TECHNOLOGIES CLÉS 2010 (novembre 2006)

Technologies de l’information et de la communication

6. Ingénierie des systèmes embarqués

Description

L'ingénierie des systèmes embarqués fait référence aux méthodes, techniques et outils (équipements, logiciels, plates-formes) pour la conception et le développement de sous-systèmes intelligents capables de contrôler une large gamme d'équipements électroniques (appareils photos, téléphones mobiles), de systèmes industriels (usines, production d'énergie), d'infrastructures (réseaux de diffusion d'énergie).

Les systèmes embarqués peuvent être vus comme des ordinateurs enfouis dans les équipements électroniques du quotidien (téléphones, voitures, avions, satellites, engins industriels). Ils sont souvent développés pour une application particulière et sont soumis à des contraintes fortes : faible consommation, capacité mémoire réduite, temps-réel, communication, etc.

Le logiciel prend une place de plus en plus importante dans les systèmes embarqués si bien que certaines fonctions qui étaient assurées par du matériel (hardware) deviennent du logiciel (software). Ainsi la frontière entre le matériel (répondant à des questions de performance) et le logiciel (utilisé pour sa flexibilité) est de plus en plus floue. L'utilisation de la co-conception matérielle-logicielle n'étant pas encore généralisée, les techniques usuelles de conception de systèmes embarqués conduisent à spécifier de façon disjointe le hardware et le software, ce qui engendre plusieurs inconvénients :

• le manque de représentation unifiée des fonctions software-hardware rend difficile la vérification du système dans son ensemble et peut entraîner des incompatibilités hard/soft ;
• la définition a priori de la répartition des fonctions hardware-software conduit à des conceptions non optimisées (manque de continuité) ;
• le manque de visibilité au niveau des spécifications fonctionnelles rend les révisions difficiles, ce qui a un impact direct sur le temps de mise sur le marché.

Les méthodes d'ingénierie des logiciels en général servent de cadre (voir aussi composants logiciels) pour l'ingénierie des systèmes embarqués mais doivent faire l'objet d'adaptations pour tenir compte des contraintes spécifiques au domaine de l'embarqué. Plusieurs défis technologiques doivent être affrontés :

• méthodes de conception permettant d'optimiser la performance et la consommation d'énergie ;
• langages de spécification et de modélisation adaptés aux problématiques spécifiques de l'embarqué, c'est-à-dire temps réel, tolérance aux fautes, sécurité, embarquabilité ... et les boites à outils associées ;
• méthodes de test et de vérification formelle adaptées aux systèmes embarqués (validation par construction, prise en compte des contraintes matérielles ...) ;
• méthodes pour l'intégration de composants réutilisables certifiés (COTS - commercial off the shelf) ;
• architectures (logicielles) pour systèmes embarqués distribués, communicants et hétérogènes ;
• autonomie des systèmes par adjonction de fonctions « intelligentes » ;
• réduction de la vulnérabilité des systèmes embarqués aux attaques extérieures (virus, intrusions, etc.).

Les outils associés permettant d'assister la production doivent être développés. Ils concernent :

• le langage de programmation et les compilateurs ;
• les ateliers de développement intégrant les outils de modélisation, exécution et vérification ;
• les outils d'aide à la décision relatifs au choix de la répartition des fonctions (liés à la vérification et à la simulation) ;
• les ateliers de coconception matérielle-logicielle ;
• les plates-formes de cosimulation.

La généralisation des systèmes embarqués dans l'environnement quotidien tend à s'appuyer sur les capacités des systèmes hétérogènes à communiquer et à s'adapter aux changements de contexte. De fait, des systèmes embarqués provenant de divers équipements et de diverses origines doivent pouvoir interopérer. Cela induit la nécessité de disposer de standards ouverts prenant en compte les spécificités des équipements embarqués.

Enjeux, Impact

Dans les systèmes critiques (avionique, nucléaire, spatial, etc.) les comportements doivent être garantis car des défaillances peuvent avoir des conséquences irréversibles (vies humaines en péril par exemple). L'acceptabilité des fonctions logicielles (leur utilisation et leur généralisation) sont donc en jeu. Dans le développement de systèmes moins critiques, des compromis entre plusieurs critères comme la qualité de service, les coûts, les délais de conception et de déploiement ou la consommation d'énergie des équipements, la sécurité doivent être déterminés.

Pour les grands intégrateurs, l'ingénierie des systèmes embarqués impacte directement les coûts et délais de développement : près de la moitié des projets de développement des systèmes embarqués sont lancés avec plusieurs mois de retard, et moins de la moitié de toutes les conceptions atteignent leurs objectifs de départ en matière de performances. Ces difficultés sont principalement dues à la complexité de la réalisation de tels systèmes. Cela entraîne une perte importante en termes de parts de marché accessible et de chiffre d'affaires, mais aussi, dans le cas de mise sur le marché de produits défaillants, en termes d'image.

L'environnement normatif dans le secteur des logiciels embarqués en est à ses débuts. Il est encore largement possible pour les acteurs français et généralement européens de s'imposer, d'autant que l'Europe dispose en la matière d'acteurs de premier ordre.

Marché

Les systèmes embarqués (Embedded Intelligent Systems) sont enfouis dans la majeure partie des équipements du quotidien et concernent la quasi-totalité des secteurs d'activité, par exemple :

• le transport automobile et aéronautique : assistance à la conduite et à la commande de vol, maintenance des véhicules, contrôle aérien ;
• le spatial : véhicule orbital ;
• la défense : contrôle de trajectoires, lanceur ;
• le secteur de la santé : équipement de diagnostic médical et de soins ;
• le secteur manufacturier : automatismes industriels, dispositifs de sécurité, assistance à la maintenance ;
• l'électronique grand public : appareils photographiques et vidéo, lecteurs DVD, gros électroménager ;
• les télécommunications : téléphones, switches, routeurs ;
• l'agriculture : robots, surveillance.

En 2003, on pouvait dénombrer 8 milliards de composants électroniques embarqués dans le monde. Selon une estimation, ce nombre pourrait passer à 16 milliards en 2010, soit une moyenne de trois par personne (source IST-High-Level Group on Embedded Systems). Le seul marché mondial des systèmes d'exploitation embarqués devrait progresser de 700 M$ en 2004 à plus de 1,1 Md$ en 2006 (source VDC).

Le logiciel embarqué est de surcroît le secteur des TIC qui dispose du plus fort potentiel de croissance pour les années à venir. Selon l'Idate, les activités de recherche-développement en logiciel devraient connaître une croissance de 130 % entre 2002 et 2015 (ce qui représentera alors 132 Md€ de dépenses de R&D) sur les six secteurs agrégés : aéronautique, automobile, automatismes industriels, télécommunications, équipements de santé et électronique grand public.

Le secteur des systèmes embarqués représente, à ce jour, 460 000 développeurs dans le monde et devrait croître de 10 % par an les prochaines années et ainsi atteindre près de 700 000 en 2010 (source Artemis - Stratégic Research Agenda).

Acteurs

Disciplines scientifiques : informatique, automatique, électronique, mathématiques et leurs applications.

Compétences technologiques : télécommunications, informatique, semi-conducteurs, analyse, mesure et contrôle.

Pôles de compétitivité : Images et réseaux (Bretagne), Solutions communicantes sécurisées (Provence-Alpes-Côte d'Azur), Aéronautique et espace (Aquitaine et Midi-Pyrénées), Transactions électroniques sécurisées (Basse-Normandie), System@tic (Île-de-France), Minalogic (Rhône-Alpes), Vestapolis (Île-de-France), Normandy Motor Valley (Basse et Haute-Normandie).

Liens avec (technologies) : contrôle-commande des réseaux et de la puissance ; infrastructures routières intelligentes ; sécurité active des véhicules ; systèmes aériens automatisés ; positionnement et horodatage ultraprécis ; gestion de la microénergie ; processeurs et systèmes ; RFID et cartes sans contact ; composants logiciels ; infrastructures et technologies pour réseaux de communication diffus ; virtualisation des réseaux ; sécurisation des transactions électroniques et des contenus ; acquisition et traitement de données ; affichage nomade ; contrôle de procédés par analyse d'image ; imagerie et instrumentation associées aux sciences du vivant ; capteurs intelligents et traitement du signal ; ingénierie des systèmes complexes.

Principaux acteurs français

Centres de compétences : Inria, CNRS-LAAS (Toulouse), CEA, IERSET (Toulouse), CNRS-INPG-Verimag (Grenoble), LaBRI (Bordeaux)

Industriels : Esterel technologies, Aonix, Sogeti-Transiciel, Memscap, Tronics, Alcatel Space Industries, Comau Systèmes France, MBDA (Matra BAE Dynamics), SC FLUIDS, ST Microelectronics, Datavision, Thalès, EADS, Dassault Aviation, Trialog. Réseau d'excellence sur la conception de systèmes embarqués : Artist2, Plate-forme FP7 (Artemis) (ww.cordis.lu/ist/artemis/index.html).

Exemples d'acteurs dans le monde : Philips (Pays-bas), Siemens (Allemagne), Continental (Allemagne), Infineon Technologies (Allemagne), Berkeley University (États-Unis), ABB Group (Suisse)

© Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie,
Direction Générale des Entreprises, 12/2006