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车联网愿景的实现似乎不再遥不可及
来源:互联网 | 作者:1kic.com | 发表于:2017-03-07 55次浏览
车辆已被业者认为可扮演物联网(IoT)连通装置之一,亦即移动物联网下一个阶段的重要一环。随着汽车在3C之外成为电子科技产业关注的第四C之后,许多半导体大厂也开始进军汽车电子产业,再加上车厂与元件商的大力推助,可以说,车联网愿景的实现似乎不再遥不可及。

车辆已被业者认为可扮演物联网(IoT)连通装置之一,亦即移动物联网下一个阶段的重要一环。随着汽车在3C之外成为电子科技产业关注的第四C之后,许多半导体大厂也开始进军汽车电子产业,再加上车厂与元件商的大力推助,可以说,车联网愿景的实现似乎不再遥不可及。

2015年底,美国运输部(DOT)发布的消息提到,5年后美国所有的新车都将强制配备防止碰撞的车联网(Internet of Vehicles,IoV)装置,也就是车对车(vehicle-to-vehicle,V2V)系统的法规制定计划。该部会的官员并表示,车联网的目的是为了要提供行驶于两线道的驾驶在超越卡车等危险情境前预警,预期将能避免或减轻80%的非驾驶责失撞车意外。DOT、美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)预估此项计划1年后草案将正式底定,在之后的4年内,美国所有轻型车都将强制安装V2V车联网装置。


美国提出这样的法规计划,对半导体厂商或是汽车制造商而言,相当令人狂喜,对吧? 赛普拉斯(Cypress)资深产品行销总监Jeff Baer表示,车联网的发展前景是相当肯定的。目前市场上已经可以普遍看到原始设备制造商(OEM)和一线业者(Tier1)推动从蓝牙(Bluetooth)手机连接车上的娱乐系统,或是增加支持Wi-Fi和蓝牙组合的设备,也就是为车辆中的移动装置提供非常丰富连接本地支持,包括驱动程式装置所需的荧幕,以及连接到乘客装置以共享媒体内容和连结网际网路的能力,而这已是车联网发展历程中一个常见的功能。可以说,车辆已被业者认为可扮演物联网(IoT)连通装置之一,亦即移动物联网下一个阶段的重要一环。

随着汽车在3C之外成为电子科技产业关注的第四C之后,许多半导体大厂也开始进军汽车电子产业,其中高通(Qualcomm)购并恩智浦(NXP)即是一例;据悉台湾电子五哥也已投入汽车应用相关市场。不仅如此,汽车结合通讯技术可衍生的各式应用也开始如火如荼的发展,尤其在第三代伙伴计划(3GPP)将于2017年第二季发布的Release 14标准,即是针对LTE车间普及和通讯服务所制定的规范,预期将可加速车联网应用的发展,再加上车厂与元件商的大力推助,可以说,车联网愿景的实现似乎不再遥不可及。

车联网激起无限应用想像

车联网的概念虽然已经出现一段不算短的时间,但近期的确有较大的进展。德州仪器(TI)半导体行销与应用嵌入式系统总监詹勋琪指出,车联网分为车内与车外,现阶段的发展着重驾驶与汽车间的关系和互动,且车外传输的距离也以短距离为主,因此有第三代伙伴计划(3GPP)将于第二季推出的Release 14标准,以及发展已一段时间的专用短程通讯技术(Dedicated Short Range Communications,DSRC),也就是IEEE 802.11p标准,未来,5G也将成为车联网的重要通讯技术之一。

Baer认为,加入无线连结技术为汽车厂商提供了前所未有的功能——一个强大的连结媒介,可将许多令人兴奋的新资讯娱乐和远端资讯处理功能带给司机和乘客,同时允许资讯在车辆内共享。且汽车的重量总是值得关注,若电线可用无线技术代替,这将直接创造节省整体汽车重量和更有效率的燃油消耗。

现今车辆还收集大量的动态效能、诊断和操作数据,而高性能Wi-Fi为服务装置提供了一个强大的媒介,并从车辆下载这些数据。Baer强调,所有这一切都将转化为强大和令人振奋的新功能,汽车产业向消费者推广,让他们的移动装置能直接在汽车内无缝的使用;对于半导体产业来说,车联网是无线半导体技术一个大胆的新市场,可将业者过去在智能型手机连接领域的研发利用于汽车中。

在智能型手机产业有很大投入与成果的高通亦认为,该公司致力于提供最先进的技术和产品,因此也希望把智能型手机相关技术应用到汽车产业中。就高通观察,未来汽车厂商对汽车的定位是“拥有车轮的智能型手机”,所以也预期将有很多智能型手机相关技术都可以应用于汽车中。

从Wi-Fi、蓝牙到DSRC、5G…等通讯技术陆续加入汽车中,不仅将衍生许多车联网的应用,也会改变现有汽车的架构。

整车管理架构:中央V.S地方分权

现阶段许多汽车已配备先进驾驶辅助系统(ADAS),每一个小系统都有电子控制单元(ECU)控制,以确保各项辅助功能可带给驾驶与行人最高的行车及用路安全。詹勋琪表示,未来车联网的时代,不仅需要更多有线与无线通讯技术、各式各样包含雷达、光达(LiDAR)的传感器,还要配备分析数据的芯片,做出判断。

这样的组成架构相对现况势必更加庞大,因此许多业者如英特尔(Intel)、辉达(NVIDIA)积极将其中央处理器(CPU)或绘图处理器(GPU)带入汽车,能借重这些运算能力强大的IC,成为汽车各项系统的主控制核心。

今年美国拉斯维加斯消费性电子展(CES),个人电脑(PC)产业开发出来的许多高效能处理器有许多的宣传造势,强调未来的汽车绝对需要功能强大、运算能力巨大的处理器。例如高通今年初在CES中也与松下(Panasonic)电子共同合作发布了下一代车载资讯娱乐系统;此外高通还与奥迪(Audi)、爱立信(Ericsson)、SWARCO交通系统公司和德国凯撒劳顿大学(University of Kaiserslautern)共同进行了关于蜂巢式-V2X(Celluar-V2X)的测试合作。不过,这样的中央集权架构,车厂是否真的会买单?

詹勋琪指出,目前汽车的每一个小系统都是由自己的ECU进行分析、管理,并做出回应,再将结果通报所谓的中央主控系统进行记录,换个形容即为“地方分权”,这样的架构已经普遍受到车厂的认可,更重要的是,没有一个ECU可以把一台汽车所有的功能独立做完。

事实上,汽车各项功能的整合并不如其他产业所想来得“前卫”与容易。以现有的汽车架构分析,可以说是模组化架构分层负责再层层向上,可以降低许多总系统的运算负担,反应也较为即时。若是以单一颗强大的处理器负责所有的事项,不仅处理器的负担会加重许多,处理器本身的散热就会是很大的问题,更遑论在处理大量的数据后,马上传递该做什么的反应资讯到子系统,这中间的传输时间如何变得更快。

未来进入到车联网的时代,汽车所要接收与处理的讯息再也不是几百kb,而是海量的资讯,多个子系统个别处理或是采用单一主控芯片“掌控全局”,何者能够达到车厂所要的最高安全等级?则得交由车厂与市场进行测试与认定。

信息娱乐系统亦为车联网一体

先前已提到,车联网尚未风风火火发展时,汽车资讯娱乐系统(Infotainment system)是汽车内部首个透过个人移动装置添加连网能力的部份。想当然尔,汽车资讯娱乐系统未来也将在车联网应用或架构中扮演重要角色。

芯科科技(Silicon Labs)资深产品经理陈子良表示,根据数据统计,汽车市场每年约有1亿台的出货量,而车联网势必改变汽车资讯娱乐系统,并衍生更多元的应用情境,成为未来半导体厂商兵家必争之地。举例来说,随着欧盟欲逐渐将传统的类比调频(FM)广播停用,全面启用数字化的数字音讯广播(Digital Audio Broadcasting,DAB);挪威(Norway)已率先响应于2017年全面中止FM服务;英国则预计2020年停用;美国也计划停用FM广播改用数字广播系统;中国大陆甚至推出自有标准中国数字广播(CDR);印度则是计划采用全球数字广播(DRM)标准。可见,广播讯号数字化已箭在弦上。

不仅如此,广播系统全面数字化后,意味着可以透过广播系统传输资讯到车内。陈子良认为,现在的汽车系统已有透过调幅(AM)与FM或是DAB系统收集交通资讯的应用,搭配ADAS,将有更多应用会由想像变为真实。未来,车联网架构成形,许多通讯技术,例如最新的5G通讯陆续进驻车内,不仅可以将更多智能型手机或是个人电脑的娱乐应用放进车内,还能让车内的数字广播系统进一步传输影像或是视讯数据,提升车内娱乐体验与行车安全。

车联网时代需要更高安全性

图1:车联网时代需要更高的安全性,才能降低数据受骇客攻击的可能性(来源:英飞凌)


连线安全性

车联网的概念是车对所有都可以互连、互动,也就是V2X,还需涵盖车内通讯,才能是完整的车联网系统,这当中需要许多连网技术的加持,才能实现。英飞凌(Infineon)大中华区汽车半导体业务事业处资深经理Hans Joachim Schatz表示,汽车内建多种通讯技术后,等于是将很多汽车与驾驶人的资讯暴露在空中,因此提高安全性将是当务之急。

现阶段车联网应用中,已陆续有些已发生或未来可预见的“问题”。例如特斯拉(Tesla)的自动巡航(AutoPilot)功能、欧盟已谕令新车都需具备的自动紧急呼叫(eCall)系统,或是一些远端网际网路服务、娱乐应用程式(App)…等,都曾经因为远端软件更新出问题或是骇客入侵的机会,而发生可避免的事故。甚至台湾高速公路采用的电子收费系统(ETC),未来也将因车联网的发展,而成为骇客的攻击目标。

也因为2017年或之后的未来将陆续实现车联网中的V2V这一块应用,因此汽车现有的分散式安全架构需要进一步升级。Schatz指出,现在的汽车各部分功能的安全只有几颗安全芯片全权负责,但这样的架构在车联网时代不足以应付“无孔不入”的骇客,因此需要有层次(architecture)的安全架构。

所谓有层次的安全架构,除了从软件转为片上安全防护(on-board Security)的必要性之外,各部分的安全防护都需要各自独立。Schatz进一步解释,现今汽车安全防护系统是什么部分都与主控端连结,给予骇客许多入侵的管道,一旦入侵成功,防护系统会完全崩溃,骇客想要什么数据或是控制车辆都像“桌上拈柑”;但层次化的安全架构则是各部份各自独立,具备更多的安全机制,且彼此无法跨界,不会因为一个部分失守而全盘皆输。

图2:汽车层次化的安全架构(来源:英飞凌)

车联网带来更多商机

各式元件鸡犬升天

除了微控制器(MCU)之外,CPU等级的处理器业者也看到其产品能发挥的空间——全车主控制系统的大脑。高通认为,未来车联网会带入许多现有的移动装置娱乐体验,因此高效能的处理器势不可免,也能透过处理器为汽车增添更多智能功能。就高通来看,汽车要智能化其实很简单,也就是客户期望这些终端装置能提供跟智能型手机一样的使用者体验,这需要先进的运算能力以实现系统互联。比如,汽车的仪表与中控系统需要智能地共用资讯,两者必须保持连接并适时传递资讯。

不仅如此,汽车更加智能化后,大脑也须担任连接车外与车内联网系统的桥梁,因此人工智能(AI)、深度学习(deep learning)也会陆续成为高效能处理器的臂膀;同时也提升高效能处器进军车用市场的契机。

车联网需要大量的传感器,如影像传感器、MEMS传感器、雷达传感器…等,还需要数字讯号处理器(DSP)处理影像方面的资讯。因此这些元件在车联网市场中的需求只会提升,而不会渐少。

此外,安全芯片也将因车联网而有更多被采用的机会。试想,汽车若是被骇客入侵,将造成极大的损失,也会对品牌商誉造成极大的影响。Schatz强调,对车厂而言,安全是最重要的,不会轻易为了要降低成本而渐少该有的安全防护措施,汽车产业正在转变,不仅功能再进化,与更高安全性的进一步连结更将受到更多的重视。

通讯技术扮演关键角色

车联网的命脉是通讯技术,车内有Wi-Fi、蓝牙与CAN、LIN等无线与有线通讯技术;车外通讯技术则分为短距的DSRC及即将公布的3GPP Release 14标准规范,还有负责长程通讯的4G和5G。

詹勋琪表示,现阶段车外连网的发展以短距为主,3GPP采用5.9GHz频段的Release 14标准与DSRC虽然都是供短距离的V2V或车对基础建设(V2I),且采用频段相同,不过,两者在通讯协定(Protocol)上仍有差别。Release 14标准专攻V2V应用,惟延迟没有很低;DSRC则针对安全数据传输所设计,因此延迟相对低较多。

这样的比较结果也会令人联想到是否会有技术之争的问题。Baer认为,连接技术的发展关键是标准——一套完整和一致的标准允许不同设备(固定和移动)之间的无缝连接,因此,任何巩固和促进标准的努力最终都有利于在车辆中采用下一代技术。且3GPP此举可望将一组复杂的互补功能简化和整合成一个可以被汽车产业采用的一致的架构,促进车载电子产品的广泛采用,以提供广泛的安全和娱乐功能。但是最终车厂选择何种技术作为短距离的车外通讯标准,仍是端看车厂对汽车产品的设计与功能。

连网技术也导致数据机(Modem)芯片的需求大增。高通表示,数据机能够支持汽车平台保持连接,不管是与车内的ECU还是与车内的个人终端装置连接,甚至汽车对外连结。

Baer强调,IEEE接取点(AP)规范没有标准协议来告诉个人工作站(STA),AP正在改变通道或是离线状态。因此,赛普拉斯借由购并博通(Broadcom)无线连接产品系列,而有所谓“双MAC Wi-Fi/蓝牙”组合架构。在单MAC解决方案中,5G中的AP模式不能在2.4G中切换到AP模式,而不会混淆相关联的STA,因此可解决AP AP并发性(concurrency)的基本问题。

测试认证为车联网把关

为了打造安全的汽车驾驶环境,与车辆有关的所有半导体元件、模组、系统甚至整车都必须进行测试与检验,特别是无线网路与移动通讯技术的快速进展,在引爆车联网应用与服务等庞大商机的同时,也带来了攸关网路安全与装置互通性的问题。

德凯集团(DEKRA)东亚区总裁Stan Zurkiewicz强调,无论是车联网还是更广泛的物联网,基于连网功能的安全需求是整个体系中不可忽视的重点。因此,“车联网的挑战就在于如何确保连网元件之间的相容性,促进彼此间的通讯;以及提高连网的安全性,避免骇客攻击。”

为此,车联网测试并不仅关注于车辆本身,更重要的是广泛的连网技术与安全性,包括连线能力、互通性、安全测试与认证;与电子元件有关的电磁相容性(EMC)、射频(RF)、化学与材料特性、性能与可靠性测试,以及能源效率和国际市场准入服务等检测认证项目。

看好台湾在电子供应链的优势以及作为发展车联网的重要据点,包括德凯集团与立德(Bureau Veritas)等国际检测验证大厂近年来相继在台湾投资,积极布局台湾与亚太市场。立德于2015年在新竹科学园区成立EMC/RF检测实验室,提供车载无线装置与智能电网检测服务。

长期耕耘汽车检测验证的DEKRA同样在2015年进入台湾市场,至今并已斥资数千万欧元在台打造国际级实验室。继去年7月在林口设立物联网检测认证实验室后,年底即正式启用位于新竹的车联网实验室,为汽车价值链提供一站式的整合服务,以满足车联网与电动车等技术创新带来日益成长的检测认证需求。

各国积极布建车联网环境,台湾呢?

目前的车联网发展较快的部份是V2V与车对行人(V2P)。詹勋琪说明,车和行人都是移动的物体,牵涉到行车安全的问题,透过传感器与运算技术,加上通讯技术即可逐步实现,因此发展相对较快。而V2I则需要政府单位提出并建置相关的配套措施,因而仍需要一段时间才能看到。

另外,与安全无关的车联网应用,如娱乐系统,也发展迅速。从美国一项统计中可发现,美国3G、4G的新网路用户的申请预订,已呈现车比人多的态势,即可见一斑。詹勋琪强调,虽然新网路用户申请主要仍因应汽车娱乐应用服务的需求而增加,但已经可以说是车联网发展明确的第一步。

Baer则认为,汽车产业在开发周期中相当慎重,借以提供最高水准的可靠性,车联网这个愿景的发展已进行了几年,相信大量令人兴奋的系统将在未来2个车型年(model years)内进入市场,提供前所未有的连接水准到车辆中。

各国汽车产业积极发展车联网相关应用与推出相关的车种,反观台湾的进度似乎仍较落后。詹勋琪表示,汽车无疑是一个很大的市场,台湾厂商无论如何都需要了解汽车产业的设计与思维,才能从汽车后装市场慢慢进入前装领域,且可预期车联网前装市场在全球主要车厂的推助下未来将大有可为,后装市场将渐渐萎缩,台湾厂商仍需再加把劲。

负责中国、台湾、日本与韩国等市场业务的Stan Zurkiewicz则乐观看好台湾的发展与机会。从塑造汽车领域的主要发展趋势——新能源车、自动驾驶、车联网以及车辆拥有权改变来看,他认为,中国大陆由于政策面与产业面的积极投入,加上消费端接受快,在电动车与车联网等领域的市场最大、成长也最快速;而台湾的汽车制造市场虽小,但凭藉着资讯科技(IT)制造的优势,以及车联网进展的加持,预计将会有更多的台湾IT业者转向这一领域。

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