尖端電子技術為汽車產業注入創新活力

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

智慧化的電動車在抽象層級結構上分成了感知層、決策層與執行層;這三個層級也代表了車用半導體市場未來的成長動力。在日前於上海舉辦的「中國國際汽車電子高峰論壇」上,參與企業恰好包含了以上這三個層級,讓我們有機會去更全面地瞭解現今汽車電子產業的發展情況。

在本月初由ASPENCORE在中國深圳舉辦的年度全球CEO峰會上,比亞迪半導體總經理陳剛曾提過,智慧化的電動車在抽象層級結構上分成了感知層、決策層與執行層;這三個層級也代表了車用半導體市場未來的成長動力。

其中感知層代表的是各類感測器產品,如攝影機、雷達、速度角度感測器等;決策層則是指運算控制晶片,如ECU、MCU等;而執行層就是馬達、電控、轉向等系統,半導體在其中參與的主要是功率元件。

在日前於上海舉辦的「中國國際汽車電子高峰論壇」上,參與企業恰好包含了以上這三個層級。如博世(Bosch)的產品就涵蓋了執行層、感知層(與決策層),豪威(OminiVision)則是典型的感知層供應商,而高通(Qualcomm)則更偏向決策層。另外還有像特斯拉(Tesla)、蔚來汽車這樣的整車廠參與。讓我們有機會去更全面地瞭解現今汽車電子產業的發展情況。

這場論壇是由上海市科學技術協會、中國(上海)自由貿易試驗區臨港新片區管理委員會指導,由上海市積體電路行業協會主辦,以及Aspencore、上海積體電路產業投資基金聯合舉辦的。

汽車電子市場的龐大成長動力

在開場致辭時,上海市科學技術協會黨組成員暨副主席陳麗提到,英國剛剛宣佈將燃油乘用車與貨車的禁售時間提前到了2030年,以實現英國的淨零排放目標。而且英國的「禁燃令」實際上已經兩度提前。這一點實則就是汽車產業大變局寫照的具體體現;「汽車電子在新的歷史時期,正在深刻改變產業、改變我們的生活。」

博世汽車部件(蘇州)有限公司總經理,博世汽車電子中國區總裁Georges Andary則再度提到了車用半導體市場,汽車電子及半導體成本分佈,如下圖所示:

 

圖中的藍色柱狀條代表的是汽車電子成本佔比,紅色折線則代表每輛汽車中的半導體價值。Andary呈現的這份資料來源為IHS和德勤,預計到2030年,汽車電子在整車中的成本佔比會達到45%,這是個不斷攀升的過程,也為涉足車用領域的電子及半導體企業提供了莫大的機遇。而且很多先前並未參與汽車市場的半導體企業,典型如Intel、Nvidia等,如今也參與了市場競爭,期望從更廣大的市場價值裡分一杯羹。

2010年的汽車內部,程式碼規模在1,000萬行左右。涉及的系統主要包括了電子穩定程式、防鎖死煞車系統、安全氣囊、車身電子系統等。現今汽車內部更多地加入了感測器,執行層採用更先進的功率元件,且控制層的算力在提升。汽車電子帶來的是未來車內3~5億行的程式碼規模,自動駕駛、車聯網、智慧座艙、資訊娛樂系統等都成為未來智慧連網車輛的關鍵。

「傳統汽車的系統整合特點,包括了硬體驅動功能、系統及零件級安全、車內網路、具有專用積體電路能力的分散式功能;」Andary表示,「而將來的特色則至少包含了軟體驅動功能、以服務為導向的系統設計、系統及元件級安全與保障、高頻寬的車聯網與半導體系統解決方案。」

博世半導體鎖定車用領域推出的MEMS系統(如ESP系統、主動懸吊、座椅舒適系統、安全氣囊等)、ASIC晶片(如應用於電子驅動控制、車內網路、電源管理晶片等)、功率半導體元件(逆變器、DCDC轉換器、車載充電器等),以及最終構成系統(如ADAS、跨域軟體解決方案等),可以認為是當代汽車電子對汽車產生革新的相對具體寫照。

一輛車要配幾台攝影機?

如果針對汽車電子構造的嶄新市場,選一個更具體的角度來做剖析,那麼豪威科技針對汽車市場所推出的CMOS影像感測器(CIS)顯然是很具說服力的。豪威集團資深副總裁王崧多次強調,雖然手機是CIS應用的絕對大宗,汽車則是「高速成長市場,」光是單一輛車所配備的攝影機數量就很可觀。

 

「所以基本上一輛車會有大約13顆攝影機,只不過現在的汽車主要在做的還是最初的後視和環視;」王崧表示,未來數年內單輛汽車搭載攝影機的數量成長還會表現出一個比較有趣的態勢:「汽車CIS市場的成長是最快的;」如下圖所示,後視與環視以相對平穩的速度成長,而前視——典型如防碰撞之用的則成為重要的增量市場;且串流媒體後視,尤其是串流媒體的主後視(Camera Monitor System,CMS),「明年後年會成為爆發點;還有DMS未來也會成為爆發點。」

 

 

「這就和金字塔需求一樣,先滿足基本的後視與環視需求;然後再是防碰撞的前視;隨後是串流媒體後視;最後是駕駛員監控。多個點、一波一波推動,所以汽車電子的CIS成長性非常好。」除了車載攝影機的數量變化,如今的攝影機也正幫助滿足更高的要求,包括弱光可視性、更低的功耗、更小的尺寸;更具代表性的是,豪威將HDR與防閃爍做融合。

王崧指出,「從2005年到現在,我們一直在探索怎樣同時滿足這兩個特點;」在豪威的展檯上就看到了OX03C10、OX08B4C這樣的產品。豪威標稱140dB HDR和LFM (LED閃爍抑制)的車用人眼視覺應用影像感測器,即是兼具了HDR和防閃爍這兩者看似矛盾點的特性融合。

 

 

在此同時,不同領域的CIS技術正在做「跨界融合」,如HDR這項技術原本就是汽車CIS的需求,畢竟車燈、路燈都很容易造成拍攝畫面的大光比場景;豪威的汽車CIS也正加入越來越多的特性,典型如PureCel Plus像素,包括DTI深槽隔離、CFA傳統組合的變化、像素結構BSI對FSI的替換、以及豪威科技的夜鷹技術等。

車載攝影機CIS的這些技術趨勢,以及市場增量無不體現著汽車電子對於整個汽車產業的變革和影響有多深遠。當然,CIS只是其中的一部分。

決策層的進化

這場論壇中,能在汽車電子決策層部分最有發言權的應該就是高通了。高通的汽車業務專注在四大關鍵領域,分別是數位座艙、蜂巢式車聯網C-V2X、ADAS與自動駕駛、雲側終端管理。通訊、訊號處理和運算一直都是高通的強項。

高通公司中國區汽車事業部負責人艾和志表示:「未來的智慧交通是整合了人、車、路、雲一體化的綜合性智慧交通,這離不開三個基礎技術的支撐。首先是基於5G的連結技術,包括C-V2X技術,以及基於AI的自動駕駛技術,同時數位座艙提供的車內個性化駕乘體驗也是智慧出行的重要組成部分。」

C-V2X是高通於6年前導入的一個概念,並在3GPP完成了標準化。C指的是Cellular,而V2X是指Vehicle to Everything——包括了車對車、車對基礎設施、車對人、車對網路的連結。C-V2X已經在中國、韓國、日本、歐洲進行了測試。在5G的發展之下,C-V2X朝著5G V2X演進。今年7月,Rel-16版本確定,也首次完成了基於5G框架的5G V2X。

高通的5G NR Rel-15 modem已經整合了C-V2X,也就將C-V2X與4G/5G連網能力、高精度定位解決方案做了融合。高通官方提供的參考設計另外包括了WiFi、藍牙、電源管理等方案,Tier 1企業也就能夠基於參考設計提供整個前裝或者後裝的OBU設備。

在自動駕駛部分,高通今年初推出了驍龍Ride平台,支援三個等級的自動駕駛系統,分別是L1/L2級主動安全(30 TOPS等級備算力),L2+級ADAS,以及L4/L5級完全自動駕駛(超過700 TOPS算力)。這個平台包含了安全系統級晶片、安全加速器和自動駕駛軟體堆疊。軟體堆疊包含了高精度定位與地圖融合、C-V2X、感知演算法。]

 

 

在自動駕駛部分,高通今年初推出了驍龍Ride平台,支援三個等級的自動駕駛系統,分別是L1/L2級主動安全(30 TOPS等級備算力),L2+級ADAS,以及L4/L5級完全自動駕駛(超過700 TOPS算力)。這個平台包含了安全系統級晶片、安全加速器和自動駕駛軟體堆疊。軟體堆疊包含了高精度定位與地圖融合、C-V2X、感知演算法。

在數位座艙部分,「現在的車內不僅有顯示器,還有AR/抬頭顯示器;後視鏡不僅支持後視功能,而且還支援串流媒體播放;副駕駛座、乘客後座都配有顯示器;左視鏡、右視鏡都具備電腦視覺功能;」艾和志說,「整車廠和Tier 1供應商都在超寬顯示器、多顯示器、多攝影機和音箱方面加大了研發投入。這都對車規級晶片的算力提出了更高的要求,還需要兼顧發熱和能效的問題。」

所以針對數位座艙,高通目前已經發展到第三代平台:整合了高通一向以來擅長的CPU、Adreno GPU、Hexagon DSP和AI Engine,實現繪圖影像多媒體、電腦視覺和AI等功能。

已經採用高通上述方案的車企或者汽車產業其他層級的企業已經有不少。比如C-V2X應用,在此前基於中國協議標準的C-V2X 「新四跨」暨大規模先導應用示範活動中,40多家整車廠中的絕大部分都採用了高通的9150 C-V2X晶片組。

在數位座艙部分,艾和志提供的資料是,「包括奧迪(Audi)、捷豹路虎(Jaguar Land Rover)、本田(Honda)、吉利、廣汽、長城、比亞迪、理想、領克、小鵬、威馬等在內,全球有19家主流汽車製造商都採用了高通的資訊影音和數位座艙解決方案。」

整車廠:向自動駕駛邁進

參與本次高峰論壇的主要兩家整車廠分別是蔚來汽車與特斯拉,這兩家企業呈現的重點都是自家車輛產品的智慧化特色,而且這兩家企業有個共性,即與傳統整車廠的OEM+整體解決方案不同,是以幾乎從頭打造智慧連網車輛的方式,來「完全掌握技術開發」;不過兩家企業的技術路徑也仍然是有差異的。

蔚來汽車助理副總裁,自動駕駛系統部門負責人章健勇主要介紹的是蔚來汽車開發的NIO Pilot系統,這是個自動輔助駕駛系統;「我們從2018年10月開始的1.1版本推送帶報警協助工具的ADAS功能,包括車道偏離、遠近光自動控制、前後碰撞預警、車輛盲點監控、後側來車預警、車道變換預警、側方開門預警等。到後續遵循3個月一次版本反覆運算的節奏,功能不斷升級。」

後續加入的還有自適應巡航等功能。到2.0版本,加入了包括高速輔助駕駛、壅塞輔助駕駛、全自動停車等功能;今年年初還推出融合的環景停車。章健勇指出,「今年10月,我們也推出了領航協助工具;」這裡的領航協助工具是導航系統、高精度地圖與NIO Pilot自動輔助駕駛系統的融合,「整個系統軟硬體都是自己內部開發的,」而且系統內加入了冗餘基礎設施,更多演算法能夠在後續的版本持續加入。

 

其特色比如在高速公路及城市高架道路上,實現自動進出匝道和切換主幹道;自動調整車速、智慧變換車道及超越慢車。章健勇表示,蔚來汽車是「全球第二家實現領航協助工具的車企,」而且「在全系車型上實現推送,相比特斯拉則不僅覆蓋高速公路,而且也覆蓋城區快速路和高架路;全程智慧控速;還有更多場景的人機交互與細節打磨。」

其技術亮點包括了全域規劃路徑、高精度地圖/定位、智慧換道、智慧並線演算法、多重限速來源、智慧互動。而且針對中國場景進行了優化和轉向驗證。比如說匝道場景在中國大陸有不同的種類,因此蔚來汽車在進入匝道場景做了比較多的測試和分類優化。

從某個程度來說,蔚來汽車扮演的角色實則也觸及到了上游。特斯拉中國總技術工程總監王文佳也特別展示了特斯拉的Autopilot自動輔助駕駛系統,包括自動輔助變換車道、自動輔助導航、智慧召喚、自動緊急煞車、自動停車、側撞預防等。

不過在我們看來,特斯拉最具「自研」屬性的應該就是FSD (Full Self-Driving Computer)自動駕駛晶片及系統級電腦方案了——這顆晶片是此前特斯拉用於替代Nvidia GPU的自研產品,也讓特斯拉在汽車電子的決策層上更具話語權。

 

 

王文佳表示,「為自動輔助駕駛系統開發人工智慧晶片時,我們發現市場上沒有成本合理、低功耗的系統。使用傳統CPU、GPU或者其他相似的產品會耗費數百萬的功率,而且後備箱還會被GPU巨大的冷卻系統佔據;成本高昂、佔空間,而且還高能耗。」

「所以我們開發特斯拉自有的人工智慧晶片,具有雙系統的特斯拉完全自動駕駛電腦。新一代晶片的神經網路處理器能夠同時處理8顆攝影機工作產生的每秒2,300幀影像輸入,相當於每秒25億像素,是此前版本的21倍左右;讓特斯拉自動駕駛晶片具備深度學習、神經網路、行為預測的潛力。」

的確,如今的智慧連網車輛,注重自動駕駛功能時普遍開始採用專用的AI晶片以提升能效、降低功耗和所佔空間。畢竟電動車對於低能耗、空間利用也有著越來越高的要求。

另一種未來:氫燃料電池車輛

前面我們所談的基本上都是「智慧連網車輛」的概念,未來車輛的三要素(或四要素)通常包含了智慧、連網(數位),還有自然就是電動化了。有關電動車綠色能源的爭議向來頗大,包括鋰電池或鋰離子電池生產過程可能在上游造成的污染。實際上在綠色能源方面,存在更多實現車輛電動化的可選方案。

本次高峰論壇上,中國科學院院士、中科院上海技術物理研究所研究員沈學礎特別談了氫燃料電池車輛的未來。氫燃料電池是直接將化學能變為電能的一類電池,「氫燃料電池發電的電化學原理是,質子交換層氫氧反應;」如以下兩張圖片所顯示的氫燃料電池發電原理,以及氫燃料電池的結構,包括其中的雙極板。

 

 

自從氫氣在18世紀被發現,以及1838年德國化學家提出燃料電池的原理至今,又經過不同年代的技術發展,「氫燃料電池在研製成功後,就有各種廣泛應用:很多社區、商業大樓、潛水艇都可以做電源。」

而且氫能源具備了儲量大、無污染、能量高和氫電互補的重要特性,所以「氫能源可能是人類能源的終極解決方案;」沈學礎表示,「正因為如此,美國、日本、歐洲和全球很多國家大概10年前就開始關注氫燃料、氫能源,也包括氫燃料電池。」中國在去年12月11日發佈的《國家能源局科技司關於能源技術裝備創新支撐能源革命和綠色發展研究等四項課題承擔單位公開徵集公告》,也開始關注氫能源問題。

「氫能是很大的產業鏈,整個產業鏈涉及到幾兆美元的規模。從上游的制氫,到中游運氫、儲氫和注氫,以及下游的應用,這是個相當大的產業。我看新聞報導說,上汽公司已經開始小批量量產氫燃料電池車輛了,這表明氫燃料電池已經在路上;」但沈學礎也特別指出,現有結構的氫燃料電池,痛點在於功率密度低、成本高、耐久性低、轉換效率低。

在沈學礎看來,氫燃料電池的突破口在矽極板燃料電池。雙極板在燃料電池工作過程中,起到了分配氣體、導電、導熱、排水等作用,尋找性能優良、成本效益高的雙極板新材料和加工方法是燃料電池車輛產業化需要解決的問題。石墨雙極板、金屬雙極板都是其中的方案。

 

 

上圖是來自海晫科技研究的碳矽基雙極板和電堆,該公司正在進行新型氫燃料電池的開發和生產,讓晶矽極板燃料電池能夠獲得高性能低成本的「顛覆性優勢」;不過其製程與傳統技術似乎是有較大差別。「這項技術還在路上。如果說要走完全程需要100步的話,他現在大約已經做了10步;」但總的來說,沈學礎表示,「在我看來,氫燃料電池車輛是汽車產業的新高峰。氫燃料電池、太陽能、新能源,我看到後石油時代正在向我們走來,而且速度一定比我們想像得更快。」

所以無論是傳統車企的轉向,還是市場新進參與者的汽車業務佈局,「電子」產業都為汽車市場注入了一劑強心針。也許這場汽車電子高峰論壇無法涵蓋整個汽車電子市場,也讓我們管中窺豹地看到了當前最尖端的智慧連網電動車,在技術和市場發展上都在飛奔。

本文原刊於EE Times China網站

 

 

 

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