近年來全球車用半導體晶片市場大幅快速成長，根據摩根士丹利(Morgan Stanley)2023年所發布的最新報告中指出，未來五年內的汽車高效能運算Automotive HPC(High-Performance Computing)半導體市場將會成長三倍。整體潛在市場估計將於2023年達到20億美元，並且在2027年成長至60億美元，年複合成長率(CAGR)為可觀的29%。與此同時，受惠於汽車高效能運算晶片客製化設計需求的增加，晶片設計服務廠的預估累積收益可望在未來五年內提升多達20億美元。
應用技術考量高速即時運算/資料傳輸
在新的聯網汽車發展趨勢下，高速數據通訊與Automotive HPC高性能運算平台，需針對車輛內部各個電子控制單元ECU(Electronic Control Unit)進行整合管理與運算處理。因應不同ECU資料流量與低延遲需求，Automotive HPC也需要搭配符合PCIe標準與AEC-Q100認證的PCIe封包切換器(圖1)，藉此實現與各端點之間的高速整合、溝通與傳輸。
以高頻毫米波雷達應用為例，各雷達感測數據將經由ECU再集中到Automotive HPC的即時影像處理單元。因此這類高流量即時影像處理需要搭配高速、低延遲、高可靠度，且同步即時性良好的傳輸介面，例如傳輸速度可達10G bps的Automotive Ethernet MultiGBASE-T1(圖2)。
Automotive HPC與PC主機板概念類似，是透過PCIe通道搭配CPU、記憶體、I/O介面進行平台式的架構整合，如此才能整合控制車內各個ECU的溝通與運算(圖3)。各種不同類型的高速即時運算與應用包含感測器環境資訊即時判讀、智慧座艙/用戶體驗相關資料運算、車輛控制/雲端、物聯網服務相關溝通與運算、自駕功能的即時高速運算，以及車輛安全與感測運動之高速運算/集中處理。
智慧汽車的開發挑戰
Automotive HPC在高頻高效能運算電子元件、高速傳輸介面以及複雜運算處理、資源分配的特性，再搭配上各種車輛的複雜應用情境條件，都再再證明了Automotive HPC對整個平台的訊號傳輸即時處理、系統穩定度、耐久度、相容性與安全性的要求上較為嚴苛。
大多數車廠或Tier1開發者缺乏PC領域/元件的相關開發經驗及專業，對於Automotive HPC這種高度整合、高效能的平台方案不見得熟悉。例如2021年Tesla曾因快閃記憶體使用耐久度/壽命問題，導致召回事件(圖4)。造成此問題的原因，便是車廠開發人員對PC相關元件規格與設計方案不夠熟悉。
開發者對Automotive HPC用戶情境的事前評估與規劃，可能有所不足。舉例來說，在實際的應用情境(User Scenario)條件下，當車輛環境溫度變化較大，HPC元件就容易遭遇到高溫條件的考驗。CPU過熱而運作緩慢或重新啟動的狀況下，就可能導致車機中控螢幕無法顯示後視攝影機影像、換檔選擇、擋風玻璃能見度控制設定以及警示燈，進而增加事故風險。Tesla也在2022年就曾因CPU過熱問題導致召回事件(圖5)，此問題肇因於「高溫條件」用戶情境模擬並未在開發階段被考量。
隱藏在其它應用情境後的潛在危機，包括無線訊號品質差或延遲，導致車主無法即時接收路況資訊。同時傳輸錯誤率過高或雜訊影響，導致車輛功能錯誤、無法正常運作。智慧座艙功能錯誤或反饋過慢需反覆操作，導致駕駛難以專注路況。而如果高溫環境、震動或耐久度差，導致車輛系統容易發生故障現象。資安問題或駭客入侵，導致車輛運作失能，恐釀車禍危害人身安全。智慧座艙與用戶手機、周邊設備相容性問題，導致相關功能無法正常運作。
這些應用風險可能來自於開發階段的一些常見問題，在開發階段Automotive HPC搭配高頻傳輸介面時的常見問題，可能會有阻抗無法互相搭配、時間延遲、雜訊過多、衰減過大、誤碼率過高、訊號強度不足/異常，或是格式不正確。而之所以會導致這些問題發生，主要可能是開發人員遇到了一些難以跨越的挑戰與瓶頸。大多數車廠或Tier1開發者可能會遭遇到的技術門檻在於缺乏高速高頻測試經驗、儀器設備的資源有限、驗證環境的不易架設、新技術的導入能力有限、測試規格標準未能即時更新、用戶情境模擬或測試手法的設計難度較高、欠缺專業驗證人員的顧問諮詢，以及測試驗證的實務經驗。
Automotive HPC可採用顧問驗證方案
針對上述這些潛在危機、常見問題以及開發人員可能會遭遇到的難處，廠商如百佳泰提供相對應的環境設備儀器與顧問驗證方案，協助開發人員搭配Automotive HPC各項標準、規格與開發需求進行高頻量測或自動化治具導入。像Automotive HPC這樣高頻高速、且高度整合的複雜平台方案，前期產品規劃階段的重要性攸關最終成敗不言而喻，舉凡元件選用、布線安排、規格數據或是功能設計規劃，都極有可能會大幅影響到「開發階段成本投入」與「產品開發期程的時間控管」。即便產品規劃階段不需要實際投入大量的測試時數，卻反而更需要與車廠或Tier1之間緊密合作、溝通討論以及前期評估。
(本文由百佳泰提供)
參考資料：
[1]https://news.metal.com/newscontent/102235405/morgan-stanley-says-automotive-hpc-semiconductor-market-will-surge-3-fold-in-5-years-wafer-foundry-and-chip-design-service-providers-to-benefit/
[2] https://www.eenewseurope.com/en/flash-memory-failure-leads-to-tesla-recall/
[3]https://electrek.co/2022/05/10/tesla-recalls-130000-vehicles-cpu-overheating-fix-software-update/
