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環(huán)保與自駕驅(qū)動(dòng)，瑞薩沖刺新世代能源車與ADAS

本文作者：任苙萍點(diǎn)擊： 2017-05-16 15:41

前言：

智能車關(guān)鍵推手2：高端工藝＆開放平臺(tái)

智能車的電子系統(tǒng)日益復(fù)雜，控制中樞亦須與時(shí)俱進(jìn)。在車用微控制器 (MCU)／系統(tǒng)單芯片 (SoC) 獨(dú)霸一方的瑞薩電子 (Renesas Electronics) 認(rèn)為，當(dāng)人們對(duì)油電混合車／電動(dòng)車 (HEV / EV) 行駛距離的期望值越來越高，MCU 計(jì)算效能及功能整合勢(shì)必隨之升級(jí)，才能制造效率更高、體積更小的馬達(dá)變頻器；另須配備大容量閃存 (Flash) 與防護(hù)機(jī)制，以精確支持各國(guó)環(huán)境法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)，并允許空中傳輸 (OTA)，通過無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)來診斷、更新或還原控制程序，簡(jiǎn)化維護(hù)作業(yè)與成本。值得留意的是，＂半導(dǎo)體工藝＂的世代更迭，居間角色十分吃重。

車用 MCU 要件：多核心、低功耗、大存儲(chǔ)、高整合
瑞薩電子全球業(yè)務(wù)執(zhí)行副總裁 MANABU KAWASHIMA (川嶋學(xué)) 主張，＂高效穩(wěn)固的多核心、低功耗且預(yù)防過熱、增加程序存儲(chǔ)容量、高度整合前沿及通信功能，是今后自駕、環(huán)保智能車 MCU 的必要條件＂。首先，要與 3D 雷達(dá)合作無間，以監(jiān)測(cè)車輛四周環(huán)境、實(shí)現(xiàn)高精度感測(cè)；其次，須整合多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，并具備實(shí)時(shí)判斷的能力；再者，須讓電子控制單元 (ECU) 能快速處理復(fù)雜的控制任務(wù)，包括失效穩(wěn)定運(yùn)作能力，并協(xié)調(diào)、控制多個(gè) ECU；最后是提高整體系統(tǒng)的能源效率及功能安全，以符合更嚴(yán)格的排放法規(guī)。

照片人物：瑞薩電子全球業(yè)務(wù)執(zhí)行副總裁 MANABU KAWASHIMA (川嶋學(xué))

新世代環(huán)保汽車的引擎，需要強(qiáng)大計(jì)算效能來運(yùn)作燃油系統(tǒng)，以及大容量的內(nèi)嵌閃存來容納更龐大的韌體程序。事實(shí)上，瑞薩對(duì)于工藝技術(shù)的投資一直相當(dāng)積極。當(dāng)同業(yè)大都還停留在 65 / 55 nm，瑞薩已率先使用 40 nm 量產(chǎn) MCU；現(xiàn)今更與臺(tái)積電 (TSMC) 合作最高端的 28 nm eFlash (嵌入式閃存) MCU 工藝——結(jié)合瑞薩高可靠、高速的＂金屬氧化氮氧化硅＂(MONOS) eFlash，與臺(tái)積電高效能、低功耗的 28 nm 高介電層金屬閘技術(shù)。新產(chǎn)品擬于今年供樣、2020 年開始量產(chǎn)，可較 40 nm 提升四倍以上的內(nèi)存與效能。

MONOS 閃存單元的每個(gè)晶體管是以＂硅＂為基礎(chǔ)、由氧、氮、氧三層組成，頂端有一個(gè)金屬控制閘極；瑞薩立足先前 MONOS 的既有成果之上，研發(fā)適用于 MCU 內(nèi)部閃存的分離閘 (SG) 結(jié)構(gòu)；全新鰭狀結(jié)構(gòu)＂SG- MONOS＂閃存能賦予 MCU 高可靠性、高速和低功耗特點(diǎn)，以進(jìn)行更實(shí)時(shí)、安全的計(jì)算和控制。KAWASHIMA 援引市調(diào)資料指出，預(yù)估車用電子 2015～2020 年之年復(fù)合成長(zhǎng)率以油電混合車／純電動(dòng)車的 18% 最高，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的 17% 次之；因此，上述兩者也是瑞薩的重點(diǎn)投資區(qū)塊。

圖1：瑞薩在半導(dǎo)體工藝處于領(lǐng)先地位
資料來源：瑞薩電子

●IMTS 電路技術(shù)與逆變器，改善電動(dòng)車能源效率
在 HEV / EV 方面，瑞薩今年初推出專用于電機(jī)控制的＂智能電機(jī)定時(shí)器系統(tǒng)＂(IMTS) 電路技術(shù)，以改善電機(jī)控制的能源效率。這類車款的 ECU 需要高端的功能和復(fù)雜的控制軟件，會(huì)增加 MCU 處理負(fù)載；但另一方面，又須限制 MCU 熱能、讓 MCU 內(nèi)部電路 (包括 CPU 核心或內(nèi)核) 維持在較低的工作頻率，以免高溫環(huán)境有損組件可靠性。兩相權(quán)衡的結(jié)果，往往對(duì)整體性能形成桎梏；而瑞薩獨(dú)立于 CPU 之外的 IMTS 能自主運(yùn)行，采集感測(cè)數(shù)據(jù)并加以計(jì)算、輸出數(shù)值至 CPU，可為 CPU 騰出更多容量供高階演算能源效率使用。

此外，有鑒于逆變器 (Inverter) 與電力效率關(guān)系匪淺，繼數(shù)年前的 2.9 L、50 kW 級(jí)逆變器后，瑞薩近日再推出 3.9L、100 kW 方案，包括最大化電機(jī)性能軟件以及 MCU、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、快速恢復(fù)二極管 (FRD) 等功率半導(dǎo)體器件，將原型變頻器系統(tǒng)的規(guī)格分析、軟／硬件開發(fā)和電機(jī)特性調(diào)整時(shí)間，從 2～3 年壓縮至一年。瑞薩尤其看好中國(guó)大陸在純電動(dòng)車市場(chǎng)可望引領(lǐng)潮流；為壯大本土生態(tài)系并加速業(yè)務(wù)成長(zhǎng)，今年三月在中國(guó)大陸增設(shè)業(yè)務(wù)單位，以自家 IGBT 芯片為起點(diǎn)，攜手當(dāng)?shù)毓β誓K和一階逆變器供貨商，冀向外逐層串聯(lián)系統(tǒng)代工廠。

圖2：瑞薩擬在 2020 年之前，與中國(guó)大陸伙伴共同建立符合當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)標(biāo)準(zhǔn)的新型商業(yè)模式
資料來源：瑞薩電子

●＂Autonomy＂開放平臺(tái)，創(chuàng)新加速器與功能驗(yàn)證
至于 ADAS，從感測(cè)、認(rèn)知、人機(jī)接口 (HMI) 到控制，瑞薩 RH850 / R-Car MCU 皆可應(yīng)對(duì)自如；今年美國(guó) CES 上，瑞薩更成功展示智能相機(jī)、雷達(dá)、車聯(lián)網(wǎng) (V2X)、自動(dòng)駕駛計(jì)算、數(shù)據(jù)融合、路由、規(guī)劃、導(dǎo)航、信息娛樂、駕駛監(jiān)視、電動(dòng)馬達(dá)、煞車、操舵等多項(xiàng)自駕車技術(shù)。去年并購(gòu) Intersil 后，瑞薩將可在車內(nèi)娛樂顯示與 ADAS 的絕對(duì)利基外，補(bǔ)強(qiáng)在抬頭顯示、顯示／攝像網(wǎng)絡(luò)和電池管理的能量。特別一提的是，瑞薩日前發(fā)表一款名為＂Autonomy＂的開放平臺(tái)，涵蓋云服務(wù)、感測(cè)、決策和控制的＂端到端＂(End- to- End) 解決方案。

＂Autonomy＂開放平臺(tái)為系統(tǒng)制造商提供 IP 內(nèi)核選項(xiàng) (包括硬件加速器)，協(xié)助在最低功耗下、實(shí)現(xiàn)最高性能的架構(gòu)和算法，兼顧安全與靈活，亦深受半導(dǎo)體同業(yè)贊許。亞德諾 (ADI) 近期便與瑞薩展開 77 / 79 GHz 汽車?yán)走_(dá)的技術(shù)合作，將瑞薩 RH850 / V1R-M MCU 與 ADI Drive360 高端 28nm CMOS 射頻到位 (RF-to-bit) 技術(shù)無縫連結(jié)；新誕生的傳感器展示器件可在更遠(yuǎn)的距離，更早偵測(cè)到體積更小、速度更快的移動(dòng)物體，提升駕駛安全性并減少雷達(dá)系統(tǒng)整合工作，為用戶提供系統(tǒng)級(jí)的數(shù)字互通，進(jìn)而降低汽車 OEM 和一線供貨商的評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。

圖3：瑞薩＂Autonomy＂開放平臺(tái)，貫穿感測(cè)、認(rèn)知決策、控制及云服務(wù)
資料來源：瑞薩電子

●R-Car V3M：基于＂Autonomy＂平臺(tái)的首款圖像識(shí)別 SoC
聚焦于啟動(dòng)＂新車評(píng)估程序＂(NCAP) 的瑞薩，本身亦為＂Autonomy＂開放平臺(tái)發(fā)表首款高性能圖像識(shí)別 SoC——R-Car V3M。因?yàn)橛^察到安裝在擋風(fēng)玻璃旁的 ADAS 相機(jī)常曝露在陽(yáng)光直射的環(huán)境中，低功耗 SoC 及散熱至關(guān)重要，否則可能影響到自動(dòng)緊急煞車等功能；而內(nèi)建影像信號(hào)處理器 (ISP) 的 R-Car V3M，不需額外前置攝像頭或外部影像組件，既可降低功耗和系統(tǒng)成本、又能增強(qiáng)傳感器的原始圖像質(zhì)量，適用于智能型攝像、環(huán)景影像、光學(xué)雷達(dá) (LiDAR) 等電腦視覺。

R-Car V3M 集成兩個(gè)用于編程的 ARM Cortex-A53 和兩個(gè)執(zhí)行＂汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)＂(AUTOSAR) 的 Cortex-R7 鎖步 (lock-step) 內(nèi)核，支援光流 (optic flow)、物體檢測(cè)／分類和＂卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)＂(Convolutional Neural Network, CNN) 等算法，能實(shí)時(shí)檢測(cè)交通標(biāo)志、車道、行人、車輛和其他障礙物，且符合 ISO26262 ASIL-C 安全需求。瑞薩另有多種 ASIL-B SoC (R-Car M3 和 R-Car H3) 和 ASIL-D MCU (RH850 / P1X 系列) 的 ADAS 應(yīng)用；其中，以 R-Car H3 SoC 為基礎(chǔ)的第二代 ADAS 檢視套件最多可配置八部攝像頭，以加速檢視應(yīng)用軟件之評(píng)估與開發(fā)。

圖4：R-Car V3M 適用于智能型攝像、環(huán)景影像、光學(xué)雷達(dá) (LiDAR) 等電腦視覺
數(shù)據(jù)源：瑞薩電子

●＂檢視應(yīng)用＂是下一個(gè) ADAS 與自駕技術(shù)的未來
瑞薩預(yù)言，能辨識(shí)四周環(huán)境的 360°環(huán)景檢視，可經(jīng)由傳感器融合 (Sensor Fusion) 處理從汽車攝像頭與雷達(dá)所收集到的信息，將成為所有汽車的基本配備。與此同時(shí)，＂后視鏡將被攝像頭取代，而駕駛監(jiān)控將成為自動(dòng)駕駛安全的必要功能＂——以攝像頭為基礎(chǔ)的電子后視鏡具備物體偵測(cè)能力、可改變檢視的視角，并提供影像縮放功能；另由于自動(dòng)駕駛等級(jí)三以上的汽車，在某些情況下仍需駕駛者介入操作，駕駛監(jiān)控將建構(gòu)更安全的駕駛環(huán)境，且有助于監(jiān)控駕駛?cè)说淖⒁饬Α：?jiǎn)言之，新一代電子后視鏡、駕駛監(jiān)控及環(huán)景系統(tǒng)等檢視應(yīng)用，未來將成為標(biāo)配。

因應(yīng)上述趨勢(shì)，瑞薩推出全功能 ADAS 檢視套件，包括＂R-Car 入門套件 Premier＂汽車軟件開發(fā)環(huán)境、可在線取得的 ADAS 應(yīng)用程序軟件范例，以及校正環(huán)景檢視影像失真的軟件。其軟件范例的二進(jìn)制代碼及任意視點(diǎn)的 R-Car H3 內(nèi)嵌 GPU 核心，能以 4k 超高分辨率 (UHD) 組合環(huán)景檢視與智能型攝像頭畫面的迭層并動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)；再利用瑞薩的影像轉(zhuǎn)換處理 (IMR) 技術(shù)針對(duì)原始碼修正影像失真，不需另加 GPU 或 CPU 即能達(dá)到靜態(tài)效果。此外，GPU 的 OpenCL 可供軟件工程師借助認(rèn)知功能實(shí)作強(qiáng)化安全功能。

圖5：瑞薩 ADAS 檢視套件
數(shù)據(jù)源：瑞薩電子

智能車朝自動(dòng)／無人駕駛前進(jìn)，＂安全＂是最大挑戰(zhàn)
臺(tái)灣瑞薩電子營(yíng)銷事業(yè)部兼營(yíng)業(yè)暨應(yīng)用技術(shù)事業(yè)部協(xié)理王裕瑞補(bǔ)充，智能車朝自動(dòng)／無人駕駛方向發(fā)展實(shí)屬必然，惟具體時(shí)程仍取決于市場(chǎng)與各國(guó)法規(guī)；預(yù)估先進(jìn)國(guó)家的步伐應(yīng)會(huì)較早。自動(dòng)駕駛在不同時(shí)間點(diǎn)會(huì)有不同的技術(shù)和法規(guī)壓力，須經(jīng)歷過渡期考驗(yàn)，而＂安全＂是最大挑戰(zhàn)。瑞薩 R-Car SoC 安全駕駛系統(tǒng)方案，以 eFlash MCU 為基礎(chǔ)，支持安全駕駛必備的自動(dòng)煞車、自動(dòng)轉(zhuǎn)向及自動(dòng)姿態(tài)控制等功能，結(jié)合防護(hù)感測(cè)、連網(wǎng)及安全技術(shù)，就是專為自動(dòng)駕駛時(shí)代而生。

王裕瑞并提到，媲美飛機(jī)駕駛艙的汽車駕駛艙數(shù)字控制環(huán)境技術(shù)已到位，BMW 等高級(jí)車都有類似配備；于是，瑞薩第二代整合式駕駛艙平臺(tái)，旨在為儀表顯示系統(tǒng)、車輛信息、以及信息娛樂領(lǐng)域同時(shí)帶來彈性、擴(kuò)充性與個(gè)人化。最新的第三代更直奔汽車運(yùn)算平臺(tái)而來，高端的 40 nm eFlash MCU、90 nm BiCD 模擬器件、小巧的 HEV 變頻器，以及 40 nm 馬達(dá)微控制器與高效率 IGBT 功率器件，并將信息科技融入車輛，皆是為了追求更好的安全駕駛體驗(yàn)與更高的引擎效率。

照片人物：瑞薩電子營(yíng)銷事業(yè)部兼營(yíng)業(yè)暨應(yīng)用技術(shù)事業(yè)部協(xié)理王裕瑞

＂半導(dǎo)體的開發(fā)需要冗長(zhǎng)的時(shí)間并建立良好的信用與合作關(guān)系，加上軟件與硬件的整合，才能架構(gòu)整體解決方案，在汽車電子領(lǐng)域更是如此；而瑞薩在此領(lǐng)域已建立優(yōu)良信譽(yù)，不斷創(chuàng)新以迎合市場(chǎng)需求，加上 R-Car 聯(lián)盟在全球擁有 195 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)廠商的社群支持，系統(tǒng)商可依據(jù)本身需求尋找適當(dāng)合作伙伴，創(chuàng)造最大價(jià)值，是我們最大優(yōu)勢(shì)所在＂，王裕瑞總結(jié)。

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