現今全球汽車業正在步入以智慧化、聯網化、電動化、共享化為代表的「新四化」時代。根據IHS Markit資料顯示，至2023年，汽車電子系統總額將達1,800億美元，平均每輛汽車會使用500美元以上的半導體元件。汽車電子增幅最大的應用分別來自先進駕駛輔助系統、動力系統和車載資訊娛樂系統(In-Vehicle Infotainment, IVI)。
新的變化帶來新的要求
目前汽車產業的技術和架構都在經歷快速演變的過程，此現象背後的重要推手之一，就在於車廠越來越意識到來自不同一級廠商的車用微控制器(Eletronic Control Unit, ECU)之間缺乏連結，導致他們不得不投入大量時間和資金加以整合，使得整合ECU成為一件極為辛苦的工作。但聯網汽車和自動駕駛的快速發展正在改變此現狀——在未來的設計中，傳統的分散式方案將被整合式方案取代，包括ECU、感測器在內的硬體會得到高度整合；汽車OEM廠商會更關注客戶在介面軟體層的創新，以及為終端客戶提供差異化產品的能力。
在智慧座艙領域，以特斯拉為代表的造車新勢力正透過將儀表板、資訊娛樂系統和螢幕顯示進行高度整合，使螢幕上所需展示的內容日趨豐富，加上不同品牌車型間的顯示器尺寸並不統一，因此對圖像的分區切割顯示和多元化融合有了較高要求。然而這對低功耗FPGA產品而言並非難事，很多車廠目前都利用其可程式設計、平行處理能力強、功耗低、散熱少等特點，加速導入相關FPGA平台。
同時，隨著車載顯示大且多螢幕化、高解析化和多形態化的趨勢日趨明顯，很多新車搭載的螢幕數量均突破2個，部分車型甚至達到了4~5個。隨著車內顯示螢幕數量和尺寸的增加，人們對螢幕品質有了新的要求，希望能夠有更廣的色域，更高的對比度等等。尤其是為了緩解里程焦慮，如何提升大尺寸螢幕效率，使螢幕更加省電，會是未來幾年產業面臨的共同課題。
車載視覺系統和人工智慧技術現在也被大量應用於駕駛人狀態監控系統(Driver Monitoring System, DMS)、車艙監控系統(In-Cabin Monitoring System, ICMS)中，包含監測駕駛疲勞、注意力渙散或損傷、監控乘客，確保兒童或寵物不會被無意鎖在車內，或是手機和錢包等物品不會在無意中被遺忘在車內。
因此，影像訊號處理器(Image Signal Processor, ISP)影像增強會是極具前景的應用之一。例如目前在汽車中大量使用的LCD螢幕，FPGA可以使用於客製化優化背光，以提升視覺效果和節省能源消耗。同時，為了支援車載4K顯示，FPGA對高速資料處理介面也提供廣泛的支援，包括1.5~2.5Gbps MIPI、HDMI、DisplayPort等。
而在先進駕駛輔助系統應用中，最新資料顯示，一輛Level3等級的自動駕駛車將至少配置16個以上的各型感測器，由於主處理器需要連接不同的感測器介面進行資料處理，而且汽車介面也尚未實現標準化。因此可以利用FPGA的可程式化設計特性對不同感測器進行聚合或橋接，實現I/O介面擴展也是新趨勢之一。同時，考量到開發汽車平台可能需要5至10年的時間，方案是否具備可擴展性也將影響用戶的選擇。
另一個值得關注的領域來自電動汽車，尤其是伴隨著碳化矽等寬能隙半導體的廣泛使用，傳統數位訊號處理器(Digital Signal Processor, DSP)。甚至多核DSP控制的精密度越來越難以滿足汽車產業對驅動控制的時效和準確度要求的提升，而FPGA作為替代方案正被大量使用。
安全性同樣需要引起高度關注。越來越多感測器、自動控制和網路連接的出現，為汽車帶來智慧化、便捷化、舒適化體驗的同時，也讓系統更容易遭受惡意攻擊。OEM廠商必須要能夠即時檢測漏洞並防止網路攻擊，也要確保電子系統能夠在嚴酷的環境中穩定安全運行。對半導體元件來說，增加硬體安全引擎，使引擎能在遭到未經授權的存取時對元件進行保護、檢測和恢復，就顯得更為關鍵。
加速開發下一代汽車應用
產品如CertusPro-NX車用級FPGA系列產品，是廠商如萊迪思日前針對車載資訊娛樂系統高速影像互聯、5GbE車載網路(In-vehicle Networks, IVN)和ADAS感測器資料處理等應用，推出業界頂尖的低功耗、高效能以及同類產品最小尺寸的FPGA新品。事實上，針對汽車照明、資訊娛樂系統和遠端資料處理等通用需求、高速影像和感測器、汽車設計中的平台管理和安全應用三大方向，萊迪思依序布局了ECP/Certus系列、CrossLink系列和MachXO系列模組化硬體平台，並與Radiant、DIAMOND、Propel設計環境、以及mVision、Automate和sensAI解決方案整合一起，建構完整的「模組化硬體平台+參考設計+神經網路IP核心+客製化設計服務」策略，用以加速並簡化汽車相關系統設計流程和上市時間。
該產品主要是為了滿足智慧系統中的資料協同處理、5G通訊基礎設施中的高頻寬訊號橋接、以及ADAS系統中的感測器介面橋接等創新應用而推出的，且在功耗設計、系統頻寬、邊緣處理、可靠性、封裝多樣性等多方面得到進一步提升。之所以選擇這樣的設計思路，是因為從當前的產業發展趨勢來看，網路邊緣設備的智慧程度正在大幅提升，因此一方面需要更高的介面頻寬以便於快速傳輸資料，另一方面又需要更小尺寸的系統整合和便於優化散熱管理的低功耗方案。
該產品支援高速SERDES，因此車用產品還增加了很多獨特功能，支援橋接資訊娛樂系統SoC的影像輸入以及圖像品質增強功能，包括局部調光，FPGA直接影像處理，支援嵌入式顯示埠。該系列元件可以分擔系統的視訊增強功能，同時添加更多連接功能(圖1)。
透過採用針對FPGA架構的創新和28nm低功耗FD-SOI製程，部分車用元件的功耗比同類FPGA競品低四倍。透過改變基底的偏壓，開發人員可以自由選擇採用高效能(HP)還是低功耗(LP)模式運行。該FPGA支援8個可程式設計SERDES通道，速度高達8.1Gbps，提供與同類產品相比高兩倍的系統頻寬，並支援主流的通訊和顯示介面，如10Gigabit Ethernet、PCI Express、SLVS-EC、CoaXPress和DisplayPort。
此外，考量到汽車、工業和通訊領域的關鍵應用必須有高可靠性，實現可預測的效能並確保使用者安全，此車用FPGA元件抗軟錯誤能力提高了100倍，並可在-40℃至125℃的接面溫度範圍內正常工作。同時，為保護位元流免於未經授權的存取，此FPGA並支援AES-256加密和橢圓曲線數位簽章演算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm, ECDSA)位元流身份驗證。
面對車用、5G等領域的新興技術需求，尤其智慧化應用所需的算力持續增加，FPGA產也需要相應地提高效能。FPGA可以透過支援PCIe Gen3和LPDDR4等新技術建立穩固的市場定位，並更好地應用在汽車、5G基地台、工業物聯網和機器視覺等新興市場。
(本文由萊迪思提供)
