen tähtäävän laadunhallintajärjestelmän kehittämiseen tarkoitettu tekninen spesifikaatio. Se painottaa on vikojen ehkäisemistä sekä vaihtelun ja jätteen vähentämistä autoteollisuuden toimitusketjussa ja kokoonpanoprosessissa. ISO 9001 -standardiin perustuvan IATF 16949:2016 -standardin ovat laatineet kansainvälinen autoteollisuuden työryhmä (IATF) ja ISO:n tekninen komitea.

Autoteollisuuden elektroniikkajärjestelmien toimittajat vaativat yhä useammin, että puolijohdetoimittajat tarjoavat AEC-Q100-standardin mukaisia tuotteita ja voivat todistaa laatujärjestelmiensä ISO/TS-16949-sertifioinnin.

Tarkoitukseen sopivan ohjelmoidun porttimatriisin valinta

Ohjelmoidut porttimatriisit ovat erittäin joustavia, mutta eri laiteperheet tarjoavat erilaisia ominaisuuksien ja toimintojen yhdistelmiä, joiden ansiosta ne soveltuvat paremmin tiettyihin tehtäviin. Esimerkiksi sulautetuissa näkösovelluksissa nykyaikaiset kamerat ja näytöt käyttävät usein MIPI-liitäntöjä. MIPI-protokollat CSI-2 (kamera/kenno) ja DSI (näyttö) käyttävät kumpikin tietoliikenteen fyysistä kerrosta (PHY), jota kutsutaan nimellä D-PHY. Vanhat mikroprosessoriyksiköt/sovellusprosessorit eivät välttämättä tue tätä liitäntää, mutta jotkut ohjelmoitavat porttimatriisit tukevat. Niihin kuuluvat esimerkiksi Lattice Semiconductorin CrossLink-NX-sarjan sulautetut näkö- ja prosessointiin tarkoitetut ohjelmoitavat porttimatriisit.

CrossLink-NX-laitteet tukevat kahta tehostettua nelikaistaista MIPI D-PHY -lähetin-vastaanotinta, joiden tiedonsiirtonopeus on 10 gigabittiä sekunnissa (Gbit/s) per PHY. Lisäksi ne tukevat PCIe-liitännässä nopeutta 5 Gbit/s, ohjelmoitavissa tuloissa/lähdöissä (I/O) nopeutta 1,5 Gbit/s ja DDR3-muistissa 1066 megabittiä sekunnissa (Mbit/s). Nämä laitteet tukevat myös perinteisiä sähköliitäntöjä ja -protokollia, kuten LVDS (Low-Voltage Differential Signaling), Sub-LVDS (LVDS:n alennettu jänniteversio), OLDI (Open LVDS Display Interface) ja SGMII (Serial Gigabit Media-Independent Interface). Näin ollen näitä laitteita voidaan käyttää videostriimien yhdistämiseen, videostriimien erottamiseen, tekoälysovellusten suorittamiseen ja samalla ne voivat toimia siltana vanhojen mikrokontrolleriyksikköjen/sovellusprosessorien ja nykyaikaisten kennojen ja näyttöjen välillä.

Autoteollisuuden järjestelmien kehittäjille, jotka haluavat arvioida CrossLink-NX:n ohjelmoitavia porttimatriiseja, kiinnostavia tuoteyhdistelmiä ovat LIFCL-VIP-SI-EVN CrossLink-NX VIP -kennotulokortti (kuva 1) ja modulaarinen sulautettu näkösarja LF-EVDK1-EVN (edellinen voi toimia jälkimmäisen tulokorttina). CrossLink-NX -porttimatriisin lisäksi kennotulokortti sisältää neljä 13 megapikselin Sony IMX258 CMOS MIPI -kuvakennoa, joiden nopeus on 4K2K @ 30 kuvaa sekunnissa (fps) tai 1080p @ 60 fps. Tämä tuote tukee myös kennojen helppoa liittämistä kolmen riippumattoman PMOD-liitännän kautta.

Kuva 1: CrossLink-NX VIP -kennotulokortti voi toimia Embedded Vision Development Kit -tuotteen tulona. Se sisältää CrossLink-NX -porttimatriisin ja siihen voi kytkeä neljä MIPI Sony IMX258 -kuvakennoa. (Kuvan lähde: Lattice Semiconductor)

Latticen ohjelmoitava porttimatriisi ECP5 tarjoaa laskentaintensiivisiin ja myös korkeaa I/O-kaistanleveyttä vaativiin sovelluksiin – kuten tekoälyä, jota käytetään eleiden tunnistuksessa ja ohjauksessa, äänentunnistuksessa ja -ohjauksessa, ihmisen läsnäolon havaitsemisessa, matkustajan tunnistamisessa ja kuljettajan valvonnassa – jopa 3,2 Gbit/s:n sarjamuunnin-/rinnakkaismuunninnopeuden (SERDES), jopa neljä kanavaa komponenttia kohti kaksikanavaisissa moduuleissa korkeampaa granulariteettia varten, jopa 85K hakutaulukkoja (LUT), parannetut digitaalisen signaalinkäsittelyn (DSP) lohkot, jotka kaksinkertaistavat symmetristen suodatinten resurssit, sekä SEU (Single Event Upset) -tuen. Nämä ohjelmoitavat porttimatriisit tarjoavat myös ohjelmoitavan I/O-tuen LVCMOS 33/25/18/15/12-, XGMII-, LVTTL-, LVDS-, Bus-LVDS-, 7:1 LVDS-, LVPECL- ja MIPI D-PHY I/O-liitännöille.

Esimerkki ECP5-laitteesta on LFE5U-85F-6BG554C, joka tarjoaa 84 000 logiikkaelementtiä, 3,75 megabittiä RAM-muistia ja 259 I/O:ta. Mielenkiintoinen tuote on myös LFE5UM-45F-VERSA-EVNG ECP5 Versa -kehityssarja (kuva 2). Kortin koko on puolipitkä PCI Express (PCIe). Suunnittelijat voivat sen avulla arvioida ECP5-porttimatriisin keskeisiä liitettävyysominaisuuksia, kuten PCIe, Gigabit Ethernet (GbE) ja DDR3, sekä yleistä SERDES-suorituskykyä.

Kuva 2: Suunnittelijat voivat arvioida ECP5-porttimatriisin keskeisiä liitettävyysominaisuuksia, kuten PCIe, GbE ja DDR3, sekä SERDES-suorituskykyä kuvassa esitetyn puolipitkää PCI Express -kokoa käyttävän ECPe Versa -kehityssarjan avulla. (Kuvan lähde: Lattice Semiconductor)

Autojen turvaaminen ohjelmoitavien porttimatriisien avulla

Hakkeroinnin aiheuttamat tietoturvauhat ovat lisääntymässä, ja uusia tietoturvaloukkauksia tapahtuu jatkuvasti. Autojen kohdalla kyberhyökkäys voi aiheuttaa hallinnan menetyksen johtaen matkustajien ja jalankulkijoiden loukkaantumiseen tai kuolemaan sekä auton ja muiden ajoneuvojen vaurioitumiseen ja omaisuusvahinkoihin.

Iso osa autojen tietoturvaratkaisua tarkoittaa luottamuksen perustan (RoT) luontia eli sellaista laitteistoresurssia järjestelmässä, johon voidaan aina luottaa. Yksi ratkaisu on ohjelmoitavaan porttimatriisiin perustuva laitteistoperusta (HRoT), jonka esimerkiksi Latticen MachXO3D-laiteperhe tarjoaa. Merkittävien LUT-resurssien ja suuren I/O-määrän lisäksi nämä flash-pohjaiset laitteet tarjoavat Instant-On- ja Hot-Socketing-ominaisuudet. Yleiskäyttöisiä sovelluksia ovat esimerkiksi eri logiikkamuotojen yhdistäminen, väyläsilloitus, väyläliitännät, moottorinohjaus, käynnistyksen ohjaus ja muut ohjauslogiikkasovellukset.

MachXO3D on erityisen kiinnostava siitä syystä, että se on ainoa ohjelmoitava porttimatriisiperhe, joka tarjoaa sekä kaksoiskäynnistysominaisuuden että alle 10 000 LUT-hakutaulukkoa. Lisäksi se on varustettu laitteistotason NIST (National Institute of Standards and Technology) -sertifioidulla Immutable Security Engine -komponentilla. Tämän ansiosta MachXO3D voi toimia auton HRoT-laitteistoperustana, jonka järjestelmä käynnistää ensimmäisenä ja sammuttaa viimeisenä. Kun järjestelmään kytketään virta, MachXO3D tarkistaa ensin, että se käyttää todennettua laiteohjelmistoa. Sen jälkeen se tarkistaa muiden järjestelmään kuuluvien laitteiden ohjelmistot. Jos mikä tahansa järjestelmän komponentti, mukaan lukien MachXO3D itse, altistuu hyökkäykselle tai vaarantuu, MachXO3D hylkää epäilyttävän ohjelmiston ja lataa kyseiseen komponenttiin uudelleen tunnetusti hyvän ja todennetun laiteohjelmistokuvan.

Jos kehittäjät ovat kiinnostuneita arvioimaan MachXO3D-pohjaisia ratkaisuja, LCMXO3D-9400HC-D-EVN MachXO3D -kehitysalusta tarjoaa laajennettavissa olevan prototyyppialustan (kuva 3). Kortti sisältää L-ASC10 (Analog Sense and Control) -laitteistonhallintapiirin, yleiskäyttöisen I/O-liitännän Arduino- ja Raspberry Pi -kortteja varten, kaksi Hirose FX12-40 -liitinpaikkaa (DNI), Aardvark-liittimen (DNI) ja Quad Read -toiminnolla varustetun 128 megabitin SPI (Serial Peripheral Interface) Flash-muistin.

Kuva 3: MachXO3D-kehitysalusta tarjoaa ohjelmoitavan MachXO3D-porttimatriisin, L-ASC10 (Analog Sense and Control) -laitteistonhallintapiirin, tuen Arduino- ja Raspberry Pi -korteille, kaksi Hirose FX12-40 -liitinpaikkaa (DNI), Aardvark-liittimen ja USB-B-liitännän laitteen ohjelmointia varten. (Kuvan lähde: Lattice Semiconductor)

Kortin koko on 4 x 6 tuumaa ja se sisältää USB mini-B -liittimen virtaa ja ohjelmointia varten sekä useita liitinpaikkoja, jotka tukevat Arduino-, Aardvark-, FX12-, Hirose- ja Raspberry Pi -kortteja. Myyntipakkaus sisältää sekä USB-kaapelin että pikaoppaan.

Yhteenveto

Nykyaikainen autoelektroniikka edellyttää yhä suurempaa määrää antureita, sähköliitäntöjä ja -protokollia, mikä kasvattaa prosessointitehoon ja kaistanleveyteen kohdistuvia vaatimuksia. Tekoäly- ja konenäkökäsittelyn mukaantulo ja tietoturvavaatimukset vaikeuttavat ratkaisujen toteuttamista perinteisillä mikroprosessoriyksiköitä/sovellusprosessoreita hyödyntävillä lähestymistavoilla.

Kuten edellä on osoitettu, suunnittelijat voivat hyödyntää ohjelmoitavia porttimatriiseja kuhunkin käyttökohteeseen sopivalla tavalla ja lisätä näin joustavuutta ja prosessointitehoa. Tällä tavalla mahdollistetaan erilaisten prosessointiympäristöjen saumaton käyttö, anturien yhdistäminen ja fuusiointi, I/O-kaistanleveysvaatimusten täyttäminen sekä laskutoimitusten ja operaatioiden suorittaminen massiivisesti rinnakkain sekä vapautetaan isäntäprosessorit muihin tehtäviin.

Mitä tulee tietoturvaan, kaksoiskäynnistystoiminnolla ja NIST-sertifioidulla Immutable Security Engine -komponentilla varustettu flash-pohjainen ohjelmoitu porttimatriisi voi toimia auton HRoT-laitteistoperustana ja varmistaa, että siinä – ja muissa laitteissa – käytetään vain todennettua laiteohjelmistoa. Näin hakkerit eivät voi vaarantaa auton salausjärjestelmiä.

Muuta lukemista:

1. Ohjelmoitavien porttimatriisien perusteet: mitä ohjelmoitavat porttimatriisit ovat ja miksi niitä tarvitaan?