2015年底,美國運輸部(DOT)發佈的消息提到,5年後美國所有的新車都將強制配備防止碰撞的車聯網(Internet of Vehicles,IoV)裝置,也就是車對車(vehicle-to-vehicle,V2V)系統的法規制定計畫。該部會的官員並表示,車聯網的目的是為了要提供行駛於兩線道的駕駛在超越卡車等危險情境前預警,預期將能避免或減輕80%的非駕駛責失撞車意外。DOT、美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)預估此項計畫1年後草案將正式底定,在之後的4年內,美國所有輕型車都將強制安裝V2V車聯網裝置。

美國提出這樣的法規計畫,對半導體廠商或是汽車製造商而言,相當令人狂喜,對吧?賽普拉斯(Cypress)資深產品行銷總監Jeff Baer表示,車聯網的發展前景是相當肯定的。目前市場上已經可以普遍看到原始設備製造商(OEM)和一線業者(Tier1)推動從藍牙(Bluetooth)手機連接車上的娛樂系統,或是增加支援Wi-Fi和藍牙組合的設備,也就是為車輛中的行動裝置提供非常豐富連接本地支援,包括驅動程式裝置所需的螢幕,以及連接到乘客裝置以共享媒體內容和連結網際網路的能力,而這已是車聯網發展歷程中一個常見的功能。可以說,車輛已被業者認為可扮演物聯網(IoT)連通裝置之一,亦即行動物聯網下一個階段的重要一環。

隨著汽車在3C之外成為電子科技產業關注的第四C之後,許多半導體大廠也開始進軍汽車電子產業,其中高通(Qualcomm)購併恩智浦(NXP)即是一例;據悉台灣電子五哥也已投入汽車應用相關市場。不僅如此,汽車結合通訊技術可衍生的各式應用也開始如火如荼的發展,尤其在第三代夥伴計畫(3GPP)將於2017年第二季發佈的Release 14標準,即是針對LTE車間普及和通訊服務所制定的規範,預期將可加速車聯網應用的發展,再加上車廠與元件商的大力推助,可以說,車聯網願景的實現似乎不再遙不可及。

車聯網激起無限應用想像

車聯網的概念雖然已經出現一段不算短的時間,但近期的確有較大的進展。德州儀器(TI)半導體行銷與應用嵌入式系統總監詹勳琪指出,車聯網分為車內與車外,現階段的發展著重駕駛與汽車間的關係和互動,且車外傳輸的距離也以短距離為主,因此有第三代夥伴計畫(3GPP)將於第二季推出的Release 14標準,以及發展已一段時間的專用短程通訊技術(Dedicated Short Range Communications,DSRC),也就是IEEE 802.11p標準,未來,5G也將成為車聯網的重要通訊技術之一。

Baer認為,加入無線連結技術為汽車廠商提供了前所未有的功能——一個強大的連結媒介,可將許多令人興奮的新資訊娛樂和遠端資訊處理功能帶給司機和乘客,同時允許資訊在車輛內共享。且汽車的重量總是值得關注,若電線可用無線技術代替,這將直接創造節省整體汽車重量和更有效率的燃油消耗。

現今車輛還收集大量的動態效能、診斷和操作數據,而高性能Wi-Fi為服務裝置提供了一個強大的媒介,並從車輛下載這些數據。Baer強調,所有這一切都將轉化為強大和令人振奮的新功能,汽車產業向消費者推廣,讓他們的行動裝置能直接在汽車內無縫的使用;對於半導體產業來說,車聯網是無線半導體技術一個大膽的新市場,可將業者過去在智慧型手機連接領域的研發利用於汽車中。

在智慧型手機產業有很大投入與成果的高通亦認為,該公司致力於提供最先進的技術和產品,因此也希望把智慧型手機相關技術應用到汽車產業中。就高通觀察,未來汽車廠商對汽車的定位是「擁有車輪的智慧型手機」,所以也預期將有很多智慧型手機相關技術都可以應用於汽車中。

從Wi-Fi、藍牙到DSRC、5G…等通訊技術陸續加入汽車中,不僅將衍生許多車聯網的應用,也會改變現有汽車的架構。

整車管理架構:中央V.S地方分權

現階段許多汽車已配備先進駕駛輔助系統(ADAS),每一個小系統都有電子控制單元(ECU)控制,以確保各項輔助功能可帶給駕駛與行人最高的行車及用路安全。詹勳琪表示,未來車聯網的時代,不僅需要更多有線與無線通訊技術、各式各樣包含雷達、光達(LiDAR)的感測器,還要配備分析資料的晶片,做出判斷。

這樣的組成架構相對現況勢必更加龐大,因此許多業者如英特爾(Intel)、輝達(NVIDIA)積極將其中央處理器(CPU)或繪圖處理器(GPU)帶入汽車,能借重這些運算能力強大的IC,成為汽車各項系統的主控制核心。

今年美國拉斯維加斯消費性電子展(CES),個人電腦(PC)產業開發出來的許多高效能處理器有許多的宣傳造勢,強調未來的汽車絕對需要功能強大、運算能力巨大的處理器。例如高通今年初在CES中也與松下(Panasonic)電子共同合作發佈了下一代車載資訊娛樂系統;此外高通還與奧迪(Audi)、愛立信(Ericsson)、SWARCO交通系統公司和德國凱撒勞頓大學(University of Kaiserslautern)共同進行了關於蜂巢式-V2X(Celluar-V2X)的測試合作。不過,這樣的中央集權架構,車廠是否真的會買單?

詹勳琪指出,目前汽車的每一個小系統都是由自己的ECU進行分析、管理,並做出回應,再將結果通報所謂的中央主控系統進行記錄,換個形容即為「地方分權」,這樣的架構已經普遍受到車廠的認可,更重要的是,沒有一個ECU可以把一台汽車所有的功能獨立做完。

事實上,汽車各項功能的整合並不如其他產業所想來得「前衛」與容易。以現有的汽車架構分析,可以說是模組化架構分層負責再層層向上,可以降低許多總系統的運算負擔,反應也較為即時。若是以單一顆強大的處理器負責所有的事項,不僅處理器的負擔會加重許多,處理器本身的散熱就會是很大的問題,更遑論在處理大量的資料後,馬上傳遞該做什麼的反應資訊到子系統,這中間的傳輸時間如何變得更快。

未來進入到車聯網的時代,汽車所要接收與處理的訊息再也不是幾百kb,而是海量的資訊,多個子系統個別處理或是採用單一主控晶片「掌控全局」,何者能夠達到車廠所要的最高安全等級?則得交由車廠與市場進行測試與認定。

資訊娛樂系統亦為車聯網一體

先前已提到,車聯網尚未風風火火發展時,汽車資訊娛樂系統(Infotainment system)是汽車內部首個透過個人行動裝置添加連網能力的部份。想當然爾,汽車資訊娛樂系統未來也將在車聯網應用或架構中扮演重要角色。

芯科科技(Silicon Labs)資深產品經理陳子良表示,根據資料統計,汽車市場每年約有1億台的出貨量,而車聯網勢必改變汽車資訊娛樂系統,並衍生更多元的應用情境,成為未來半導體廠商兵家必爭之地。舉例來說,隨著歐盟欲逐漸將傳統的類比調頻(FM)廣播停用,全面啟用數位化的數位音訊廣播(Digital Audio Broadcasting,DAB);挪威(Norway)已率先響應於2017年全面中止FM服務;英國則預計2020年停用;美國也計畫停用FM廣播改用數位廣播系統;中國大陸甚至推出自有標準中國數位廣播(CDR);印度則是計畫採用全球數位廣播(DRM)標準。可見,廣播訊號數位化已箭在弦上。

不僅如此,廣播系統全面數位化後,意味著可以透過廣播系統傳輸資訊到車內。陳子良認為,現在的汽車系統已有透過調幅(AM)與FM或是DAB系統收集交通資訊的應用,搭配ADAS,將有更多應用會由想像變為真實。未來,車聯網架構成形,許多通訊技術,例如最新的5G通訊陸續進駐車內,不僅可以將更多智慧型手機或是個人電腦的娛樂應用放進車內,還能讓車內的數位廣播系統進一步傳輸影像或是視訊資料,提升車內娛樂體驗與行車安全。

20170306 NT01P1 圖1:車聯網時代需要更高的安全性,才能降低資料受駭客攻擊的可能性(來源:英飛凌)

連線安全性

車聯網的概念是車對所有都可以互連、互動,也就是V2X,還需涵蓋車內通訊,才能是完整的車聯網系統,這當中需要許多連網技術的加持,才能實現。英飛凌(Infineon)大中華區汽車半導體業務事業處資深經理Hans Joachim Schatz表示,汽車內建多種通訊技術後,等於是將很多汽車與駕駛人的資訊暴露在空中,因此提高安全性將是當務之急。

現階段車聯網應用中,已陸續有些已發生或未來可預見的「問題」。例如特斯拉(Tesla)的自動巡航(AutoPilot)功能、歐盟已諭令新車都需具備的自動緊急呼叫(eCall)系統,或是一些遠端網際網路服務、娛樂應用程式(App)…等,都曾經因為遠端軟體更新出問題或是駭客入侵的機會,而發生可避免的事故。甚至台灣高速公路採用的電子收費系統(ETC),未來也將因車聯網的發展,而成為駭客的攻擊目標。

也因為2017年或之後的未來將陸續實現車聯網中的V2V這一塊應用,因此汽車現有的分散式安全架構需要進一步升級。Schatz指出,現在的汽車各部分功能的安全只有幾顆安全晶片全權負責,但這樣的架構在車聯網時代不足以應付「無孔不入」的駭客,因此需要有層次(architecture)的安全架構。

所謂有層次的安全架構,除了從軟體轉為片上安全防護(on-board Security)的必要性之外,各部分的安全防護都需要各自獨立。Schatz進一步解釋,現今汽車安全防護系統是什麼部分都與主控端連結,給予駭客許多入侵的管道,一旦入侵成功,防護系統會完全崩潰,駭客想要什麼資料或是控制車輛都像「桌上拈柑」;但層次化的安全架構則是各部份各自獨立,具備更多的安全機制,且彼此無法跨界,不會因為一個部分失守而全盤皆輸。

20170306 NT01P2 圖2:汽車層次化的安全架構(來源:英飛凌)

車聯網帶來更多商機

車聯網讓車廠與半導體業者趨之若鶩,起因為該產業可以帶來許多過去想不到的新商機。

各式元件雞犬升天

除了微控制器(MCU)之外,CPU等級的處理器業者也看到其產品能發揮的空間——全車主控制系統的大腦。高通認為,未來車聯網會帶入許多現有的行動裝置娛樂體驗,因此高效能的處理器勢不可免,也能透過處理器為汽車增添更多智慧功能。就高通來看,汽車要智慧化其實很簡單,也就是客戶期望這些終端裝置能提供跟智慧型手機一樣的使用者體驗,這需要先進的運算能力以實現系統互聯。比如,汽車的儀錶與中控系統需要智慧地共用資訊,兩者必須保持連接並適時傳遞資訊。

不僅如此,汽車更加智慧化後,大腦也須擔任連接車外與車內聯網系統的橋樑,因此人工智慧(AI)、深度學習(deep learning)也會陸續成為高效能處理器的臂膀;同時也提升高效能處器進軍車用市場的契機。

車聯網需要大量的感測器,如影像感測器、MEMS感測器、雷達感測器…等,還需要數位訊號處理器(DSP)處理影像方面的資訊。因此這些元件在車聯網市場中的需求只會提升,而不會漸少。

此外,安全晶片也將因車聯網而有更多被採用的機會。試想,汽車若是被駭客入侵,將造成極大的損失,也會對品牌商譽造成極大的影響。Schatz強調,對車廠而言,安全是最重要的,不會輕易為了要降低成本而漸少該有的安全防護措施,汽車產業正在轉變,不僅功能再進化,與更高安全性的進一步連結更將受到更多的重視。

通訊技術扮演關鍵角色

車聯網的命脈是通訊技術,車內有Wi-Fi、藍牙與CAN、LIN等無線與有線通訊技術;車外通訊技術則分為短距的DSRC及即將公布的3GPP Release 14標準規範,還有負責長程通訊的4G和5G。

詹勳琪表示,現階段車外連網的發展以短距為主,3GPP採用5.9GHz頻段的Release 14標準與DSRC雖然都是供短距離的V2V或車對基礎建設(V2I),且採用頻段相同,不過,兩者在通訊協定(Protocol)上仍有差別。Release 14標準專攻V2V應用,惟延遲沒有很低;DSRC則針對安全資料傳輸所設計,因此延遲相對低較多。

這樣的比較結果也會令人聯想到是否會有技術之爭的問題。Baer認為,連接技術的發展關鍵是標準——一套完整和一致的標準允許不同設備(固定和行動)之間的無縫連接,因此,任何鞏固和促進標準的努力最終都有利於在車輛中採用下一代技術。且3GPP此舉可望將一組複雜的互補功能簡化和整合成一個可以被汽車產業採用的一致的架構,促進車載電子產品的廣泛採用,以提供廣泛的安全和娛樂功能。但是最終車廠選擇何種技術作為短距離的車外通訊標準,仍是端看車廠對汽車產品的設計與功能。

連網技術也導致數據機(Modem)晶片的需求大增。高通表示,數據機能夠支援汽車平台保持連接,不管是與車內的ECU還是與車內的個人終端裝置連接,甚至汽車對外連結。

Baer強調,IEEE接取點(AP)規範沒有標準協議來告訴個人工作站(STA),AP正在改變通道或是離線狀態。因此,賽普拉斯藉由購併博通(Broadcom)無線連接產品系列,而有所謂「雙MAC Wi-Fi/藍牙」組合架構。在單MAC解決方案中,5G中的AP模式不能在2.4G中切換到AP模式,而不會混淆相關聯的STA,因此可解決AP+AP併發性(concurrency)的基本問題。

測試認證為車聯網把關

為了打造安全的汽車駕駛環境,與車輛有關的所有半導體元件、模組、系統甚至整車都必須進行測試與檢驗,特別是無線網路與行動通訊技術的快速進展,在引爆車聯網應用與服務等龐大商機的同時,也帶來了攸關網路安全與裝置互通性的問題。

德凱集團(DEKRA)東亞區總裁Stan Zurkiewicz強調,無論是車聯網還是更廣泛的物聯網,基於連網功能的安全需求是整個體系中不可忽視的重點。因此,「車聯網的挑戰就在於如何確保連網元件之間的相容性,促進彼此間的通訊;以及提高連網的安全性,避免駭客攻擊。」

為此,車聯網測試並不僅關注於車輛本身,更重要的是廣泛的連網技術與安全性,包括連線能力、互通性、安全測試與認證;與電子元件有關的電磁相容性(EMC)、射頻(RF)、化學與材料特性、性能與可靠性測試,以及能源效率和國際市場準入服務等檢測認證項目。

看好台灣在電子供應鏈的優勢以及作為發展車聯網的重要據點,包括德凱集團與立德(Bureau Veritas)等國際檢測驗證大廠近年來相繼在台灣投資,積極佈局台灣與亞太市場。立德於2015年在新竹科學園區成立EMC/RF檢測實驗室,提供車載無線裝置與智慧電網檢測服務。

長期耕耘汽車檢測驗證的DEKRA同樣在2015年進入台灣市場,至今並已斥資數千萬歐元在台打造國際級實驗室。繼去年7月在林口設立物聯網檢測認證實驗室後,年底即正式啟用位於新竹的車聯網實驗室,為汽車價值鏈提供一站式的整合服務,以滿足車聯網與電動車等技術創新帶來日益成長的檢測認證需求。

各國積極佈建車聯網環境,台灣呢?

目前的車聯網發展較快的部份是V2V與車對行人(V2P)。詹勳琪說明,車和行人都是移動的物體,牽涉到行車安全的問題,透過感測器與運算技術,加上通訊技術即可逐步實現,因此發展相對較快。而V2I則需要政府單位提出並建置相關的配套措施,因而仍需要一段時間才能看到。

另外,與安全無關的車聯網應用,如娛樂系統,也發展迅速。從美國一項統計中可發現,美國3G、4G的新網路用戶的申請預訂,已呈現車比人多的態勢,即可見一斑。詹勳琪強調,雖然新網路用戶申請主要仍因應汽車娛樂應用服務的需求而增加,但已經可以說是車聯網發展明確的第一步。

Baer則認為,汽車產業在開發週期中相當慎重,藉以提供最高水準的可靠性,車聯網這個願景的發展已進行了幾年,相信大量令人興奮的系統將在未來2個車型年(model years)內進入市場,提供前所未有的連接水準到車輛中。

各國汽車產業積極發展車聯網相關應用與推出相關的車種,反觀台灣的進度似乎仍較落後。詹勳琪表示,汽車無疑是一個很大的市場,台灣廠商無論如何都需要了解汽車產業的設計與思維,才能從汽車後裝市場慢慢進入前裝領域,且可預期車聯網前裝市場在全球主要車廠的推助下未來將大有可為,後裝市場將漸漸萎縮,台灣廠商仍需再加把勁。

負責中國、台灣、日本與韓國等市場業務的Stan Zurkiewicz則樂觀看好台灣的發展與機會。從塑造汽車領域的主要發展趨勢——新能源車、自動駕駛、車聯網以及車輛擁有權改變來看,他認為,中國大陸由於政策面與產業面的積極投入,加上消費端接受快,在電動車與車聯網等領域的市場最大、成長也最快速;而台灣的汽車製造市場雖小,但憑藉著資訊科技(IT)製造的優勢,以及車聯網進展的加持,預計將會有更多的台灣IT業者轉向這一領域。