汽車產(chǎn)業(yè)正從過往仰賴機(jī)械元件運作，如火如荼的轉(zhuǎn)向智慧連線的目標(biāo)前進(jìn)，進(jìn)而達(dá)成自動駕駛最終目標(biāo)。欲實現(xiàn)自動駕駛，車載網(wǎng)絡(luò)及電子控制單元(ECU)勢將有全新發(fā)展，本文主要從半導(dǎo)體技術(shù)的觀點，審視當(dāng)今的ECU，接著再根據(jù)車載網(wǎng)絡(luò)日后發(fā)展之可能性，說明未來ECU以及日后半導(dǎo)體技術(shù)之限制與機(jī)會。
起初，汽車主要仰賴機(jī)械元件運作，而如今汽車產(chǎn)業(yè)正面臨轉(zhuǎn)型的過渡期。隨著科技進(jìn)步，汽車中的部分機(jī)械元件逐漸由電子裝置取代(此稱電子化)。目前汽車產(chǎn)業(yè)正朝智慧連線車輛的目標(biāo)邁進(jìn)，逐步實現(xiàn)車輛間與車輛和基礎(chǔ)建設(shè)間的連線，進(jìn)而達(dá)到全面自動駕駛的最終目標(biāo)。此目標(biāo)初衷在于減少車禍?zhǔn)鹿始八劳雎省?0%以上的車禍都是人為因素造成，而自動駕駛車輛將在實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的「零事故」愿景中，扮演關(guān)鍵角色。
然而，自動駕駛車輛并非一蹴可幾；而是須依照美國汽車工程師學(xué)會(SAE)定義的六個等級循序漸進(jìn)導(dǎo)入。這些等級從無自動駕駛開始，升至有條件式自動駕駛，到最后的全自動駕駛(然而即使達(dá)到最高等級的自動駕駛，也需就法律層面加以說明)。
自動駕駛車輛的等級越高，駕駛?cè)嗽谛熊嚻陂g的作用就越低，例如車速控制與轉(zhuǎn)向控制，甚至于全面自動操控；此外，隨著自動化等級提高，車輛也將需要更強(qiáng)的處理能力與感測器以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)頻寬，如此也將勢必為車載網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)的ECU帶來全新發(fā)展。
本文將探討未來的兩種車載網(wǎng)絡(luò)，一種是以網(wǎng)域運算為基礎(chǔ)，另一種則是以中央運算平臺為基礎(chǔ)；此外也將特別說明未來可能出現(xiàn)的ECU。以下先探討ECU以及車載網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)況。
ECU與車載網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)況
現(xiàn)代車輛的車載網(wǎng)絡(luò)是由許多ECU所組成，中/低階車款所含的ECU約有三十個，高階車款則可能高達(dá)一百個。一般的ECU如圖1所示。
圖1 ECU的主要區(qū)塊。
ECU的分區(qū)(Partitioning)也是由半導(dǎo)體技術(shù)驅(qū)動。微控制器一般包含非揮發(fā)性記憶體(NVM)，以便在除錯或功能升級時，可直接于現(xiàn)場更新軟體。(深)次微米CMOS是經(jīng)濟(jì)實惠的技術(shù)解決方案，可將微控制器介面訊號傳輸?shù)念~定電壓降至5V或3.3V，核心供應(yīng)甚至可以更低(如1.5V或1.2V)。
基于此原因，微控制器無法直接連接車用電瓶，兩者間必須加裝穩(wěn)壓器。然而，穩(wěn)壓器也必須能夠承受電瓶線路的大幅電壓波動與瞬變電流。此外，電瓶線路也可能出現(xiàn)靜電放電(ESD)和電磁干擾(EMI)。
在圖1中，其他含外部連接的區(qū)塊，如車載網(wǎng)絡(luò)(IVN)及感測器與致動器介面區(qū)塊，也需要能夠承受此類瞬變電流。簡而言之，微控制器外圍的所有區(qū)塊構(gòu)成了一道屏障，保護(hù)微控制器免于電壓偏移，并避免可能導(dǎo)致微控制器損壞的情況，而此則須仰賴高電壓技術(shù)。
基于這個原因，當(dāng)今的ECU至少必須配備兩項半導(dǎo)體技術(shù)。除此之外，感測器以及若干高功率致動器驅(qū)動器，也須要采用更先進(jìn)的技術(shù)。由于圖1僅顯示兩種主要技術(shù)，我們尚須評估以單一技術(shù)與裝置涵蓋所有功能的可行性。
即使還有最高可以達(dá)90V的車用等級NVM等高電壓技術(shù)，但與微控制器所使用的深次微米車用技術(shù)相較下，這些技術(shù)仍落后幾個節(jié)點(特征尺寸)。
然而，數(shù)位內(nèi)容與SRMM和NVM記憶體不具價格優(yōu)勢，尤其是NVM，與多芯片實作相較下，此類單芯片或系統(tǒng)單芯片(SoC)的解決方案價格顯得過高。
因此，SoC在當(dāng)今ECU中尚未廣泛應(yīng)用，而是主要用于以LIN為基礎(chǔ)的從屬節(jié)點，因為在此類節(jié)點中，NVM的需求偏低，也不需要強(qiáng)大處理能力。
一般認(rèn)知的可行做法，就是在所謂的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)中，結(jié)合穩(wěn)壓器與IVN，或者甚至結(jié)合穩(wěn)壓器、IVN和感測器介面，或定義為特殊應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)的致動器驅(qū)動器。
上述類型產(chǎn)品的目的在于降低系統(tǒng)成本，而且由于整合式功能也須要使用高電壓技術(shù)，因此在技術(shù)上完全可行。
車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多ECU各司其職
在當(dāng)今的車載網(wǎng)絡(luò)中，ECU通常僅支援一種應(yīng)用，如引擎控制、車窗升降機(jī)或電動輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；例外的情況非常之少，如結(jié)合煞車與安全氣囊ECU。因此，最重要的是了解每一個專用ECU都要自行處理感測器資料和演算法。
以當(dāng)今的煞車ECU為例，維持車輛穩(wěn)定性和防止輪胎鎖死所使用的演算法，都是由煞車ECU自行運行，就當(dāng)今的汽車架構(gòu)而言，幾乎無一例外，這點將于本文其他部分進(jìn)一步探討。
以網(wǎng)域為基礎(chǔ)之車載網(wǎng)絡(luò)
圖2說明了以多個網(wǎng)域為基礎(chǔ)的車載網(wǎng)絡(luò)。車用等級以太網(wǎng)絡(luò)實體層(PHY)技術(shù)與交換器是此架構(gòu)的要素。如圖2所示，以太網(wǎng)絡(luò)科技是作為通訊骨干之用，由此可知網(wǎng)絡(luò)包含數(shù)個網(wǎng)域控制器。
圖2 以網(wǎng)域為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)。
其中一個就是實現(xiàn)(半)自動駕駛車輛關(guān)鍵的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)網(wǎng)域控制器。汽車電子元件供應(yīng)商針對此控制器，推出BlueBox開發(fā)平臺，可處理來自攝影機(jī)和雷達(dá)或光達(dá)(LiDAR)的多個感測器資料串流，支援感測器融合對于自動駕駛車輛而言，是非常關(guān)鍵的重要功能。
BlueBox總計具備90,000 DMIPS(Dhrystone每秒百萬條指令)的運算能力，處理器的總耗電量則不到40瓦。
圖2架構(gòu)得變更個別ECU，可以在網(wǎng)域控制器上，執(zhí)行感測器資料處理及/或執(zhí)行演算法。由于所需的NVM較少，因此相應(yīng)的ECU可以使用功能性較低的微控制器。在此一情況之下，感測器是位在ECU內(nèi)部，因此不需要外部感測器連接，便能夠省去使用高電壓技術(shù)的耗電問題。
此外，在雷達(dá)感測器ECU中，可透過深次微米CMOS技術(shù)實現(xiàn)感測器介面。這也可用于實作微控制器，在結(jié)合感測器介面與微控制器的ASSP旁，還有一個實作IVN和穩(wěn)壓器的SBC，用于為ASSP配電。
透過以太網(wǎng)絡(luò)供電后，甚至可以省去連接電瓶及相關(guān)高電壓技術(shù)的需求。如此一來可實現(xiàn)完全采用深次微米技術(shù)的SoC解決方案。
運用中央運算平臺提升可擴(kuò)充性
在極端情況下，還可考慮將多個或所有網(wǎng)域控制器合并至中央運算平臺的做法，這是在2016年德國路德維希堡舉行的汽車會議中，由多家OEM所提出的方案。此一做法的優(yōu)點在于具備各種不同的車輛平臺的可擴(kuò)充性，并且可透過備用記憶體進(jìn)行日后更新，但這些功能也可以在其他架構(gòu)上實現(xiàn)。
散熱絕對是這些平臺的重要考量，因此可能須要使用風(fēng)扇或水冷裝置，雖然電動車幾乎均已配備水冷裝置，但仍會提高模組成本。在這些模組中，采用最先進(jìn)深次微米CMOS技術(shù)的微控制器是最理想的選擇，但這些技術(shù)一般均未符合車用資格。
此外，為了顧及重要的行車安全，模組也必須符合需在開發(fā)過程和裝置架構(gòu)設(shè)計上采取特殊預(yù)防措施的ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。最后還須符合「零ppm」的品質(zhì)等級。在以上所有層面中，比起欲搶攻汽車市場的新半導(dǎo)體供應(yīng)商，傳統(tǒng)汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商占較大優(yōu)勢。探討過中央運算平臺后，接著將評估這些車載網(wǎng)絡(luò)對個別ECU的影響。
在此情況中，處理作業(yè)同樣不是在ECU上執(zhí)行，代表不需要龐大的處理能力，所需的NVM也很小。此外，微控制器越小，就越省電，因此可縮小穩(wěn)壓器的規(guī)格，進(jìn)而提升成本效益。
因此，所有必要功能性均可在符合成本效益的情況下，透過一個高電壓半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)(包括車用等級NVM)，進(jìn)而打造出以SoC為基礎(chǔ)的ECU。事實上，與當(dāng)今的車輛相較下，許多ECU均已可達(dá)成此一實作。
SoC將結(jié)合微控制器與穩(wěn)壓器、IVN及致動器驅(qū)動器和感測器介面，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本。由于模組的功率消耗及實體尺寸均能縮減，因此可進(jìn)一步降低整體模組成本。另外，相較于傳統(tǒng)架構(gòu)，現(xiàn)在需要更多頻寬來支援中央網(wǎng)域處理模組的通訊傳輸。
此外，傳送的資料可能攸關(guān)行車安全(如剎車或安全氣囊的致動)。因此，當(dāng)處理程序不是在ECU上執(zhí)行時，便必須考量到感測器與致動器之間可能會產(chǎn)生額外的延遲，進(jìn)而影響整個控制回路的穩(wěn)定性。如此一來，便需要有(最大)延遲確保機(jī)制，這將提高IVN成本，但前述的系統(tǒng)成本降低或許可抵銷提高的成本。
ECU運算移至云端仍須克服多種挑戰(zhàn)
我們已經(jīng)討論過將運算從ECU轉(zhuǎn)移到網(wǎng)域控制器或中央運算平臺的做法，但在未來的車輛架構(gòu)中，也可以將部分運算功能性轉(zhuǎn)移至云端。在此以由AUDI、BMW和Daimler共同持有的HERE公司為例說明。
這項做法可提供當(dāng)今導(dǎo)航系統(tǒng)所需的地圖與服務(wù)，當(dāng)然也可滿足未來自動駕駛車輛的導(dǎo)航系統(tǒng)需求。問題在于，是否能將各類車輛所需的各種運算能力，通通轉(zhuǎn)移至云端？這很快就會導(dǎo)致需要快速反應(yīng)時間的應(yīng)用程式出現(xiàn)問題，部分原因出在應(yīng)用程式與云端通訊往返所造成的延遲時間。此外，此做法也會產(chǎn)生大量難以管理的資料。當(dāng)然，不論是云端之間的相互連線通訊或者云端儲存，資料安全性都是一大關(guān)鍵考量。
總而言之，未來的半自動駕駛和自動駕駛車輛，乃至于概念車(X Vehicle)，均須要仰賴比當(dāng)今車輛更強(qiáng)大的處理能力與感測器。本文說明ECU的現(xiàn)況以及此類ECU所使用的半導(dǎo)體技術(shù)。文中也根據(jù)未來可能出現(xiàn)的車輛架構(gòu)(例如以網(wǎng)域為基礎(chǔ)的解決方案以及中央運算平臺)，介紹新型的ECU。即便以上兩種解決方案均各有利弊，在中短期內(nèi)合理預(yù)計將會導(dǎo)入以網(wǎng)域為基礎(chǔ)的架構(gòu)，而就中央運算平臺而言，安全、可靠度以及成本等因素仍有待解決，中央模組的部分尤其如此。