De auto van de toekomst: chips op wielen

De auto van de toekomst is veiliger dan ooit. Hij registreert constant wat er in en rond de wagen gebeurt,ondersteunt de chauffeur almaar meer, anticipeert op gevaar en is permanent geconnecteerd met andere weggebruikers en de weginfrastructuur. En: hij zal dat allemaal moeten doen zonder een energievreter te worden. De verschillende technologische innovaties die daar de komende jaren voor nodig zijn, zorgen ervoor dat de toekomst van de auto-industrie innig vervlochten is met die van de chiptechnologie.   

Decennialang ging het in conversaties over auto’s om de grootste onderdelen: het design van het koetswerk en de motor. Die tijd is voorbij. Almaar vaker zijn het net de kleinste onderdelen die de debatten beheersen – en voor concurrentievoordeel zorgen bij fabrikanten: de microchips waarmee wagens worden uitgerust. Tegen 2030 zouden chips en halfgeleiders een vijfde uitmaken van de materialenlijst van een wagen. Dat heeft alles te maken met de explosie aan functionaliteiten in de auto van de toekomst.De belangrijkste katalysator voor die functionaliteiten, is de maatschappelijke eis om de wegen veiliger te maken. Tegelijk is het cruciaal dat de auto van de toekomst z’n energieverbruik onder controle houdt.  

De scannende auto 

De auto van de toekomst kan de omgeving scannen en beoordelen wat er gebeurt - zowel in de cabine als om hem heen. Dit is van fundamenteel belang als we rijhulpsystemen willen bouwen die de capaciteiten van menselijke bestuurders overtreffen. De eerste stappen in deze richting zijn al gezet met de ontwikkeling van een nieuwe generatie sensoren die nauwkeuriger en kostenefficiënter zijn, en ook nog eens minder energie verbruiken.  

De volgende stap is sensorfusie op basis van artificiële intelligentie: de signalen van camera-, radar- en (uiteindelijk) lidartechnologie op een slimme manier combineren. ‘s Nachts, of bij dichte mist hebben camerasensoren bijvoorbeeld weinig zin, maar radar en lidar wel. Door samen te werken, kunnen die sensoren een hoogwaardig 360°-zicht bieden op wat er in en rond een auto gebeurt, ongeacht de weg- en weersomstandigheden. En door afhankelijk van de situatie alleen de bruikbare data te verwerken, kan de energieconsumptie van de sensorsystemen naar beneden.  

Anticiperen in plaats van observeren  

Uit projecties blijkt dat een auto tegen 2030 dagelijks maar liefst tien tot twaalf terabyte aan gegevens kan genereren; gegevens die zowel in de auto als in de cloud moeten worden verwerkt. En sommige fabrikanten willen nog een stap verder gaan. Terwijl de sensorsystemen van vandaag zich beperken tot het 'waarnemen' van de omgeving, hebben verschillende spelers zich voorgenomen oplossingen te ontwikkelen die de intenties van weggebruikers kunnen voorspellen. Denk aan fietsers die - voordat ze linksaf slaan - iets van hun oorspronkelijke traject beginnen af te wijken. Als rijhulpsystemen deze subtiele signalen zouden kunnen opvangen, zouden ze uiteindelijk (potentieel gevaarlijke) verkeersscenario's kunnen herkennen en erop anticiperen, net zoals menselijke bestuurders dat (soms) doen.   

Uit projecties blijkt dat een auto tegen 2030 dagelijks maar liefst tien tot twaalf terabyte aan gegevens kan genereren.

Eén van de cruciale elementen om dit mogelijk te maken, wordt de ontwikkeling van gespecialiseerde rekenchips die een nog hogere rekenkracht (zoals high performance supercomputers) combineren met een verbeterde energie-efficiëntie. De geavanceerde chiptechnologie die daarvoor nodig is, moet nog ontworpen en gebouwd worden. 

Geconnecteerd met weginfrastructuur en andere weggebruikers 

De auto van de toekomst opereert niet langer in een vacuüm: hij is permanent verbonden met de wereld rondom zich en wisseltrelevante sensorgegevens uit, zowel met andere auto's als met de weginfrastructuur, zoals intelligente verkeerslichten.   

Deze informatie-uitwisseling draagt bij tot vlotter verkeer, maar ook aan de verkeersveiligheid. Hulpdiensten voorrang geven op gevaarlijke kruispunten, veilige omwegen aanreiken of informatie geven over wie het volgende kruispunt nadert: het kan allemaal.  

Uiteraard zal je auto niet mogen stilvallen als het netwerk het begeeft, en daarom zal een grote basisfunctionaliteit geen netwerkconnectie nodig hebben. Maar bepaalde intelligente toepassingen vergen een stabiele draadloze netwerkverbinding. En dat verklaart de belangstelling van autofabrikanten voor de vijfde en zesde generatiemobiele technologie (5G en 6G).   

Vergeleken met de huidige mobiele netwerken (4G) zal 6G gebruik maken van hogere radiofrequenties om een brede geografische dekking en hoge bandbreedtes te combineren met een beperkte signaalvertraging. Dit is een van de grootste uitdagingen, aangezien de huidige telecomchips het zendvermogen en de energie-efficiëntie missen om te werken op frequenties van 100 GHz en hoger.   

De grootste uitdaging: energieverbruik onder controle houden 

Energie-efficiëntie is een hot topic in de automobielsector, en dat is beslist geen toeval: de toenemende energiebehoeften van geavanceerde chips staan haaks op de beperkte batterijcapaciteit van elektrische wagens. En wat heb je aan een slimme, autonome auto als die om de paar kilometer moet worden opgeladen? Het energieverbruik van chips moet drastisch omlaag.     

De huidige op sensoren gebaseerde rijhulpsystemen verbruiken ongeveer vijftig watt. Naarmate ze evolueren naar (semi-)autonome systemen waarbij menselijke bestuurders alleen hoeven in te grijpen in geval van nood, zal hun energieverbruiktoenemen tot duizend watt per uur (als we uitgaan van de huidige technologie). Dat heeft uiteraard een behoorlijke impact op het rijbereik, wat vandaag een van de belangrijkste verkoopsargumenten is van autoconstructeurs. 

Zelfs als nieuwe generaties halfgeleiders een aanzienlijk lager energieverbruik hebben, wordt de winst grotendeels tenietgedaan door het enorme aantal chips dat nodig zal zijn om de elektrische en software-gedefinieerde voertuigen van morgen te bouwen. Het maakt dat we oplossingen voor dit probleem ook buiten de klassieke efficiëntieverbeteringen zullen moeten zoeken.     

De oplossing: samenwerking en integratie van hard- en software 

Chips beschikken vandaag nog niet over de rekenkracht of energie-efficiëntie om de autosystemen van morgen te bouwen. Maarde tijd dringt: autobouwers kunnen zich niet veroorloven om af te wachten tot de chipindustrie haar strategische keuzes gemaakt heeft, of tot toeleveranciers met nieuwe onderdelen aandraven. De innovatie moet drastisch versnellen, en op maat van de autoindustire gebeuren. Autobouwers moeten daarom mee komen bepalen hoe de volgende generaties microchips erzullen uitzien. Dat vereist een veel nauwere samenwerking tussen chipindustrie en autofabrikanten dan vandaag. Strategische consortia vormen zal cruciaal zijn. 

Daarnaast moeten hard- en softwareontwikkelaars veel nauwer gaan samenwerken: door hard- en software samen te ontwikkelen, kunnen ze efficiënter en beter samenwerken. Om dat concreet te maken, keren we even terug naar de auto van de toekomst. Die zal bomvol sensoren zitten die gegevens genereren. Maar in welke vorm komen die gegevens aan in een sensorfusiesysteem? Vindt er voorbewerking plaats? En zo ja, door welke software? Als je dat niet weet, terwijl je al begint te bouwen aan de hardware-architectuur van dat sensorfusiesysteem, dan focus je misschien op een suboptimale oplossing. Want misschien zal gespecialiseerde AI nodig zijn om de ruwe gegevens van een radar op een energiezuinige manier te vertalen, alvorens ze naar de centrale computer gestuurd worden.  

Vandaag bestaat een auto uit een verzameling afzonderlijk geproduceerde onderdelen die pas aan het eind van de rit worden geassembleerd. Het hele proces is hardware-georiënteerd. Door de integratie van intelligente rijhulpsystemen en andere elektronica wordt de softwarecomponent in onze wagens steeds belangrijker. De auto’s van morgen zullen niet veel verschillenvan slimme robots. Autoconstructeurs zullen dus ook een beetje robotica-specialisten moeten worden. Partnerschappen met de chipindustrie moeten dat mogelijk maken.  

Kans voor Europese auto-industrie 

Binnen de internationale autowereld zal de concurrentie de komende jaren stevig aanwakkeren. Wie bouwt autotechnologie die uiterst betrouwbaar, schaalbaar én vele malen energie-efficiënter is? Het zal bepalen welk bedrijf de Kodak van z’n generatiewordt, en wie het pleit wint. 

De Europese Chips Act, die voortgekomen is uit de toeleveringsproblemen met chips en geopolitieke uitdagingen, biedt kansenvoor de Europese auto-industrie om een graantje mee te pikken van de baanbrekende evolutie van de auto-industrie, en tegelijk een stap dichter te komen bij veilig en vlot verkeer voor haar burgers. Pilootlijnen verkorten het traject van onderzoekscentrazoals imec naar productie (van lab naar fab), voor kritische technologiedoorbraken in sensoren, connectiviteit en de optimalisatie tussen hard- en software (edge AI, FDSOI, kwantum, III-V materialen). 

Die pilootlijnen zullen ondersteund worden door cloudgebaseerde designplatformen, zodat de chipdesignwereld altijd toegang heeft tot de meest recente technologie, en die meteen kan meenemen bij het ontwerpen van de nieuwe, geavanceerde chips. Tegelijk zet de EU via haar Chips Act in op de veerkracht van de toeleveringsketen van niet-geavanceerde chips, die de komende jaren ook een belangrijke rol zullen blijven spelen in de assemblage van auto’s.