Alla fine di giugno una iniziativa promossa dalla Commissione Europea, ha avviato l’integrazione di tutti i protagonisti rilevanti dell’industria e della ricerca nonché dei soggetti finanziatori nel settore degli embedded systems.
Embedded systems è un sistema di uno o più chip di silicio su cui vengono integrati hardware e software per adempiere a funzioni rilevanti e critiche in una grande molteplicità di applicazioni, dalla elettronica di consumo alle telecomunicazioni, ai sistemi di produzione di energia e di trasporto (si veda la figura 1).
Si tratta di sistemi che forniscono intelligenza ad apparati dei quali sono una parte. Un importante requisito per la loro proliferazione è l’integrazione senza soluzione di continuità con l’ambiente in cui debbono operare, nel rispetto di vincoli di affidabilità, disponibilità, robustezza, consumo energetico, dimensione, peso e costo.
Gli embedded systems debbono essere:
– reattivi, dovendo mettere la loro risposta e le loro prestazioni in relazione con l’ambiente in tempo reale;
– autonomi, in modo da eseguire le loro funzioni senza intervento umano, a volte per lunghi periodi di tempo;
– invisibili, ovvero il loro utilizzatore non dovrebbe pensare a loro come fossero un computer.
Un’automobile contiene oramai un numero di chip superiore a quello di un tipico PC, ma noi non la pensiamo come un PC.
Gli embedded systems sono oggi uno dei settori tecnologici di maggiore interesse e sono caratterizzati da una crescita a due velocità: quella della complessità del software che tende a essere molto più rapida di quella dell’hardware. Mentre il numero di elementi per chip raddoppia ogni 18 mesi, il numero di righe di software per chip raddoppia ogni 10 anni e la produttività del software ogni 5 anni.
Costruire embedded systems a livelli garantiti di funzionalità e di qualità è una grande sfida tecnologica. La progettazione centrata sul sistema (olistica) di componenti embedded deve essere fondata su metodi e standard rigorosi, in grado di far fronte a livelli crescenti di complessità, con un compromesso accettabile tra costo e qualità e con una elevata interoperabilità tra componenti eterogenei. Ma è anche una sfida che in Europa dobbiamo assolutamente superare dato che questi sistemi sono assolutamente critici e di importanza strategica per la nostra economia essendo un fattore cruciale della innovazione industriale.
Le embedded tecnologies offrono rilevanti vantaggi a coloro che sviluppano sistemi e servizi, generando valore aggiunto, migliorando la competitività e creando nuovi mercati. Sono il settore con il più alto tasso di crescita nel mondo delle tecnologie della informazione e della comunicazione.
L’Europa ha una posizione di leadership in settori nei quali queste tecnologie hanno un ruolo centrale per la crescita; in particolare nella avionica, dove le tecnologie fly-by-wire danno un vantaggio competitivo assai importante nel costo di gestione degli aerei. Anche nel settore automobilistico i fabbricanti europei e i loro fornitori di componenti hanno un vantaggio importante nel controllo della combustione, dei freni e dello sterzo by-wire.
Ma è una leadership che si va indebolendo a volte per le scelte strategiche di industrie europee che trovano conveniente delocalizzare verso Asia, Cina e India soprattutto, non solo le attività produttive, ma anche quelle di progettazione. Il problema vero da affrontare è quello di un impulso importante alle attività di ricerca e sviluppo e a quelle di formazione del personale. Fino a ieri la ricerca europea in questo settore era caratterizzata da una frammentazione degli sforzi e dei finanziamenti, da ridondanza e da mancanza di una visione globale.
L’iniziativa della Commissione Europea dello scorso giugno ha dato vita alla Embedded Systems Technology Platform, sotto la guida di Pasquale Pistorio, presidente e amministratore delegato della STMicroelectronics.
Questa piattaforma è la terza lanciata dalla Commissione Europea dopo quelle sull’idrogeno e sulle nanotecnologie. Alla base di tutte e tre stanno la mobilitazione della ricerca europea, lo sviluppo di partnerships tra operatori pubblici e privati e la creazione di centri di eccellenza europei in grado di competere con quelli americani, quali Berkeley, Carnegie Mellon, MIT.
Gli elementi chiave sono una prospettiva di lungo termine condivisa, un accordo sugli obiettivi e le priorità e una grande apertura a includere tutti coloro che siano interessati e abbiano competenze specifiche. L’attenzione di queste iniziative è soprattutto verso lo sviluppo di tecnologie, a differenza delle altre iniziative europee, le cosiddette sector platforms, (aeronautica, trasporto stradale, trasporto ferroviario) orientate piuttosto ai problemi settoriali. Il salto tecnologico che ci aspetta è gigantesco: il passaggio dalla struttura relativamente semplice del singolo processore degli anni 1990 a quella di microcomponenti integrati in rete del 2010 (si veda la figura 2). Si debbono raggiungere obiettivi in materia di architetture distribuite, di sicurezza, di complessità e si debbono risolvere i problemi legati alla eterogeneità di sensori, attuatori e sistemi di comando vocale.
Vi sono poi esigenze di protocolli di comunicazione, di standard e di minimizzazione degli assorbimenti di energia.
In sintesi le sfide tecnologiche possono essere descritte secondo tre discontinuità e cinque tematiche, per ciascuna delle quali sviluppare una agenda di ricerca.
Le tre discontinuità sono i passaggi da:
– sistemi chiusi a sistemi interconnessi;
– piattaforme chiuse a piattaforme aperte;
– standard Telecom (ATM, WAP …) a protocolli IP.
Le sfide tecnologiche sono quelle di:
– architetture di calcolo e software
Gli embedded systems stanno diventando reti di calcolo che debbono essere indifferenti rispetto al dominio della applicazione e alla localizzazione della rete. L’intera architettura del sistema deve essere ottimizzata per caratteristiche non funzionali, quali per esempio il consumo di energia.
– comunicazione
Il protocollo IP ha dimostrato la potenza di un protocollo universale che si sta espandendo dalle reti dati TLC alla voce su IP, alle reti domestiche e aziendali. Per gli embedded systems dovremo definire e standardizzare un protocollo di comunicazione universale che sia in grado di far parlare tra loro sistemi eterogenei: l’ambiente dell’auto, quello del telefono mobile, quello domestico; portando diversi oggetti comunicanti a formare una sola funzionalità.
– periferiche
Trasduttori, sensori e attuatori sono tecnologie essenziali per gli embedded systems, che interfacciano ambienti a volte non facili da gestire. è richiesto lo sviluppo di una ampia gamma di tecnologie fino ai biosensori e di tecnologie di interfaccia delle comunicazione.
– metodi di progettazione orientati alla complessità
Con un gioco di parole si può dire che i nano sistemi portano a giga complessità; la conseguenza è che, a meno di un vero balzo della loro produttività, tra cinque anni avremo bisogno di team di progettisti molto più grandi, fino a dieci volte, di quelli di oggi.
– sicurezza
Il primo problema è quello della vulnerabilità dei singoli apparati, dotati di embedded system, ad attacchi distruttivi in ambienti di reti aperte. Il secondo, di natura diversa, ma non meno importante dal punto di vista economico, è quello della gestione dei diritti di contenuti digitali, anch’essa particolarmente difficile da proteggere in ambiente di rete aperto.
Discontinuità e sfide tutte di grade complessità, che richiederanno nei prossimi anni uno sforzo gigantesco. Uno sforzo che può essere reso meno arduo solo minimizzando la sovrapposizione e le ridondanze nelle attività di ricerca; e questo è il primo obiettivo che la piattaforma tecnologica si propone.
