隨著自動駕駛車時代的逼進，半導體公司也踏進了相關標準、方法、設計方案等重要討論的核心。無論是傳統汽車製造商或新成立的汽車創新廠商，都在問：「半導體公司如何打造自動駕駛汽車？」
隨著自動駕駛車時代的逼進，半導體公司也踏進了相關標準、方法、設計方案等重要討論的核心。無論是傳統汽車製造商或新成立的汽車創新廠商，都在問：「半導體公司如何打造自動駕駛汽車？」
擁有悠久歷史的公司必須找出方法來維持商業永續性，並逐漸擴充其在自主性等領域的產品組合。創新廠商則想利用全新的方案，從零開始打造。這兩個優勢點都有助於在這個壓力龐大的競爭環境下化解錯綜複雜的設計問題。許多廠商都思索過汽車的概念化及建造方式，但最終全都歸納出領域式架構方法。
本文章將介紹以領域(Domain)為基礎的系統架構方法(圖1、圖2)，並說明此種全新架構如何幫助汽車製造商掌控自動駕駛的複雜性。
圖1 領域式的汽車架構
資料來源：NXP
圖2 領域式的汽車架構讓軟硬體可最大化重複使用在不同的產品與應用
資料來源：NXP
半導體公司建造自動駕駛汽車的方式，只要考量電子裝置對今日汽車架構的重要性就能略知一二。事實上，目前汽車產業多數的新產品和創新技術都跟電子裝置、軟體和IT有關(圖3)。今日的汽車比過去更安全、更高效率、更智慧，半導體是一大功臣。現今從組裝線下來的車輛更像是帶車輪的機器人，其極高的電子精密程度主要歸功於半導體技術。隨著電子化趨勢持續發展，半導體公司將在車輛設計領域發揮重要作用。
圖3 現代汽車內含超過 1 億行程式碼，比各種軟體重點產品(圖左) 更多；程式行數量在未來將成長到六倍以上(圖右)
資料來源：NXP
領域式汽車架構
領域式架構源自恩智浦(NXP)汽車團隊以及與關鍵的產業利益相關方的鼎力合作。它整合了諸多功能，讓汽車能夠感測、思考，並代替人們採取行動，同時幫助管理複雜事務並支援擴充功能。
最下面的三個領域，包括車內體驗、車身與舒適度、傳動系統與車輛動力系統長久以來都是車輛架構的一部分。最上面的兩個領域，即駕駛人員替代與連線則是新的領域，與自動操作所需的功能特別相關。總體而言，領域式的汽車架構能夠提供最佳的自主程度，同時確保最高度的安全及保障。
以下介紹領域式汽車架構最重要的四項優勢：
將功能劃分為單獨的領域，有助於突顯各個子系統的功能安全性與網路安全要求，簡化機器人演算法的開發和部署，並且更方便在各個子系統中擴充功能。
領域式架構將相似功能集結並區分，如此就更容易根據各個領域的共同要求，設計出正確的安全與保障等級。在連線領域中，汽車要與外界通訊，安全性就非常重要，因為必須防止與外部的互動遭到篡改。至於在傳動系統與車輛動力系統領域中，連線安全性的重要性較低，因為這個領域的運作不受外部因素影響。但這領域更重要的是功能安全與可靠，因為組件須能在極端條件下正常運作。
模組化方法能夠更輕易在各個領域進行擴充，包括基礎性能至高階操作等各個領域。這表示能更輕易建立一系列功能，滿足各種不同的市場要求。
例如，在包含資訊娛樂功能的車內體驗領域，經濟車型可能提供較少選項，而豪華車型則可提供較多選項。領域式架構能夠在汽車各部分提供這種擴充能力，進而更輕鬆地建立可相容及重複使用的個別建構模組。這讓開發工作變得更有效率且更具成本效益，也讓製造過程更有彈性且回應速度更快。
盡量在每個汽車領域使用相同的建構模組，以便更容易增加或減少功能，並在出現新的技術時改進設計。具體而言，可讓微控制器產品系列全部採用相同的架構和軟體平台，以支援設計再利用的原則。無論是雷達系統、煞車用電子控制單元(ECU)還是汽車閘道，使用同個單晶片微控制器架構，讓開發者能夠從相同的基本微控制器硬體開始，利用相似的工具組、IP程式庫和軟體代碼完成設計。
專注於連線之領域式汽車架構
連線領域是非常重要的領域，涵蓋多項操作。它管理所有連接汽車與外界的無線介面。連線領域可安全無縫地進行部署，並收集車輛所有外接介面傳送進來的資訊。這些外接介面包含乘客及其裝置常用的介面，如收音機、手機、Wi-Fi、藍牙低功耗(BLE)、GPS，以及與車輛操作更密切相關的新介面，如車對車(V2V)與車聯網(V2X)通訊。在理想的設置中，這些外接介面都應該安裝在高度整合的智慧天線模組中，如此就能視需求更輕鬆地增加或減少介面。
連線的重要要求：
駕駛員替代產品領域
駕駛員替代產品領域是讓汽車機器人接管駕駛工作。它提供感測與思考功能，並採用安全措施來確保正確操作。駕駛員替代產品領域包含汽車最多的「智慧」功能，可以解讀各種感測器和攝影機偵測到的環境情況。感測元件包含雷達、攝影機、雷射式光達，以及用於定位和檢測其他環境資訊的組件。思考元件包含狀況評估、路線規畫、感測器融合、安全相關演算法等等。
現在駕駛自排汽車，只須調整方向盤與控制油門和煞車兩塊踏板。但無論使用何種衡量方式，駕駛員替代產品領域在這些操作中，都能做得比人類更好。駕駛員替代產品能夠更快、更持續地做出反應，不受人類情緒的影響，並且始終處於預警狀態。它也不會喝咖啡、吃零食、和其他乘客交談、接電話，或在工作時分心。
駕駛員替代產品領域算得上是汽車的大腦。而且就像人腦一樣，它能從經驗中獲取新的知識並加以利用。教導自動駕駛汽車的方式之一，就是使用雲端連線。例如，當自動駕駛汽車夜晚停放在車庫中時，它可以連線至雲端並上傳白天累積的資料。這些資料可以與其他車輛的資料整合起來，用於優化駕駛演算法。睡眠中的汽車可以下載這些新功能，待早晨醒來時，就能利用新功能展開全新的一天。
駕駛員替代產品的重要要求：
傳動系統與車輛動力系統領域
這個領域管理動作與速度，是讓汽車移動的領域。自動駕駛汽車的動作，乃是根據駕駛員或駕駛員替代產品輸入的資料而動作，也可以根據個人偏好和環境限制(如路況)等因素進行修改和改善。
動力傳動系統自早期車輛設計開始就已經是汽車的一部分。無論是作為傳統內燃機、電動引擎還是混合動力引擎的一部分，此領域的傳動系統部分都可以將原始燃料轉化成動力，供汽車在路面行駛。這部分一般是指引擎、變速箱、驅動軸、車軸和車輪。傳動系統的工作條件非常惡劣，經常暴露在高溫和幾近連續的振動下。
在汽車產業中，動力代表移動時的力量和扭矩。此領域的車輛動力系統部分支撐著子系統，如懸吊和方向盤系統，用來確保穩定性。此領域還包含多種不同的汽車感測器技術，包括那些以複雜的MEMS與 MR技術為基礎的感測器技術。
傳動系統和車輛動力系統領域的重要要求：
車身與舒適系統領域
車身與舒適系統領域支援一些基本功能，能夠為駕駛員和乘客提供支援，還能根據行為瞭解他們的偏好。這裡通常也是管理被動安全機制(安全帶)與進出機制(門鎖)等功能的地方。
人們喜歡在車內設定的功能，例如座椅的特定位置、倒車鏡的特定位置、合適的空調溫度，都可以在每次使用汽車時自動調整。這些功能通常依靠傳統汽車電子設備，如車窗控制和座椅調整裝置，並且通常可以將硬體操作轉換成軟體操作，便於管理和修改。
感測器、微控制器和全新照明技術可以相互合作，打造智慧照明功能，提高安全性並符合個人偏好。外部照明方面，頭燈可以根據天氣情況或即將出現的交通狀況自動調整。內部照明方面，車內設計可編程區域，方便乘客睡覺、閱讀或觀看影片，還可設定儀表板，根據一天的時間或車內人員進行自動調整。
圖4 支援設計再利用的微控制器產品組合
資料來源：NXP
車身與舒適度的重要要求：
車內體驗領域
這個領域可以讓汽車支援車上每個人的娛樂、生產力、幸福感需求。車內體驗領域基本上可以為駕駛和乘客重建與客廳相同的體驗。它可無縫存取數位內容，還能讓使用者建立並管理內容。它也是一個智慧學習環境，能夠根據偏好進行調整。這個領域使用的軟體必須靈活且容易升級，確保能透過任何現有的硬體基礎架構來存取內容。同時也需要先進的無障礙人機界面 (HMI)，能夠支援語音指令、手勢、擴增實境、進階個人化等功能。
體驗的重要要求：
閘道器和車載網路
領域式架構透過精密的通訊網路相互連接，讓各個領域利用串聯與共享資訊進行操作。車內網路提供連結汽車架構各領域的功能，確保能以安全可靠的方式用正確的頻寬分享資料。車內網路採用的技術，許多都與當今最先進的IT裝置相同，包括乙太網路連線與安全閘道器。車載網路(IVN)包括各種傳統汽車技術，如CAN、LIN、Flexray、乙太網路，可安全連接各個領域。IVN讓各個領域分享相關資訊，並與車載閘道器合作，確保能正確發送汽車產出的資料。
車輛處理平台
車載閘道器會將資訊保存在汽車內部，避免遭到外部存取與外部攻擊。閘道器用於保護子系統(建構防火牆)，將各個子系統隔開，以避免意外的互動。如此一來，重視安全性的系統就能與其他系統的操作隔離。閘道器還可確保各個領域使用的大量資料，能夠可靠有效率地進行傳輸。
閘道和車載網路的重要要求：
簡易性/可靠度/可擴充性
在領域式汽車架構的定義中，特別強調三個基本概念的重要性，這三個基本概念將引導整個開發流程的決策，也就是簡易性、可靠度和可擴充性。
領域式的架構是分解再組合車輛設計相關軟硬體組件的合理方式，也是組織設計團隊本身的一種方式。而恩智浦也用領域劃分來引導解決方案開發(圖5)，並且以領域式方法發表了一個用於未來車輛控制與資料處理的全新概念，適用於包括電動車、聯網車和自動駕駛車，其統一的微控制器(MCU)和微處理器(MPU)架構，可橫跨不同的應用平台處理相同的軟體環境。
圖5 恩智浦用領域劃分引導解決方案開發
資料來源：NXP
(本文作者為恩智浦半導體汽車電子事業部CTO)