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从车联网到工业 4.0 智慧应用关键──5G 通讯的低延迟与可靠度

   时间: 2020-06-17   来源: N宅生活 阅读: 638
从车联网到工业 4.0 智慧应用关键──5G 通讯的低延迟与可靠度

智慧车,或是更进阶的无人驾驶车,一直都是近几年资通讯大展的亮点。汉诺威电子展(Cebit)早在 2008 年就新增了汽车电子展区,包含 Benz 与 BMW 同时也在该年展出了未来资讯(IT)概念车,首次将传统汽车业结合资通讯技术。现在的资通讯大展已不再只限传统资通讯业者如 Apple 或 Google 参展,更多的是汽车业者加入。而在大厂动向方面,高通併购了恩智浦(NXP)、英特尔最近併购了 Mobileye,都是看中未来汽车电子的潜力。

电动、智慧车载及工业 4.0,成下个明星产业

推升智慧车的另一个潮流就是电动车的出现,由特斯拉在近几年带动的插电电动车风潮席捲了全球,其诉诸的节能减碳,绿能运输更是人类产业未来必走的路。近期减缓气候变迁与支持低碳经济是全球一致的目标。

各国政府均大力支持电动车的发展,以台湾为例,政府为落实节能减碳政策,提出「智慧电动车辆发展策略与行动方案」,制订补助条款,在《货物税条例》中增订,若民众购买完全以电能为动力的电动车辆(包含电动小客车、电动机车、电动公共汽车及计程车等)并完成登记,就可享货物税免徵优惠,期望透过补助购买电动车以扩大市场,达到节能减碳目标,并带动电动车及关键零组件产业之发展。

除了汽车应用外,另外一个未来产业亮点为工业 4.0。带入先进的感测、联网等智慧技术进入传统工厂内,期待提高效率与品质。目前德国与日本都将工业 4.0 视为下一代发展製造工业的目标。在工业 4.0 预定目标中,透过机器对机器(Machine to Machine,M2M)的控制,智慧工厂能即时(Real-time)自行管理生产链、物流与操作程序,互相整合的系统在机器、资产、操作程序与物料之间建立起互动的桥樑,智慧型机器与装置可利用校正程序,避免意料外的失误,让无效率的停机时间成为过去。

而要发展智慧汽车或是工业 4.0,共同特性都是透过资通讯技术让反应自动化,能否即时处理事件是非常重要的关键因素,其中智慧汽车或是未来的自驾车,更是牵涉到人们生命安全,对于可靠性与处理突发状况的能力更是极端要求,在此之下,现行的 LTE-A 或是 LTE-A Pro(4G)处理此类需求恐力有未逮,故资通讯业者期待透过制定 5G 中全新一代的通讯标準 IMT-2020,把人类的梦想进一步化为可能。

从车联网到工业 4.0 智慧应用关键──5G 通讯的低延迟与可靠度

车用通讯需求两大特性

3GPP 已经在今年发表了俗称第五代行动通讯标準 IMT-2020 準备时程,将使用于 Release-15、Release-16 以及后续相关 5G 标準规格中。第一个 Release-15 版本将于 2018 年 9 月完成,主要为了满足较急迫的商业需求,尤其是在 2020 年东京奥运时商转;而第二个版本将于 2020 年 3 月完成,称为 Release-16,将满足 IMT-2020 提出的目标和所有可辨识的用例与需求。同时 3GPP 也公布了代表 5G 的识别图案(logo)。

IMT-2020 确立了三大应用领域,分别是加强行动宽频(enhanced Mobile BroadBand,eMBB),大规模机器通讯(massive Machine Type Communication,mMTC)以及高可靠低延迟通讯(Ultra Reliable Low Latency Communication,URLLC)。现有4G(LTE-A)延续 3G 早已有的行动宽频技术,如目前 iPhone 7 具备三个聚波载合(Carrier Aggregation,CA)并且在 3GPP Release-13 定义了专为机器通讯的规格,例如物联网的 Cat-M 或是 NB-IoT,只有 URLLC 为传统 3/4G 所没有的新兴应用领域,广义而言,其也属于机器通讯的一种,只是相较于现行 4G 的规格,其应用于汽车或是工业使用等关键领域,与传统现行物联网专注于超低成本与超低功耗完全不同,可说为 5G 规格中相当重要的亮点。

针对上面的车用或是工业用的需求,IMT-2020 的 URLLC 规格将处理满足最低 1ms(毫秒),其低延迟(Low-Latency)特性就是为了缩短通讯连线的时间,让智慧汽车或智慧工厂能有更充裕的处理由感测器所传来的资讯。根据统计,目前 4G 系统在通讯延迟时间上都远超过此数值,台湾电信系统在最糟的情况需要 4X ms,而美国电信系统因为幅员广大,甚至有 2XX ms 的纪录。现行被採用为车载通讯(Dedicated Short Range Communication,DSRC)间技术之一的 IEEE 802.11p,虽然为 WiFi 架构的一种,但其主要修改要点就是缩短 WiFi 之高延迟特性,降低通讯传递的时间。

除了缩短处理时间之外,汽车业攸关人命安全,本田汽车创办人本田宗一郎(Soichiro Honda)曾说:「交通工具与人命相关,从业员工需要有强烈的责任感,不负责任的人可以去卖文具用品或是布匹之类的,这些东西如果有缺陷的话,换个货就可以解决;但我们公司的产品如果有瑕疵,后果会相当严重。」故在 URLLC 规格上面,可靠性(Reliability)与可处理突发状况都是不可或缺的规格,确保收到与处理讯息的装置错误率都必须尽可能降低。

会妨碍讯息传输可靠性的原因常见有三:讯息遗失、讯息错误或讯息传输太晚到达。前两者需要更多容错设计,而确保讯息在时限内抵达则需要重新设计电信系统架构。在 5G URLLC 设定可靠性目标中,可靠度如以机率表示,累积分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF)需要达到 99.9999% 以上,才足以达到车用安全标準。

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工规电子零组件的三大认证标準

既然是目标为车用的通讯,当然车用电子也需要满足车用规範。目前在车用电子必须通过三大规範,分别是代表品质管理系统认证的 TS 16949,安全性认证的 ISO 26262 以及可靠度验证的 AEC Q100/101/200。整个车用电子零件分为三大类别,包含 IC、离散半导体、被动元件三大类别,为了确保这些汽车电子零组件符合汽车安全的最高标準,美国汽车电子协会(Automotive Electronics Council,AEC)係以微控制器与积体电路等主动零件为标的,设计出一套标準 AEC-Q100;而针对被动元件设计的标準为 AEC-Q200,其规範了被动零件所必须达成的产品品质与可靠度。

AEC Q100 规範了在车用的晶片必须通过的可靠性标準。由于车用必须在各种极端环境下都能够确保人命安全,而汽车使用环境可能从杜拜密闭空间高达 120℃ 到西伯利亚的 -30℃。除了温度外,也规定了如操作时间(Operation Life Test,OLT)、读写次数等许多可靠性测试种类,车用电子通讯都必须能够通过等此类环境考验。有了可靠性才有过安全性认证 ISO 26262 的可能。

另一个确保可靠性的标準就是 TS 16949。品质管理是所有汽车厂商的命脉,对于传统资通讯厂商而言,效能与成本是最重要的考量点,但在车用环境,品质管理重要性远胜效能与成本。因为一台车可能高达一万多个零组件,在又要确保整车无故障率情况下,对于每个零组件生产时的良率要求非常严格。对 5G 的 URLLC 而言,使用的远程通讯系统(Telematics)通讯元件的品质要求,远大于现行常见装载于车内影音上网系统(Infotainment),其生产品质目标与其他车用安全零组件一样要求零缺失(Zero Defect/Failure)。各车厂对于半导体晶片的製造都有详细流程,来区别其他消费性晶片的流程。

为了达到整体高可靠性,除了在生产製造初期达到的完全无缺失外,交车给终端消费者后,也要注意正常使用下遇到妨碍可靠性的因素。像是杂讯与辐射带电粒子会造成半导体判断错误,导致不可预期状况。以记忆体为例,在资通讯产品中已属于最高可靠标準的伺服器,根据 Google 对自家伺服器的统计,每年却高达三分之一会发生可复原的记忆体错误,而无法复原的错误发生率则为百分之一。虽然目前传统通讯与伺服器当中使用了错误更正码(Error Correcting Code,ECC)来解决此错误发生原因,但在车用环境需要更高标準,以降低所有出错的机会。而在 5G URLLC 的规格发想中,虽然低延迟和高可靠性的要求都会降低系统容量(Capacity),但透过更宽的频谱使用,可弥补此减少的差距。

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车规製造与设计技术

为了达到可应用在车用的环境,除了上述对于品质製造的控管外,由于汽车的使用年限远较消费性产品长,其对于零组件供应时期甚至高达三十年。在严格的规範和供应年限要求下,零组件供应商通常都得靠自有製造厂,才能得到汽车业者客户的认同。为了防止运作错误而使用 ECC 作为容错设计,在 5G URLLC 中,大规模天线阵列(Massive MIMO)便在其中扮演关键角色。透过空间分歧(Space Diversity)接收多个传输资料流,可以防止几个通讯失效。而运作在车内的基频晶片同时搭配的 DRAM 也将具备 ECC 功能,目前 DDR4E 与 LPDDR4 都已经可以看到内建 ECC 功能的产品。而储存资料的非挥发记忆体(Non-Volatile Memory,NVM)也需要具备此功能。

根据三星在 JEDEC 提出的报告,如果使用(72,64)编码(Code Rate),晶片面积约会增加 11.5% 成本。而如果使用(136,128)编码,晶片面积约只增加 6.5% 成本,差别在于(136,128) 只能更正一个位元的错误,而(72,64)除了可以更正一个错误外,还可侦测两个位元的错误。由于车规超严格的品质标準,其对成本的容忍度也远较于消费性产品为高,未来将可以看到更多具备 ECC 功能的车用电子晶片问世。

台湾在车用半导体发展的现况

由上所述,IMT-2020 之 URLLC 因为需要应用于车规或是工业使用,必须具有极高可靠度以及超低延迟的特性。超低延迟性有赖于 3GPP 国际标準组织提案设计新系统架构完成,而极高可靠度必须透过晶片製造初期的品质管制达到零缺失,同时因产品零组件通过验证极耗成本,且汽车本身使用年限长,而需要数十年以上的供应(不能像消费性产品一样随意微缩半导体製程),在此情况下能够生产的晶片厂商通常以整合装置製造商(IDM)为主。

华邦电子(Winbond)拥有自建的 12 吋晶圆厂,同时亦进入车规市场多年,对于零缺失品质管理有一定的把握。新推出 Quad(3V)与 Octal(1.8V)NOR Flash 家族已新内建错误更正码,来对抗带电粒子辐射所造成的错误。同时亦生产符合工业标準的低功耗或是利基型动态记忆体(DRAM)。该公司同时具有 NOR/NAND/DRAM 等记忆体解决方案,在通讯基频(Modem)的应用设计内,可提出完整解决方案;工业应用方面,今年也与德国工业自动化解决方案厂商西门子(Siemens)签署客户品质合约,成为西门子的记忆体供应商。

在晶圆代工方面,台湾半导体製造大厂台积电,近年来也积极涉入车规领域,利用本身成熟的 16 nm 製程纳入车规电子标準,也通过 ISO 26262 和 AEC-Q100 Grade1 车厂认证,已为客户量产先进驾驶辅助(ADAS)晶片,成为全球首家以 16 nm 提供车用电子晶圆代工服务。同为晶圆代工的联华电子(UMC)也推出 UMC Auto 技术平台来支援车用晶片的设计,预计车用电子将成为未来半导体的亮点。

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