JAJT280 October 2023 DP83TG720S-Q1
ゾーンアーキテクチャとイーサネットは、自動車のネットワーク機能の将来を担っています。自動車の新機能採用と、各種センサやアクチュエータのゾーン モジュールへの集約を実現するには、車内通信ネットワークで高帯域幅と低レイテンシを確保する必要があります。イーサネットを実装するゾーン アーキテクチャを活用して、ソフトウェア ディファインド ビークルという成長中のトレンドを実現します。
現在の自動車の大半は、ドメイン アーキテクチャと呼ばれる一種の配線と電子制御ユニット (ECU) アーキテクチャが組み込まれています。ドメイン アーキテクチャは、自動車内の物理的な位置に関係なく、特定の機能に基づいて ECU をドメインに分類します。
ゾーン アーキテクチャは、ドメイン アーキテクチャとは対照的に、図 1 に示すように、機能ではなく場所ごとに通信、電力分配、負荷制御を体系化します 。ゾーン モジュールは、自動車のコンピューティング システムと、スマート センサや ECU のようなローカル エッジ ノードを結ぶ、ネットワーク データ ブリッジのような役割を果たします。自動車のケーブルを削減するために、ゾーン モジュールは (半導体スマート ヒューズ機能を実装することで) さまざまなエッジ ノードに電力を分配し、ローレベル コンピューティングを処理して、モーターや照明のようなローカル負荷を駆動します。
図 1 ゾーン アーキテクチャの例ゾーン モジュールは、エッジ ノード通信ネットワークを介してさまざまなセンサと ECU からのデータを転送し、統合されたセンサ データをバックボーン通信を介してセントラル コンピューティング システムに転送します。同様に、ゾーン モジュールは、セントラル コンピューティング システムから受信したデータをさまざまなアクチュエータに転送します。この場合もバックボーン通信を介して、エッジノード通信ネットワークを経由します。セントラル コンピューティング システムとゾーン モジュールの間のこの双方向通信は、複数の先進運転支援システム (ADAS) カメラ、車両のモーション制御、アダプティブ ドライビング ビームのような機能によって生成される大量のデータを処理するために、高帯域幅で低レイテンシの通信バックボーン通信を必要とします。
ゾーン アーキテクチャの帯域幅要件
自動車でイーサネットを使用することの価値を理解するために、アプリケーションごとにイーサネットの使用状況を分類します。新しく定義されたシングルペア イーサネット (SPE) は、 IEEE 802.3cg (10Mbps)、IEEE 802.3bw (100Mbps)、IEEE 802.bu (1Gbps)、および IEEE 802.3ch ( 10Gbps) によって定義される 10Mbps～10Gbps の速度をサポートします。これらの新しいイーサネット テクノロジーはいずれもシングルペア ケーブルを使用して動作し、最大 15m の距離で通信を実施することができます。この距離は、自動車内で最長のリンクを網羅するのに十分な長さです。また、イーサネットでは、 IEEE 802.1AS タイムスタンプ機能を使用してセンサデータの時間同期を実現し、待ち時間を短縮することもできます。
イーサネットは高速を実現できますが、高速はあらゆる状況で必要とは限りません。たとえば、ドア制御モジュールや暖房、換気、空調システムとの通信では、 100Mbps のデータレートは必要ありません。10Mbps イーサネット PHY 、または CController Area Network (CAN) などの代替ネットワーク プロトコルは、低速で、帯域幅の消費が少ないユースケースに適しています。しかし、集約されたカメラ データと自律運転センサ データをゾーン モジュールからセントラル コンピューティング システムに送信するために、高速を確保するケースはより適しています。 図 2 に、ゾーン アーキテクチャ内で異なる速度のイーサネットを使用するケースを示します。
図 2 ゾーンアーキテクチャ内のイーサネット図 2 を使用して 、レーダー、LiDAR、カメラ、ボディのアプリケーションで使用される通信速度を詳細に解説します。通常、レーダー システム オン チップ (SoC) が Level 1 のデータを処理する場合、ゾーン モジュールとレーダー データを通信するために CAN を使用します。未加工データをセントラル コンピューティング システムに送信して処理を進めると、さまざまなレーダー センサのセンサ フュージョンを通じて、より多くの情報を抽出できます。このような大量の未加工データを送信するには、より高い帯域幅が必要になるので、レーダーと LiDAR 内で 100Mbps～1Gbps のイーサネットのためのスペースが確保できます。
カメラにとって、一定レベルの ADAS データが増加したのでフロント カメラからの未加工データすべてを後処理する必要がある場合、FPD-Link が最適なプロトコルです。
フロント カメラから取得したデータを圧縮できる場合で、このような高レベルの ADAS データは必要ない場合、100Mbps イーサネットを代わりに使用できます。
ドア ハンドル センサ、ウィンドウ リフト制御モジュール、サイド ミラー制御モジュールのようなボディ ドメイン モジュールは従来、高帯域幅を必要としないので、 CAN と Local Interconnect Network (LIN) の各プロトコルを使用して通信を実施してきました。設計者は CAN と LIN を引き続き使用する予定ですが、車内のイーサネット使用量の増加に伴い、 10Mbps の 10Base-T1 マルチドロップ イーサネットも使用できるようになりました。イーサネットは従来、ポイント ツー ポイント トポロジを採用していましたが、 10Base-T1S イーサネットは、バス トポロジを使用して機能する初のイーサネット規格です。
ゾーン アーキテクチャ内のマルチ ギガビット イーサネット
ゾーン アーキテクチャはどのように進化していくのでしょうか。まず、ボディ ドメイン データの集約、パワー ディストリビューション、セントラル コンピューティングから始まります。時間の経過とともに、ゾーン アーキテクチャは ADAS のような他のドメインからのデータ集約を開始します。最終的な目標は、すべてのドメインをゾーン アーキテクチャに組み込むことです。データがどのドメインに属しているかにかかわらず、ゾーン モジュールとセントラル コンピューティング システムは引き続き同じバックボーン ネットワークを使用してデータを転送します。
ボディ ドメイン機能で必要とされるのは、10Mbps 以下です。ただし、レーダー、LiDAR、カメラのような ADAS 機能がゾーン アーキテクチャに組み込まれるので、センサ データの量に対応するために速度と帯域幅の要件を高める必要が生じます。レーダー センサは通常、0.1Mbps～15Mbps を生成します。LiDAR は 20Mbps～100Mbps を生成します。カメラが生成するのは以下です：500Mbps～3.5Gbps現在の自動車は通常、4～6 個のレーダー センサ、1～5 個の LiDAR センサ、6～12 個のカメラを搭載しています。ゾーン アーキテクチャを検討する場合、 1 つのゾーン モジュールに、 2 つのレーダー センサ、 2 つの LiDAR センサ、 4 つのカメラを搭載することができます。 図 3 に、各センサが生成するデータの量と、これらすべてのセンサを組み合わせて 1 つのサンプル ゾーンモジュールにしたときに生成されるデータを示します。
図 3 ゾーン アーキテクチャで生成されるデータ生成された合計データから、Original Equipment Manufacturers (OEM) 各社は 2.5Gbps、5Gbps、10Gbps の各イーサネットを推進しています。ゾーン アーキテクチャには、 ADAS センサによって生成された膨大な量のデータをセントラル コンピューティング システムに送信できるバックボーン ネットワークが必要です。非圧縮カメラ データはすでに現在のイーサネットが処理できる量を上回っており、カメラの解像度とピクセル数は増加を続けています。自動車が自律走行の実現を目指してい中、センサの数は増加する見込みです。したがって、カメラの分解能とセンサの向上をサポートするために必要な帯域幅は、それに応じて増大します。
OEM が要求するイーサネット速度は、ゾーンモジュールにさまざまな機能を組み込むための移行スケジュールによって異なる可能性があります。全体として、ゾーン モジュールで ADAS 機能が多くなるほど、帯域幅要件は高くなります。
ゾーン アーキテクチャのバックボーンとしてイーサネットを使用すると、自動車がインターネットまたはリモート OEM サーバーに接続していれば、車内ネットワーク経由でより多くのデータを転送できるようになります。これにより、Firmware-Over-The-Air (FOTA) の更新を通じて、サブスクリプション ベースのサービスと車両診断を実現できます。FOTA の更新は、セントラル コンピューティング ノードからセンサやアクチュエータが独立しているため、異なるハードウェアおよびソフトウェアの更新サイクルが可能になります。また、FOTA 更新を実施すると、新しいモデルを待っていたり、車両を持ち込んで作業することなく、機能の追加や安全性の向上を実施できます。OEM は発売後に追加機能を伴う車両の更新を管理できるため、OEM にとっても顧客にとってもメリットがあります。また、消費者はディーラーに行ってファームウェアを更新するという煩わしさから解放されます。
ゾーン アーキテクチャ内の PHY
イーサネットでは、高速データを送受信するために PHY を使用する必要があります。車載用イーサネット PHY を使用すると、このような不安定な環境での信号品質の低下など、イーサネットを車内配線のバックボーンとして使用する際の多くの懸念事項を解消できます。テキサス・インスツルメンツのイーサネット PHY は –40°C から 125°C までの範囲で動作が可能で、AEC-Q100 Grade 1 に準拠しています。
また、イーサネット PHY はイーサネットの各種準拠規格に合格しているので、適合性と電磁干渉に関する特定の相互運用性と信頼性規格、さらには Open Alliance の TC1/C12 で規定されている IEEE 規格に準拠しており、自動車環境での動作も可能です。信号品質表示、時間領域反射率測定、静電気放電 (ESD) センサなどの高度な診断機能を搭載した PHY は、エラーを検出し、適切に調整することができます。たとえば、ESD が発生した場合、PHY は割り込み信号を SoC / メディア アクセス制御に送信して ESD 発生を通知した後、システム内の他の部品をチェックします。
また、イーサネット PHY は Open Alliance TC10 仕様のウェーク アップとスリープを使用して、SPE ケーブル経由でリモート ECU をウェーク アップすることもできます。その結果、スリープ状態から ECU をウェーク アップするための個別の配線が不要になります。また、サイバー攻撃は自動車ネットワークに対する最大の脅威になるので、IEEE 802.1AE Media Access Control Security (MACsec) は、ネットワーク ECU の認証を可能にし、サイバー攻撃を回避するためのデータの暗号化 / 復号化を行うための重要なテクノロジーになる可能性があります。
テキサス・インスツルメンツの DP83TC812-Q1 と DP83TC814-Q1 100BASE-T1 PHY は高級車で求められる次世代機能を備えています。一方、より小型の DP83TC813-Q1 100BASE-T1 PHY は、プリント基板面積が重視される状況で魅力的な選択肢になる可能性があります。DP83TG720-Q1 は、ゾーン モジュールを、データ集約型のセントラル コンピューティング システムやテレマティクス制御ユニットなどに接続できるため、配線ハーネスに大きな変更を加えることなく、後のモデルで追加機能を搭載するための余裕が生まれます。これらの PHY を組み合わせることで、より高度で高性能な自動車の未来を切り拓くことができます。