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車載資通訊演進吹起「消費性」風潮
處理器核心與半導體製程缺一不可

【作者: 姚嘉洋】   2015年04月16日 星期四

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即便全球汽車市場相當封閉,但翻開主要車用半導體業者的解決方案,在主系統的所需要的處理器晶片架構中,我們可以看見相當熟悉的影子,像是前陣子比較常見的Cortex-A15,伺服器應用與新一代智慧型手機專用的64位元架構的Cortex-A53,也開始出現在這些車用半導體業者的產品藍圖中,在這邊,我們可以先作一個簡單的結論,ARM的生態系統就如同病毒一般地,從智慧型手機與車用微控器(MCU)中,開始蔓延到車用多媒體娛樂與資通訊系統上,而這也意味著,即便是在車用前裝市場,其技術發展導向開始產生了不同的變化。


跨過安全門檻 車載資通訊吹起消費性風潮

TI(德州儀器)應用協理鄭曜庭指出,光是在車內的顯示技術就會分散在儀表板、擋風玻璃與中控台等。以擋風玻璃為例,它就能結合虛擬實境(偵測車外環境並顯示重要訊息)、圖資系統與車內重要資訊等,加上後座也會有多媒體娛樂與分擔部份ADAS(先進輔助駕駛系統)的被動安全功能,所以若要一顆應用處器一次涵蓋這麼多功能,同時又要符合車規需求,在性能要求與可靠度就必須具備高度的水準。


所以在處理器設計上,TI的作法就是採用「異質多核心」的架構,來因應車載多媒體這類高度複雜的系統,在這當中以TI旗下的Jacinto 6系列產品線為主力,它雖然細分高中低等不同層級的規格,但大體上還是包括了處理器核心Cortex-A15、Cortex-M4、DSP核心、GPU核心與EVE(內建視覺引擎)等。鄭曜庭表示,這種架構的好處在於可以有效分工,不同的核心可以各自負責不同的工作,在這樣的情況下,還會有很多核心的資源是沒有被用到的,這時候客戶就還有辦法多做一些附加價值的功能與設計。


瑞薩電子行銷暨車用事業部副理何吉哲也表示,車載系統並不只是有影像的問題需要考量,舉例來說,當藍牙系統啟動的時候,導航系統不能因此而停止運作,所以從控制到所謂的多工處理是相當重要的關鍵,而處理器本身能不能作到?對車用系統而言,系統過載是不被允許的。所以在晶片架構的設計上,就會專門針對車用規格所打造,此外會採用異質多核心的作法,讓各核心各自擔綱所負責的工作。何吉哲也認為,談到車聯網、車載資通訊乃至於控制層面的問題,長期來看,它們彼此之間的關係只會愈來愈密切,而在過去,把它們各自獨立討論,是相對沒有問題的。



圖一 : TI與瑞薩電子的車用處理器,都是採用異質多核心的架構,以達到專業分工之效。(Source:TI)
圖一 : TI與瑞薩電子的車用處理器,都是採用異質多核心的架構,以達到專業分工之效。(Source:TI)

NVIDIA銷售經理蕭怡祺表示,NVIDIA自2003年開始便採取轉型動作,朝向GPGPU(通用繪圖處理器)的領域發展,車用顯示器自然也是NVIDIA鎖定的應用領域之一,所以自2007年開始推動相關解決方案,在當時,正是Tegra 3推出前後的時間點,而可以確定的是,車用系統開發的速度是遠遠不及消費性電子的。


鴻海科技集團安泰電業總經理室資深經理李茂昇說,相較於國外,台灣的資通訊產業實力其實不差,若能加以整合,要拓展海外市場或是與國外競爭對手抗衡,並不會太困難,如果說,在滿足安全基本要求的前提下,我們能縮短車載多媒體娛樂或是資通訊系統的開發時間,是否能有機會能讓國外車廠有所驚豔?早前NVIDIA在推出車用處理器時,全球汽車大廠奧迪便與之合作,一路到現在,也累積了相當多的經驗與實力,李茂昇認為,尋求了解車廠需求的半導體業者的協助,會是開拓國外市場的重要關鍵。


蕭怡祺指出,一般來說,汽車從規劃到量產約莫需要五年左右甚至是更長的時間,但採用NVIDIA的協助,將有機會縮短至一年半左右。李茂昇也提到,如果能大幅縮短開發時間,這對於全球車載資通訊與多媒體娛樂系統的開發,將是一場前所未有的革命。但李茂昇也強調,像是ISO 26262或是各大車廠專屬的規範,從硬體系統到演算法等,都必須通過驗證才有意義。



圖二 : 消費性電子最大的特色就是變動相當快,但若能在不違背車用安全的情況下,縮短設計時間,其實也是一大利多。此為安泰科技利用NVIDIA應用處理器所開發出的中控台系統。可同時啟動雙視窗進行環景監控。(攝影:姚嘉洋)
圖二 : 消費性電子最大的特色就是變動相當快,但若能在不違背車用安全的情況下,縮短設計時間,其實也是一大利多。此為安泰科技利用NVIDIA應用處理器所開發出的中控台系統。可同時啟動雙視窗進行環景監控。(攝影:姚嘉洋)

既然車用處理器開始搭載了ARM的處理器核心,

不免俗地又必須看到作業系統業者與車廠之間的關係,

不過,畢竟安全性還是第一優先,蘋果與Google等陣營,想要攻進不動如山的汽車產業,也許還要再等等。

處理器核心大躍進 64位元漸成主流

值得注意的是,不論是瑞薩或是TI現有的解決方案,針對車載資通訊或是多媒體娛樂,皆是採用相對成熟的28奈米製程。鄭曜庭說,以TI目前現有的系列處理器而言,就已經全線採用該製程了,雖然28奈米製程相當成熟,但早在三年前左右,TI就已經規劃並確定了這樣的 搭配,而在當時,28奈米還是屬於相當先進的製程,但是現在已經是相對成熟了。


而瑞薩的下一代產品藍圖,則是預計採用16奈米製程與64位元架構的Cortex-A57核心,巧合的是,NVIDIA新一代的車用處理器K1,也搭載了同樣的核心,甚至也同時放入了Cortex-A53。對此,鄭曜庭認為,重點不在核心架構是32或是64位元,重點是該核心與對應的半導體製程,是否能適用在車用系統上?TI不會貿然採用不成熟或是不了解的技術導入車用系統中,但是放眼未來,若64位元架構與對應製程已經到了可以符合車用規範的時候,TI也不排除採用64位元的處理器核心。


ARM台灣應用工程經理徐達勇也表示,從車載資通訊到多媒體娛樂,已經看到Cortex-A15、A53乃至於A57陸續出現在半導體業者的方案中,ARM的確樂見這樣的情況發生,他也同意這類系統的發展,的確會開始沿襲消費性電子的產業特性。至於採用64位元核心的理由,徐達勇坦言,直觀地看,64位元處理器核心的效能的確在32位元之上,但主要的理由在於記憶體的支援方面會大於4GB,這對於系統效能而言,也會有相當大的幫助。至於在製程方面,ARM的處理器核心適用於何種製程,一切取決於合作伙伴的決定,從40奈米到16奈米,對應不同的處理器核心,就會產生不同的組合。



圖三 : 在新一代的車用處理器中,瑞薩已經將Cortex-A57與A53納入產品藍圖中,並預計採用16奈米製程。(Source:瑞薩電子)
圖三 : 在新一代的車用處理器中,瑞薩已經將Cortex-A57與A53納入產品藍圖中,並預計採用16奈米製程。(Source:瑞薩電子)

需求不同 ADAS設計也有差異

至於ADAS系統的發展,一般來說,只要有提供車載資通訊與多媒體娛樂的半導體業者,ADAS自然大多也不會缺席。只是就解決方案上各有巧妙而已,大體上,ADAS的設計是利用車身前後左右的攝影機來偵測環境影像,再透過演算法計算後,將重要資訊呈現在中控台,讓駕駛了解目前的環境狀況為何。ADI汽車電子事業部大中華區系統應用經理沈飛表示,除了晶片設計與研發團隊外,ADI還另行建置了系統開發的團隊,他們大多來自於車廠與系統的工程師,他們在業界都有相當豐富的實務經驗,所以它恰巧扮演了自家晶片設計與車廠或是Tier1業者的橋樑,而這也是其他競爭對手所沒有的資源。


沈飛認為,即便是車用的攝影機在不同的位置,基於所攝影的環境與相對的角度不同,或許可以提供對應的處理器,若是用通用處理器來處理車子四周所有的影像,在影像處理的細膩度上,或許就會略遜一籌,所以ADI的策略會針對人物、交通號誌與車輛辨識等不同需求,提供對應的方案。


就ADAS系統的設計方式上,有的作法是直接將攝影機的鏡頭所擷取到的影像直接交由中央專屬的ADAS處理器來進行影像處理,有的作法則是在攝影機終端就直接先採取「預處理」,以減少中央處理器的負擔,但這種預處理的作法,就與我們所熟知的環景影像合成無關,這方面的工作就會交由中央處理器來負責。沈飛直言,關鍵不在半導體供應商能提供何種方案,而是就實務上,客戶需要的是哪一種設計,而半導體供應商能否滿足需求?因為就前端或是後端鏡頭,根本不需要環景影像整合的能力,但若是ADAS的話,就會需要了。


沈飛進一步提出,即便是在終端影像處理上,客戶對於處理能力與晶片尺寸等規格的要求,還是有一定的水準,舉例來說,光是一個交通號誌辨識的處理能力,一顆處理器需要花費多少運算資源、時間與功耗,這就可以好好加以檢視。當然,因應影像解析度與不同影像偵測功能等需求,客戶可以視情況增減處理器的數量。但ADI想表達的是,要實現多種不同影像辨識的功能,並不需要特別豪華的硬體規格才能實現,ADI想提供的,是性價比表現相當優異的方案讓客戶選用。



圖四 : 如果細分來看,ADAS其實也有許多不同需求。(Source:ADI)
圖四 : 如果細分來看,ADAS其實也有許多不同需求。(Source:ADI)

消費性作業系統 短時間內難進車廠供應鏈

至於另一個議題,則是作業系統開始往車用電子領域移動,所產生的競合關係。我們都很清楚,汽車一直是相當封閉的產業,所以自從汽車開始陸續引進資通訊技術後,作業系統陣營如微軟、蘋果與Google等,都對於車用作業系統有極高的興趣,也都各自推出了專屬的作業系統或是成立聯盟,但也如同前面所談到的,汽車本來就是相當封閉的產業,再加上作業系統的進入本身就是已經掌握了汽車內部的核心系統,這對於車廠來說無疑是被掐住脖子一般地難受,所以大多的車廠對於以消費性電子出身的陣營的態度都是採取觀望的心態。


台灣車載資通訊產業協會祕書長周宗保分析,正因為全球車載資通訊市場已經進入了百家爭鳴的時代,所以這種情況是可以預期的,他認為,目前產業的發展走向與當時PC(個人電腦)發展初期是相當類似的,只要能創造市場需求,就如同當時的英特爾與微軟的聯手一般,車廠與作業系統業者之間競合勢必會出現大一統的態勢,這只是時間早晚的問題而已。就智慧型手機市場來看,目前就是以iOS與Android兩大陣營為主,周宗保認為,為了因應市場需求,車廠有可能低頭,妥協採用該兩大陣營的作業系統。


鄭曜庭的看法則是,車廠與這些作業系統業者之間,的確存在角力的情形,而車廠是否有讓步?答案還是有的,不過車廠很明顯還是有底線在,車廠的作法是,它們願意讓在自有作業系統上,運行由Google或是蘋果所提供的應用程式,尤其是導航或是視聽娛樂這類的應用,一方面顧及消費者的使用需求,營造出類似的使用體驗。另一方面也顧及到安全性,如果作業系統當機,勢必會出現重大的安全性問題,為了能作業系統運作無虞,即便應用程式當掉,也不會危及作業系統本身的運作。


鄭曜庭進一步指出,目前全球車載作業系統應以QNX為首,市占率高達七成,福特近期也將新一代的作業系統改為QNX,捨棄了既有的微軟的作業系統。理由無它,就是因為車用系統非常在意可靠度與作業系統品質,它不能隨時有當機的情形,所以鄭曜庭認為,Google與蘋果要攻進車廠的供應鏈,短時間內恐怕還無法看到成效。



圖五 : 即便諸多作業系統陣營想要進入車廠供應鏈,但考量到安全問題,短時間內似乎還是不得其門而入。(Source:http://homenetworking01.info/)
圖五 : 即便諸多作業系統陣營想要進入車廠供應鏈,但考量到安全問題,短時間內似乎還是不得其門而入。(Source:http://homenetworking01.info/)

結論

雖然我們都知道車用電子在汽車上的使用量會逐漸增加,為的是希望在安全性與使用體驗方面能有所提升,這也得益於半導體技術在這幾年的不斷突破,使得封閉的汽車產業,也被打開了個缺口,迎向車用電子所帶來的諸多好處。


而可以想見的是,這些好處將因為半導體技術而逐年增加,過去,消費性電子得益於半導體技術而有相當不錯的表現,從現在,乃至於未來,這股由半導體技術帶動的消費性風潮,也將吹往車載資通訊領域。


註:刊頭圖片 (Source:arstechnica.com)


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