汽車內的電子裝置無疑推動了現今大多數的汽車設計創新。現在的汽車大多配有先進的影音系統、高科技且圖像豐富的導航系統，以及可進行多種類型通訊的無線通訊系統。預期安全電子裝置將藉由可輔助剎車、轉向及避免碰撞的先進駕駛輔助系統（ADAS）向前跨出極為重要的一步。若駕駛人注意力不集中時，發生意外的風險便快速增加。根據美國國家公路安全管理局（NHTSA）統計，2008年有6000名美國人因駕駛人分心而導致死亡，另有50萬人因此受傷。汽車製造商現在將注意力轉移至防止意外發生，並致力於改善駕駛人的駕車體驗。為了減少分心情形，關鍵的車輛與駕駛資訊必須顯示於駕駛人前方，特別是在儀表板中。

過去用於放置機電儀表及指示燈的儀表板，現在已轉變為駕駛人的新型數位資訊中心。數位薄膜電晶體（TFT）顯示器的發展與成熟的可靠度、更高的訊號處理能力，以及高速數位通訊等，使類比式系統轉變為數位系統顯示器。現在以TFT顯示器建構的儀表板仍提供基本汽車資訊，如檔位、速度、油量及引擎狀態，同時提供來自車外的其他資料。這些額外資訊來自全新的創新，例如360度攝影機、夜視裝置、車道偏離警示、盲點偵測以及3D影像導航資料。

數位儀表板以更具成本效益及彈性的方式，整合所有汽車與安全資訊，進一步避免不必要的分心。駕駛人不再需要低頭或用手摸索中控台來播放音樂、撥打電話、尋找駕車方向，或轉頭查看視線死角。上述所有創新功能皆已實現，駕駛人分心的情形將可減少並更專注於安全駕駛。這些新科技發展提供許多新穎誘人的選項，但是在提供關鍵效能並確保產品長期可靠性的同時，仍需要設計師找出創新的解決方案來控制成本。本文首先將特別指出某些汽車設計與可靠性的限制，接著檢視幾種數位儀表板架構，以及記憶體子系統的兩難問題如何影響下一個專案計劃的效能、可靠性及成本。

數位儀表板設計的難題

數位儀表板必須支援高效能、即時處理需求，如同目前消費性產品的顯示器平台，同時又必須大幅提升設計的長期可靠性。汽車市場OEM（原始設備製造商）、第一階供應商及消費者不會接受顯示器故障，因為這不同於一般手機或個人電腦故障時所帶來的不便。新的數位儀表板將創造易用、不分心且資訊豐富的環境，以達到更安全的駕駛。本產品必須提供上述高效能等級並提供長期操作可靠性，同時必須能夠在需求極高且嚴酷的環境中操作（例如-40℃至+105℃的極端溫度）。上述嚴格的汽車環境、安全與品質要求導致冗長的開發週期，在顯示器技術首次運用於汽車前，這個時間有時長達三年以上。

汽車設計使用非常有系統的規劃、設計及驗證方式，找出並減輕操作或可靠性的問題。在上述程序中，汽車設計師通常會選擇以高品質設計方法如TS16949來開發產品並符合車用電子協會（AEC）AEC-Q100嚴格標準的供應商。

一旦供應商推出系統並開始生產，元件供應商必須持續監控內部與外部可靠性效能並進行必要的修正動作，以達到每百萬零件不合格數（dppm）為零的目標。OEM及第一階供應商亦期待他們的供應基地能夠提供長期的產品支援與可用性；一旦汽車內嵌式系統完成部署，這通常需要極為龐大的成本，因此通常不可能為了支援短生命週期的元件而重新確認設計。在某些情況下，重新確認設計所需的成本可高達數十萬美元。

數位儀表板使用越來越多充滿圖像的內容，因此需要具有更高階功能的先進資訊顯示系統，並且必須可靠地滿足基本目標，亦即通知駕駛人基本的汽車與安全資訊。例如，數位儀表板必須幾乎在駕駛人啟動電源的同時就立即提供車輛目前的狀態，通常會在一秒內將重要的檔位資訊（即PRD123）顯示於TFT上。上述儀表板必須立即啟動的要求，使設計師必須詳細調查重要系統與元件層級的效能。甚至提供看來極為簡單的資訊，例如在開始行駛前發出低胎壓警告，預先避免潛在的安全問題。

儀表板從類比轉移至數位式系統是令人感到興奮的，但如上所述，這將帶來更多的複雜性並迫使設計師必須開發創新的解決方案以解決相互衝突的需求，例如即時效能、長期高可靠性及降低的成本。接著來看看如何以可靠且具成本效益的方式提供這些基本資訊。

圖一顯示高階數位儀表板的方塊圖；圖中的汽車中央系統單晶片（SoC）透過通訊網路及內外部記憶體大量取得輸入資料以驅動TFT顯示器。這些數位儀表板採用類似許多高效能消費性顯示系統的架構。汽車與消費性顯示平台均需具備大量記憶體以支援大量的數位內容，在現今的設計中，記憶體容量可高達2Gb，以因應3D圖形內容、32位元色彩及高解析度大螢幕。

其內容通常包括大量字元集、多種字型、圖形影像及對於多種語言的各種支援，以提供資訊豐富的顯示系統。這裡以業界標準技術產生及顯示數位儀表板的訊框緩衝器（Frame buffer）。SoC 的顯示控制器將一個訊框傳送至系統顯示器，SoC/繪圖引擎同時存取內部或外部記憶體，以取得、處理並儲存訊框緩衝器中的下一組資料以便接續顯示。現今的SoC需要高頻寬以存取外部記憶體中可靠的程式碼及資料，以提供快速的系統啟動及高速的即時處理。

《圖一　高階數位儀表板的方塊圖》

數位儀表板架構與記憶體子系統的兩難

影響內嵌式系統效能等級與可靠性的區塊之一是記憶體架構與設計實作。我們將檢視幾種記憶體架構，以說明可利用現今技術解決的效能/成本的兩難情況。首先，快速瀏覽圖二所示的標準程式碼映射記憶體架構，這對於高效能內嵌式顯示系統而言是相當典型的。

系統控制器或通用處理器（GPU）具備高階整合，包括繪圖引擎、顯示控制器、可選擇有限的內嵌式RAM及Flash，並提供外接記憶體介面，以支援數位儀表板的高效能及高容量記憶體需求。外接記憶體可分為兩種標準產品：DRAM與Flash。內嵌式系統的啟動過程主要有三個處理程序：程式碼/資料從Flash映射至DRAM，啟動處理器、DRAM及其他主要元件，接著是執行應用程式。一旦程式碼開始執行，即可顯示有用資訊。此架構中有幾個可削減的主要項目。SoC/DRAM高速存取能力促進高效能即時能力。系統初始啟動時間主要是由映射及初始化時間決定，而影響映射時間的因素則是SoC/Flash存取頻寬以及由Flash傳送至DRAM的資料密度。

如前所述，高階數位儀表板必須幾乎在汽車開啟電源的同時，立即提供目前的汽車狀態。通常必須在一秒內，將檔位（即PRD123）顯示於TFT上。這需要能夠支援高速存取、高密度及長期資料完整性的Flash記憶體，以符合基本設計與品質要求，當然還必須有採購契約以確保長期的產品供應。

《圖二　標準程式碼映射記憶體架構》

《圖三　混合數位儀表板架構》

現今的Flash供應商提供多種非揮發性記憶體（NVM）技術。最廣為使用的兩種技術是NOR與NAND Flash。這兩種技術提供不同特性，例如存取能力、可靠性等級、產品生命週期以及成本。汽車SoC通常支援多種介面組態以存取外接Parallel及Serial NOR Flash，而NAND Flash介面的支援則有持續增加的趨勢。

請注意SoC NAND介面極為動態的變數定義ECC支援的必要等級，特別是NAND具有快速光刻遷移（lithography migration）的現象。在NOR方面，Page與Synchronous NOR Flash仍符合上述嚴格的汽車需求。例如，新的高階數位儀表板設計如Volt的E-Flex儀表板採用Freescale MPC5121e SoC及Spansion S29GL512N Flash。Spansion GL Page Read存取可達到高速讀取存取，最高傳輸速率可達80MB/s，有助於Volt的E-Flex達成在電源啟動後一秒內顯示檔位（即PRD123）的需求。

車用晶片組與Flash供應商的持續創新，促成如圖三所示的全新且具成本效益的混合數位儀表板架構（Hybrid Digital Cluster Architectures）。系統控制器（Freescale Spectrum）與Flash（Spansion Multi I/O SPI）可達成最佳化的TFT顯示器架構，提供更具成本效益的入門級儀表板解決方案。此系統控制器執行來自內嵌式Flash的程式碼，同時透過高頻寬多重I/O SPI通訊協定載入來自外接Flash的圖形資料。上述圖形資料於訊框緩衝器中進行處理與儲存，並直接顯示於TFT。此創新的混合架構符合系統效能及可靠性需求，並且因為無需外接DRAM支援而能夠達到成本最佳化。

請注意，此應用架構可能需要數億次的讀取週期，這將會影響如NAND之類技術的可用性。現今的NAND裝置使用具有中至高讀取週期應用程式的應用時，可能會出現額外的位元擾動錯誤。

新的多重I/O SPI通訊協定用於傳送系統控制器與外接SPI Flash之間的資料。多重I/O SPI以常見的串流週邊介面（SPI）為基礎，並可設定存取以支援一至四個資料連線。此功能可提升原有的SPI存取能力，從低於10Mbps提高為~40Mbps。車用晶片組與Flash供應商如Freescale與Spansion均提供標準產品，讓設計師可利用多重I/O SPI改良的存取頻寬，並實現更好的成本點及高效能的數位儀表板。在某些情況中，採用兩個Quad I/O SPI以支援連續傳輸速率最高達80 MB/s的效能。

推動設計創新

現今的汽車電子產品正在推動多項汽車設計創新，例如將儀表板從類比式系統轉換為駕駛人的新型數位資訊中心。TFT面板提供全新且圖形豐富的使用者體驗，讓駕駛人掌握更多資訊並專注於安全駕駛。

這些新型汽車數位儀表板採用類似於支援高效能即時處理能力的消費性顯示平台。這些高效能汽車設計具有較長的設計週期以達到長期的產品可靠性。記憶體架構與設計實作大幅影響整體系統效能、可靠性及成本。攸關安全的資訊，例如必須在啟動電源後一秒內顯示的檔位（即PRD123）資訊，不能發生故障，也不能因為只是帶來些許不便而接受故障情形。這些系統功能需要已證實具備高速及可靠性的DRAM及Flash。上述技術支援長期的快速系統啟動及高效能即時處理，以顯示重要的安全資訊，協助駕駛人做出安全駕駛的決策。晶片組與Flash的持續創新，將在未來促成創新且具成本效益的TFT顯示系統解決方案，為所有人營造更安全的道路。

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