====== Riistvara ja andurtehnoloogiad ======


Kõigi elektrooniliste süsteemide aluseks olevad aktiivsed füüsilised komponendid on pooljuhid.  Pooljuhid hõlmavad mitmeid peamisi kategooriaid, mis põhinevad funktsioonil, materjalisüsteemil ja integratsioonitasemel. Kõige elementaarsemal tasemel on diskreetsed seadmed, nagu dioodid, MOSFET-id, IGBT-d ja alaldid, mis juhivad voolu ja pinget ning mida kasutatakse laialdaselt võimsuse muundamisel ja mootoriajamites. Analoog- ja segasignaaliga pooljuhid tegelevad tuvastuse, võimenduse, signaali konditsioneerimise ja toitehaldusega (nt ADC-d, DAC-id, pingeregulaatorid, anduriliidesed). Mälu pooljuhid – nagu DRAM, SRAM, NAND-välkmälu ja uued püsimälud, nagu MRAM – salvestavad andmeid ja programmikoodi. Jõupooljuhtides kasutatakse selliseid materjale nagu räni, ränikarbiid (SiC) ja galliumnitriid (GaN), et tõhusalt lülitada kõrgepingeid ja voolusid elektrisõidukites, lennukite toitesüsteemides ja taastuvenergia muundurites. Lõpuks toetavad spetsialiseeritud seadmed, nagu RF esiotsa kiibid, pildiandurid (CMOS), FPGA-d ja AI kiirendid, sidet, taju ja suure jõudlusega andmetöötlusülesandeid. Need kategooriad koos moodustavad kihilise pooljuhtide ökosüsteemi, mis on aluseks kaasaegsetele auto-, õhu-, mere- ja kosmoseelektroonikatele. Oluline kategooria on digitaalsed loogikaseadmed, sealhulgas mikrokontrollerid (MCU), mikroprotsessorid (MPU) ja süsteemipõhised (SoC) seadmed, mis teostavad teatud vormis programmeerimist (FPGA, tarkvara, AI).  Seda käsitleme üksikasjalikumalt järgmises tarkvara peatükis.

Selles peatükis vaatleme pooljuhtide neeldumise ajaloolist tausta erinevates liikuvusvaldkondades. Selle tausta osana toome välja mõned peamised "tootmise" väljakutsed, nagu ohutus, juhtimine ja tarneahela juhtimine. Selle taustaga tutvustame autonoomiaga kaasnevat hüppelist keerukust ja vaatame uuesti läbi peamised "tootmise" väljakutsed. 

===== Ajalooline taust =====

Ajalooliselt põhinesid küberfüüsikalised süsteemid mehaaniliselt, kuid kaasaegse elektroonika tulekuga liikusid kriitilised funktsioonid kiiresti üle elektroonika alamsüsteemidesse.  Näiteks autoelektroonika 1970ndatel ja 1980ndate alguses, karmistatud heitgaasistandardid USA-s, Euroopas ja Jaapanis sundisid autotootjaid kasutusele võtma mikroprotsessoripõhiseid mootorijuhtimisseadmeid (ECU). See, mis sai alguse lihtsatest süüteajastusmoodulitest, arenes välja suletud ahelaga mootori juhtimissüsteemideks, mis käitlevad kütuse sissepritse ja koputuse juhtimist – graafikul näidatud "jõuülekande" plokk. Need varajased pooljuhtide juurutused olid vastupidavad analoog-/segasignaaliga konstruktsioonid, mis optimeeriti töökindluse tagamiseks kõrge temperatuuriga keskkondades, mitte arvutusliku keerukuse tõttu.

1980. aastate lõpu ja 1990. aastate jooksul laienes elektroonika jõuülekandest šassii ja turvasüsteemideni. Mitteblokeeruvad pidurisüsteemid (ABS), elektrooniline stabiilsuskontroll, veojõukontroll ja lõpuks elektriline roolivõimendi (EPS) nõudsid reaalajas tuvastamist ja käivitamist. See vastab pildil olevatele "Chassis" ja "Safety and Control" domeenidele (ABS, turvapadja kontrollerid, TPMS, kokkupõrkehoiatus). Siin võimaldasid pooljuhid hajutatud andurit (rattakiiruse andurid, kiirendusmõõturid, rõhuandurid) ja deterministlikku manustöötlust. Arhitektuur jäi domeenikeskseks: igal funktsioonil oli oma ECU, piiratud domeenidevahelise integratsiooniga. Järgmisel lainel, ligikaudu aastatel 1995–2010, ajendas vähem regulatsioon ja rohkem tarbijate ootused. Sõidukid said teabe- ja meelelahutus- ja mugavuselektroonika platvormideks, mis on näidatud graafiku jaotistes "Infotainment" ja "Mugavus ja juhtimine" (armatuurlaua ekraanid, navigatsioon, kliimaseade, istmemoodulid, kere elektroonika). See etapp tähistas suurema jõudlusega digitaalsete SoC-de, mälu alamsüsteemide ja inimese-masina liidese protsessorite kasutuselevõttu. Oluline on see, et just sel ajal muutusid oluliseks sõidukisisesed võrgustandardid, nagu CAN, LIN ja hiljem FlexRay (loetletud jaotises "Võrgud"). Auto läks üle isoleeritud ECU-delt hajutatud elektroonilisele arhitektuurile, mida ühendasid andmesiinid – pooljuhid ei olnud enam lihtsalt kontrollerid; need olid sidevõrgu sõlmed.

{{:en:safeav:figure3a.jpg?700|}}

Joonis 1: Autoelektroonika

2010. aastateks oli pooljuhtide sisaldus sõiduki kohta plahvatuslikult kasvanud, eriti hübriid- ja elektrisõidukite puhul. Jõuelektroonika (IGBT-d, MOSFET-id, hiljem SiC-seadmed), akuhaldussüsteemid ja kõrgepinge juhtimisaasad suurendasid järsult täiustatud pooljuhtmaterjalide ja segasignaalide integreerimise rolli. Samal ajal vajasid täiustatud juhiabisüsteemid (ADAS) – kokkupõrkehoiatus, parkimisabi, öine nägemine – nägemisprotsessoreid, radari esiosasid ja andurite liitkiipe, mis laiendavad "Ohutuse ja juhtimise" plokki suure jõudlusega andmetöötluse territooriumile.

**Õhusektor**

Kui autotööstuse graafika kujutab elektroonika hajutatud, domeenipõhist valmimist autodes, järgis õhusektor sarnast, kuid ohutuskriitilisemat ja sertifitseerimispõhist trajektoori.
Varasemal reaktiivlennukite ajastul (1950.–1970. aastad) oli lennukielektroonika, mida tollal nimetati avioonikaks, suures osas analoogne ja liit. Radar, navigatsioon, lennuinstrumendid, mootori seire ja autopiloodisüsteemid olid eraldiseisvad kastid, millel oli piiratud ühendus. Algselt asendasid pooljuhid töökindluse ja kaalu vähendamise huvides vaakumtorud, kuid arvutusvõime oli tagasihoidlik. Sarnaselt varasematele automootorite kontrolleritele võeti elektroonika kasutusele konkreetsete töövajaduste lahendamiseks (navigatsiooni täpsus, raadioside ja lennu stabiliseerimine), mitte integreeritud digitaalse platvormi loomiseks. Suurim pöördepunkt tekkis 1980. ja 1990. aastatel digitaalse lennujuhtimise ja "fly-by-wire" arhitektuuride tõusuga, mida tsiviillennunduses lõid teerajajad lennukid, nagu Airbus A320, ja laienesid sõjalistele platvormidele, nagu F-16 Fighting Falcon. Siin läksid pooljuhid nõuandvatest rollidest ohutuskriitiliste juhtkontuuride juurde. Digitaalsed signaaliprotsessorid ja kiirgust taluvad mikrokontrollerid rakendasid stabiilsuse suurendamiseks, mähiskaitse ja mootori juhtimiseks (FADEC) deterministlikke reaalajas algoritme.  

1990.–2000. aastatel astus avioonika "klaasist kokpiti" ajastusse. Sellised lennukid nagu Boeing 777 asendasid analoogmõõturid integreeritud digitaalsete ekraanidega, mida juhivad kõrge töökindlusega protsessorid ja graafika alamsüsteemid. Andmesiinid, nagu ARINC 429 ja hilisem AFDX (ARINC 664), võimaldasid deterministlikku võrku luua lennuarvutite, andurite ja kuvarite vahel – analoogselt CAN-i ja FlexRay-ga autode diagrammil. Kuid erinevalt autotööstuse võrkudest ehitati õhus olevad andmesiinid rangete partitsioonide, koondamise ja rikete piiramise piirkondade ümber. Lennukriitiliste funktsioonide puhul muutusid tavaliseks kolmemooduliline koondamine ja erinevad protsessorid. Tõukejõu- ja toitesüsteemides laienesid pooljuhid seirelt aktiivsele juhtimisele. Full Authority Digital Engine Control (FADEC) üksused kasutasid segasignaaliga ASIC-e ja mikroprotsessoreid, et optimeerida kütusevoolu, vähendada heitkoguseid ja parandada töökindlust. "Elektrilisemate õhusõidukite" kontseptsioonide esilekerkimisega (näiteks Boeing 787) suurenes jõuelektroonika sisaldus märkimisväärselt. Kõrgepingemuundurid, mootoriajamid ja pooljuhtvõimsuse kontrollerid asendasid hüdraulilised alamsüsteemid, peegeldades (ehkki turvalisuse rangelt varem) autode HEV/EV platvormidel nähtud elektrifitseerimislainet.

**Meresektor**

Meretööstuse elektroonikakasutus arenes isoleeritud navigatsioonivahenditest väga integreeritud digitaalsete laevasüsteemideni, järgides konstruktsiooniliselt autotööstusega sarnast trajektoori, kuid palju suurema võimsuse ja pikema varade elutsükliga. 1950.–1970. aastatel oli mereelektroonika peamiselt analoog ja funktsionaalselt eraldatud: radar, sonar, gürokompassid, VHF-raadiod ja põhiautopiloodid töötasid eraldiseisvate süsteemidena. Varajane pooljuhtide kasutuselevõtt keskendus töökindluse parandamisele ja suuruse vähendamisele, eriti radari- ja sideseadmetes. Need süsteemid olid oma olemuselt nõuandvad; tõukejõud ja juhtimine jäid suures osas mehaaniliseks või hüdrauliliseks.
Esimene suurem digitaalne üleminek toimus 1980. ja 1990. aastatel mikroprotsessoripõhise mootorijuhtimise, satelliitnavigatsiooni (GPS) ja elektrooniliste kaardistamissüsteemide saabumisega. Laevadel hakati kasutama digitaalseid tõukejõu regulaatoriid, kütuse optimeerimise süsteeme ja tsentraliseeritud häireseiret. See periood sarnaneb autotööstuse üleminekuga karburaatoritelt mootori juhtseadmetele ja ABS-süsteemidele. Oluline on see, et võrgustandardid, nagu NMEA 0183 ja hilisem NMEA 2000, võimaldasid anduritel ja navigatsioonisüsteemidel andmeid vahetada, tähistades üleminekut isoleeritud mõõteriistadelt hajutatud mereelektroonika arhitektuuridele.

2000. aastateks võtsid suured kommerts- ja merelaevad kasutusele integreeritud sillasüsteemid (IBS) ja integreeritud platvormihaldussüsteemid (IPMS), koondades radari, kaardistamise, sonari, tõukejõu oleku ja ohutushoiatused ühtsetesse digitaalsetesse konsoolidesse. Jõuelektroonika sisu suurenes märkimisväärselt elektriliste ajamite, tõukuri juhtimise, hübriidlaevade toitesüsteemide ja dünaamiliste positsioneerimissüsteemidega. See faas peegeldab autotööstuse laienemist elektrifitseerimisele ja kerevaldkonna integreerimisele. Viimastel aastatel on pooljuhtide tihedus veelgi kasvanud tänu andurite liitmisele kokkupõrke vältimiseks, laevastiku kaugseire, ennustava hoolduse ja varajases staadiumis autonoomsete pinnasõidukite abil. Kuigi regulatiivsed raamistikud jäävad konservatiivseks, koosneb merearhitektuur nüüd omavahel ühendatud tõukejõu-, navigatsiooni-, ohutuse-, energiajaotuse ja autonoomia alamsüsteemidest – mis on kontseptuaalselt analoogne autode graafika domeeniplokkidega.

**Kosmosesektor**

Kosmosesektor järgis paralleelset, kuid rohkem töökindlusest lähtuvat arengut, mille kujundasid kiirgustaluvus, äärmuslikud keskkonnad ja missiooni tagamise nõuded. Varasel kosmoseajastul ehitati kosmoselaevade elektroonikat diskreetsest loogikast ja väga piiratud arvutusvõimega kiirguskindlatest komponentidest. Süsteemid olid rangelt ühendatud: juhtimine, telemeetria, toite konditsioneerimine, side ja soojusjuhtimine olid eraldi alamsüsteemid, millel oli sisseehitatud liiasus. Varased digitaalarvutid, nagu näiteks Apollo juhisarvutis kasutatavad arvutid, näitasid, et pooljuhid võivad võimaldada autonoomset navigeerimist, kuid arvutusvarud olid minimaalsed ja tõrketaluvus oli ülimalt oluline.
1990ndatel ja 2000ndate alguses võimaldasid kiirguskindlad mikroprotsessorid ja standardiseeritud kosmoseaparaadi andmesiinid, nagu MIL-STD-1553 ja SpaceWire, modulaarsemat digitaalset arhitektuuri. Satelliidid võtsid kasutusele struktureeritud alamsüsteemid hoiaku määramiseks ja juhtimiseks, pardal andmete töötlemiseks, kasuliku koormuse töötlemiseks ja võimsuse reguleerimiseks. Sellised missioonid nagu Hubble'i kosmoseteleskoop ja süvakosmose platvormid, nagu Mars Reconnaissance Orbiter, hõlmasid navigeerimiseks, instrumentide juhtimiseks ja rikete haldamiseks üha keerukamat pardatöötlust. See etapp meenutab hajutatud ECU ajastut autotööstuses, kus iga domeeni juhiti digitaalselt, kuid need olid omavahel ühendatud deterministlike siinide kaudu.
Kaasaegsel ajastul on pooljuhtide võimalused kosmosesüsteemides dramaatiliselt laienenud. Suure läbilaskevõimega sidesatelliidid, FPGA-põhised ümberkonfigureeritavad kasulikud koormused, täiustatud tahkis-toitekontrollerid, elektrilised tõukejõusüsteemid ja autonoomsed rikete tuvastamise algoritmid määravad praeguse arhitektuuri. Ärilised konstellatsioonid, mille on välja töötanud sellised ettevõtted nagu SpaceX, on kasutusele võtnud vertikaalselt integreeritud avioonikavirnad ja rohkem tarkvaraga määratletud kosmoselaevade platvorme. Erinevalt autotööstusest seab pooljuhtide disain ruumis siiski kulude optimeerimise asemel esikohale kiirguse kõvenemise, koondamise ja pikaajalise töökindluse. Üldine trajektoor peegeldab autotööstuse diagrammi kihilist kasvu: mõõteriistade digiteerimisest suletud ahela juhtimiseni, võrku ühendatud alamsüsteemideni ja nüüd üha autonoomsemate, tarkvaraga määratletud kosmoseplatvormide suunas.

Mere- ja kosmosevaldkonnas – nagu ka autotööstuses – arenes pooljuhtide kasutuselevõtt jälgimisest juhtimiseni, isoleeritud alamsüsteemidest võrguarhitektuurini ning mehaanilisest domineerimisest elektriliselt ja arvutuslikult vahendatud platvormideni. Arhitektuursed plokid erinevad nimetamise poolest (tõukejõud, navigatsioon, asendikontroll, jõu konditsioneerimine), kuid struktuurilt esindavad nad sama ajaloolist kihistumist, mis on nähtav autofiguuril.