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針對應用對症下藥 Arm架構在車用領域持續亮眼
全力支持車用發展

【作者: 王岫晨】   2023年10月30日 星期一

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Arm架構處理器除了在手機等行動裝置上擁有很廣泛的應用之外,在車用市場也可以看到Arm的身影。Arm在車用領域已有超過25年的發展,市占率約41%,其中車用IVI與ADAS的領域市佔率各占85%及55%,且和OEM、Tier 1、Tier 2或是Software partners等供應鏈夥伴都有合作關係。從2022年開始,Arm將車用跟物聯網的業務領域拆分為兩個獨立部門,並全力支持在車用領域產品線研發的進展。


Arm架構優勢

Arm亞太區車用市場經理洪彰辰表示,Arm自2020年起,就有相關車用專用的IP上市,如AE系列發佈,並在功能安全投入非常多的資源,未來也會有越來越多朝向以應用案例導向的方式提供參考解決方案,包括 ADAS、IVI智慧座艙、自動駕駛、Zonal Controller及ECU應用領域,進而符合並解決OEM客戶的需求


特別是現在電動車它所搭載的硬體以及軟體的複雜度更勝以往,所以針對未來電動車不同的需求,Arm自2020年發表的AE系列產品開始,提供客戶Total Solution的概念,其中囊括幾乎所有SoC與MCU方案。而在討論Arm產品在省電與效能的優勢前,必須先了解 CPU 最重要的兩件事情,其一是控制,另外則是運算。



圖一 : Arm亞太區車用市場經理洪彰辰
圖一 : Arm亞太區車用市場經理洪彰辰

CPU控制的效能benchmark,是整個系統總和的評估,包括CPU本身、CPU到Memory,或是CPU到系統匯流排上面的各種裝置,前面提到的省電是這類的範疇。電動車上更多的AI應用,例如自駕系統在影像處理辨識與其他感測器作融合運算,這些都需要CPU計算,使用指令集擴展有利於機器學習進行矩陣運算。在前一代Armv8.2有做NEON的運算,結合新一代擴充指令集SVE2、Matrix Multiply、SME等矩陣運算,其優勢在於更快的運算速度,除了自駕系統的反應時間要求,整體的耗能也會降低,進而提升電池續航力。


電動車的AI應用,例如自駕系統在影像處理辨識與其他感測器融合運算,這些都需要CPU運算。

基於Arm SoC在機器學習上是邁向Arm v9的架構,加上更多的Machine Learning Extension,來幫助客戶在即時運算、節能及機器學習上有更好的表現,而在控制方面大部分都會採用到是MCU而非SoC,包括車輛內外部燈光、電源管理,甚至是門鎖和冷氣等功能控制,上述其實80%都是MCU負責處理,依照佔比來看,若一輛車內有100個控制器,可能裡面只有20顆是SoC,其於80顆都是MCU,以MCU為主的車用電子架構,未來將趨於整合,進而減少控制器的數量,優點除了可減少車輛整備重量、線材配置簡化,以及供應鏈的整合等各項因素,當硬體技術趨於整合,軟體開發才能更為簡潔,更有效率的管理,朝向軟體定義汽車的未來。現今的CPU從過去的8位元、16位元進階到32位元甚至未來64位元,效能逐漸強化,因此不論在成本、效率以及軟硬體的技術的整合方面都更有優勢。


CPU 最重要的兩件事情,一是控制,一是運算。運算就是電池 AI 的應用,控制的重點就是在功能安全。Arm 在支持電池管理系統上的重點會放在功能安全,Arm 提供的不只有 IP、CPU IP、系統的 IP,甚至 Software Compiler 的軟體工具,還有整個功能安全的套件 (Package)。Arm 提供的是點到點的解決方案,能夠更容易讓做電源管理的廠商更快的達到功能安全的要求。


在電源管理這一塊,Arm 提出的虛擬化架構,讓客戶可以達到其在架構上的目的,上述美系電動車中,這些功能都整合在一起,因為控制器越少越好,才能達到降低成本的目的,他的成本能夠跟其他傳統車廠差別很大,原因在他的架構等於是重新來過,沒有過去的包袱。未來這種混合不同功能放在同一個控制器上面對車廠來說會是一個重要關鍵。


Arm 現在很多的夥伴如恩智浦(NXP)、義法半導體(ST)都有推出基於Cortex-R52/R52+的即時處理器,所以電源管理需要針對功能安全、還有未來這種混合的場域的時候,關鍵在於 Arm 能夠更高度的整合,這也有助於功耗,原本跑五顆的功耗變成只有一顆在跑,就節省了更多的時間。


NXP加速提升能源效率

圖二 : 恩智浦半導體系統創新資深總監Clara Otero
圖二 : 恩智浦半導體系統創新資深總監Clara Otero

恩智浦半導體系統創新資深總監Clara Otero指出,恩智浦的理念是利用恩智浦的電氣化解決方案加速實現零排放。從電池管理到動力域控制,我們的產品組合覆蓋面廣。恩智浦電池晶片組提供高精度的測量電流,提供高精度的測量電流,可供客戶用來計算正確的SoC,以確保充分利用電池中存儲的能量。最重要的是,通過提供精確的安全限制來限制電池在壓力區域的操作,可以延長電池壽命。此外,溫度測量精度在延長電池壽命和效率方面起著重要作用,因為它可以保護系統免受不必要的壓力。我們的設備旨在提供最佳性能,同時考慮到所有這些要求,從而最大限度地提高系統的性能、電池壽命和能源效率。


恩智浦在汽車安全方面擁有數十年的經驗。早在1990年代中期,恩智浦通過引入電子防盜器幫助減少了車輛盜竊。2010年,恩智浦發佈汽車符合安全硬體擴展規格。2015年,恩智浦開始專注於安全性,發佈了專用汽車硬體安全模組 (HSM)。HSM針對汽車提供晶片安全、安全軟體更新與數據保護。


今天,NXP製造的新型汽車處理器和微控制器包括專用隔離的硬體安全模組。此模組提供豐富的安全服務和平台安全功能,由其管理獨立而不影響處理器或控制器的功能。安全啟動和即時完整性檢查方案可驗證軟體是否真實、可信且未更改。這些模組還為汽車製造商修復安全漏洞的方式增加了更大的靈活性,例如它們支援安全的無線更新,讓汽車製造商在更新軟體無需昂貴的召回。此外,生命週期管理機制允許對某些控制器和處理器功能。例如,在車輛開發和製造過程中調試和下載是必不可少的功能- 但它們將成為駭客進入的可能途徑,我們的產品具有硬體強制功能,進一步增加內建的硬體保護,防止時鐘信號、電源電壓、溫度和功率的可能篡改。


ST以Stellar平台因應不同挑戰

圖三 : 意法半導體ADG車用MCU事業部總監Davide Sant
圖三 : 意法半導體ADG車用MCU事業部總監Davide Sant

意法半導體汽車和離散元件產品部(ADG)車用MCU事業部總監Davide Santo說,汽車電動化是ST所採取的新路線。電動化的發展速度主要取決於汽車產業因應多重挑戰的能力。一方面,我們需要確保性能和安全,不僅要確保駕駛電動汽車的趣味性,還要確保這些汽車的安全性,並持續加以改進。另一方面,我們也需要消除民眾對於電動汽車的恐懼及疑慮。有些人可能認為新的電動汽車沒有傳統的汽車好,尤其是電動汽車的續航力及充電時間。最後一點是,由於人人都可能有買車的需求,因此車的價格必須要是負擔得起的。


在汽車電動化的領域,ST一直走在產業前面,二十多年以來,ST持續投資包含碳化矽等基礎技術,及早為電源變革做好準備。意法擁有許多先進技術,其中包括碳化矽技術、專用於相變記憶體的FD-SOI技術、軟體無線更新(OTA)功能。ST也擁有完整的產品組合,從功率元件、包括軟體基礎層在內的數位技術類比驅動器。意法提供的不僅只是技術和產品,而是解決方案。


ST的Stellar MCU平台能夠因應新電動汽車不同的挑戰。第一,新車配備了大電池並定會產生大量資料的負擔,而Stellar MCU平台能夠將更多軟體整合到相同的MCU中,進而降低資料移轉複雜性及所需的電線數量,並減少車輛的線束和重量。第二個挑戰就是能源管理。在一個致力於減少污染,且積極實踐環保的世界裡,能夠協調車輛策略,有效率地開發能精準監控及電池平衡的電池管理系統,同時不會消耗太多電量,也不會讓系統耗散能源,這是變得更為環保的基礎。受益於FD-SOI技術及訊號路徑,帶有低功耗模式的平台能夠高效率地進行運算,以進一步提升能源管理效率。


點到點解決方案

CPU 最重要的兩件事情,一是控制,一是運算。運算就是電池AI的應用,控制的重點就是在功能安全。Arm在支持電池管理系統上的重點會放在功能安全,Arm提供的不只有IP、CPU IP、系統的IP,甚至軟體編譯的工具,還有整個功能安全的套件。Arm提供的是點到點的解決方案,能夠更容易讓做電源管理的廠商更快達到功能安全的要求。


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