次世代ADASおよび自律走行車を開発する際の技術的課題

高度運転支援システム (ADAS) が自動車でますます普及するにつれて、未来は自動運転システムに向かっています。しかし、次世代のADASと自動運転車を開発するには、多くの重要な技術的課題が伴います。この記事では、自動車のオリジナル機器メーカー (OEM) がレベル2のADASからレベル3およびレベル4の自動運転システムへ移行する際に直面する主要な技術的課題と、Microchipによって導入された関連する解決策について探ります。

大量のデータ成長を処理するためのスケーラブルな高性能コンピューティングアーキテクチャ

市場に導入されているこれらの急速に進化するADASおよび自動運転システムは、徐々にドライバーが前方の道路から目や意識を離すのを支援します。しかし、この目標を達成するためには、まずコンピューティングアーキテクチャの調整が必要です。車両内のElectronic Control Units (ECUs)の増加にもかかわらず、従来の自動車用コンピューティングアーキテクチャは、それぞれの特定の機能に対して単一のコンピューティング要素内で処理タスクを統合し、専用センサーや入力からのデータを統合します。このアプローチは、低レベルのADASシステムでも課題を抱えています。より高度な自動運転システムでは、必要な処理のコスト、データレート、および電力消費が大きく、単一の処理要素に依存することは現実的ではありません。   データの大幅な増加に対処するには、1つ以上のプロセッサ内で複数のコアに負荷を分散するコンピューティングアーキテクチャの改訂が必要です。このアーキテクチャは、車輪上に「データセンター」を形成する中央コンピュートクラスターを形成します。このデータセンターモデルでは、専用の処理要素がカメラデータストリームの画像解析を行います。別々の処理コアやCPUがカメラデータをレーダーやライダーのデータと融合し、異なるセンサータイプからのデータの「フュージョン」を使用して車両の周囲をよりよく理解します。他のコアは「ポリシー」処理に集中し、センサー解析の結果に基づいて必要なアクションを決定します。   何十年にもわたるデータセンター開発から学び、スケーラブルな高性能コンピューティング (HPC) アーキテクチャの基本要素が特定されました。これらには、専門的な画像処理(推論と加速)エンジンを備えたHPC System-on-Chips (SoCs)、およびSoC間のデータ転送用の高帯域幅、低レイテンシPCIe®インターコネクトが含まれます。さらに、車内イーサネットネットワーク接続がHPCクラスターにリンクし、センサーデータフローと制御信号を他の主要な車両システムに送信します。安全処理要素がHPCシステムの運用を管理します。

増大する複雑性への対応

次世代車両は、自動車業界に導入される新技術によって定義されます。メーカーは最新の5Gワイヤレス通信を利用して、安全性とユーザーエクスペリエンスを向上させたいと考えています。車両は情報が他の道路利用者や交通制御インフラストラクチャと共有されるダイナミックなネットワークの一部となり、旅行をより安全かつ効率的にします。このV2X通信には、通常より多くのセンサー、コントロール、コンピューティングパワーが必要になります。   これは、自動運転車両への非常に注目され、期待されている移行においてさらに重要になります。ADASはすでにモーターリストに高度な道路安全ソリューションを提供しています。その他の道路利用者との相互作用は、できる限り低いレイテンシーで周囲の情報を収集、分析し、行動することができるシステムに依存します。   しかし、車の環境は安全性が重要なシステムにとっては課題です。振動によって引き起こされる瞬間的な接続の切断でさえ、重要な情報の大きな損失を招く可能性があります。設計者は、振動に強く、現在の自動車業界で見られる速度を何倍も上回るデータ速度を提供できる小型コネクタのソリューションを必要とします。

自動車HPC向けの一般的なデータセンター型アーキテクチャ

車載ネットワークバックボーンの主要技術としてのEthernet

高速道路や都市環境において、データ伝送の遅延は致命的です。センサーからエッジプロセッサ、そして中央のコンピューティングユニットまたはその間にデータを迅速かつ効率的に送信するために、車両のデータネットワークは最も重要なシステムでなければなりません。   イーサネットは、ほとんどの世界的なOEMにとって車載ネットワークの主流技術となっています。データセンターの世界標準であるイーサネットは、豊富なサプライヤーベース、コスト効果の高いスケーラブルな帯域幅オプション、および自動車産業に適したさまざまな適応を提供します。主流のネットワーク要件に対しては、100Mおよび1G速度のSingle-Pair Ethernet (BASE-T1) 標準がほとんどの需要を満たしており、世界中で広く展開されています。BASE-T1はケーブルの数を減らし、イーサネットの物理層でのコストの低減と軽量化の可能性を提供します。   10BASE-T1S技術の出現は、CANネットワークに対する低帯域幅でコストに優れた代替案を提供します。10BASE-T1S標準はマルチドロップ機能をサポートし、異なる車両ゾーンにわたってセンサーへの配線を簡素化します。また、CANメッセージの処理とルーティングに以前使用されていたECUを排除し、ゾーンネットワークのコントローラーノードの設計を簡素化する可能性があります。これらのノードは、車両内の様々な地点でバックボーンへのデータフローを集約し、高速道路の入口に似ています。   シリアライザー・デシリアライザー（SerDes）技術は、高帯域幅でコスト効果のある連続的で主に単方向のデータ伝送要求に対するソリューションを提供します。生データインターフェースを備えたカメラは、SerDesを使用して高性能な画像認識に必要なリアルタイムのデータ配信を可能にします。SerDesインターフェースの使用により、カメラでの前処理の必要性が排除され、最適化されたビデオエンジンがピクセル完全なデータをより効率的に処理できるADAS SoCに生データを直接送信可能になります。これによりシステム全体の性能が向上し、カメラ側での冗長な前処理ハードウェアのコストを避けることができます。実際、ADASをターゲットにしたほとんどのSoCプロセッサの中には、複数のカメラインターフェースと画像処理エンジンが統合されており、カメラでのデータ前処理が不要なリソースの浪費を避けることができます。   イーサネット接続のみがあるアプリケーションやピクセル完全なデータが必要ないアプリケーション（例：バックアップカメラ）では、イーサネットベースのカメラがよりコスト効果的になる可能性があります。以前はSerDesソリューションが専有的であり、OEM設計が特定のベンダーに固着して、関連するハードウェアとソフトウェアの制約がありました。現在では、Automotive SerDes Alliance (ASA-ML) のMotion Link標準を備えたスケーラブルで相互運用可能な製品が登場しており、OEMにとってカメラデータ管理効率とシステム互換性を向上させる優れた柔軟な長期的エコシステムを提供しています。   PCIeは、データセンターにおける高帯域幅のCPU間通信の標準です。PCIeは、安全に関わるデータ処理にとって極めて低いレイテンシを提供し、それが重要です。PCIeは任意の「ポート」におけるレーン（Rx/Txペア）の数を増やすことで、単純にスケーラブルな帯域幅を達成し、実際の帯域幅要求に基づいて接続を簡単に最適化することができます。さらに、PCIeプロトコルは、実質的にすべての高性能プロセッサによってサポートされており、異なるベンダーからSoCを選択する際の大きな利点となります。特定の自動車向けPCIe標準はありませんが、その優れたレイテンシと低い処理オーバーヘッドにより、自動車用途で広く採用されており、自動車に適合したチップがすでに利用可能です。現在のADAS SoCで使用されている一般的な4レーンのGen4接続は、64GT/s（おおよそ64Gbpsに相当）の帯域幅を提供し、高速での画像データ共有に非常に適しています。

「Data Center on Wheels」のための高速インターフェース

将来の自動車アプリケーションの中核としてのソフトウェア定義車両

ソフトウェア開発は、車両の環境を解釈し緊急事態に対応するAIシステムを開発することを超えて、事実上すべての車両機能の中心となっています。初期の車両プラットフォームでは、ソフトウェアは主に、アンチロック・ブレーキ・システム (ABS) などの独自で先進的な機能を実現するために使用されていました。インフォテインメントやヒューマンマシンインターフェースの進化に伴い、アプリケーションプロセッサで動作するスマートフォンに見られるようなアプリケーションソフトウェアが車両内で動作し始めました。今日では、車両のシャーシ、パワートレイン、安全機能、インフォテインメントはますますソフトウェアを通じて実装されています。これにより、Software-Defined Vehicle (SDV) という概念が生まれ、車両のライフサイクル全体で既存の機能を強化し、新しい機能を追加することが可能となりました。   伝統的に、エンジン管理のような遺産的で機能特化型のシステムに対するソフトウェアアップグレードは、サービス訪問中にデータケーブルを介して行われていました。現在、ますます多くのメーカーがOver-the-Air (OTA) アップデートを採用しています。OEMからのOTAアップデートには、不具合の修正、新機能の追加、または高地走行やオフロードハンドリングの改善といった性能向上が含まれることがあります。   ソフトウェアの観点から、SDVは今やモバイルデータセンターと見なすことができます。新しい機能は、車両が生産ラインを離れてから数年後でも追加可能であり、減価償却率を低減させる可能性があります。強化されたメンテナンス機能はパッケージとして販売される可能性があり、部品の摩耗や劣化をリアルタイムで監視し、単なる走行距離ではなく実際の使用に基づいてメンテナンスを計画することができます。   しかし、基本的なデータセンター技術の実装に限られた経験しか持たない自動車企業は、新しいスキルを開発するために投資する必要があります。ネットワーク管理は、以前は独立したシステムには必要とされなかった専門的な機能領域になっています。自動車特有の機能安全プロセスであるISO 26262は、データセンターハードウェアとソフトウェアと組み合わさり、電子およびソフトウェアシステムの開発と実装に影響を与えます。

データはHPCシステム内でPCIe®インターコネクト経由で流れます

ADASおよび自律走行アプリケーション向けの包括的な製品ポートフォリオ

MicrochipはADASおよび自動運転アプリケーションの需要に応えるために、幅広い製品ラインを提供しています。この分野の主な技術プラットフォームには、機能安全、組み込みセキュリティ、タッチおよびジェスチャー、そしてイーサネット技術が含まれ、かなり包括的なポートフォリオを形成しています。   エンド製品の堅牢性、信頼性、およびセキュリティがますます重要になっています。機能安全製品ポートフォリオ内では、Microchipは機能安全標準に準拠または機能安全対応の製品をサポートしています。これには、AVR® および PIC® MCU、dsPIC® DSC、SAM、および PIC32 MCU、Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) および SoCs が含まれます。これらの製品は、ISO 26262、IEC 61508、および IEC 60730 の安全認証を達成するための最新のハードウェアセキュリティ機能およびサポート文書を組み込んでいます。Microchipのデバイスの中には、機能安全認証済みのものもあり、ISO 26262に準拠したプロセスに従って開発され、AEC-Q100標準に基づいて設計されており、プロフェッショナルなハードウェアセキュリティ機能を備えています。   組み込みセキュリティプラットフォームにおいて、Microchipは包括的なセキュリティICのポートフォリオを提供しています。また、セキュリティに特化したMCU、マイクロプロセッサ (MPU)、FPGAも提供しています。これに加えて、迅速にセキュリティソリューションの構築を開始するためのソフトウェアライブラリ、強化されたプロトコル、開発キット、トレーニング、およびその他のリソースも提供しています。   タッチおよびジェスチャーアプリケーションプラットフォーム内では、Microchipはタッチ機能を備えたMCU、静電容量式タッチコントローラ、および3Dジェスチャーコントローラを提供し、機械的なボタンをタッチまたはジェスチャー制御のインターフェースに置き換えることで、エンド製品のユーザーインタラクション体験を向上させます。Microchipはさまざまなアプリケーション向けの静電容量式タッチソリューションを提供しています。タッチ製品には、ほとんどのPIC®、AVR®、SAM MCUでタッチセンシングを実装するためのターンキー静電容量式タッチコントローラ、タッチライブラリ、およびほとんどの製品にジェスチャー認識を追加するシングルチップソリューションが含まれています。   Microchipはまた、組み込み設計に堅牢で信頼性の高い高速通信を追加するための柔軟なイーサネットソリューションを提供しています。Microchipのスタンドアロンデバイスおよびイーサネット対応MCUとMPUは、アプリケーションにおけるイーサネットの容易な実装を促進します。Microchipはそのイーサネット製品のためのタイミングソリューションを提供し、設計における信頼性の向上と消費電力の低減を支援し、車載ネットワーキングアプリケーション向けのAEC-Q100要件に対応しています。Microchipの高性能イーサネットトランシーバ（PHY）は、フットプリント、消費電力、コストを大幅に削減し、10BASE-T、10BASE-T1S、100BASE-TX、100BASE-T1、および1000BASE-T PHYを提供しています。Microchipのイーサネットブリッジは、USB、High-Speed Inter-Chip (HSIC)、PCI™、またはPCI Express® (PCIe®) インターフェースを介してホストプロセッサへの柔軟なイーサネット接続を可能にし、開発時間を短縮します。

結論