從車聯網到工業 4.0 智慧應用關鍵──5G 通訊的低延遲與可靠度

作者 | 發布日期 2017 年 06 月 05 日 17:52 | 分類 尖端科技 , 物聯網 , 網路 follow us in feedly

智慧車,或是更進階的無人駕駛車,一直都是近幾年資通訊大展的亮點。漢諾威電子展(Cebit)早在 2008 年就新增了汽車電子展區,包含 Benz 與 BMW 同時也在該年展出了未來資訊(IT)概念車,首次將傳統汽車業結合資通訊技術。現在的資通訊大展已不再只限傳統資通訊業者如 Apple 或 Google 參展,更多的是汽車業者加入。而在大廠動向方面,高通併購了恩智浦(NXP)、英特爾最近併購了 Mobileye,都是看中未來汽車電子的潛力。




電動、智慧車載及工業 4.0,成下個明星產業

推升智慧車的另一個潮流就是電動車的出現,由特斯拉在近幾年帶動的插電電動車風潮席捲了全球,其訴諸的節能減碳,綠能運輸更是人類產業未來必走的路。近期減緩氣候變遷與支持低碳經濟是全球一致的目標。

各國政府均大力支持電動車的發展,以台灣為例,政府為落實節能減碳政策,提出「智慧電動車輛發展策略與行動方案」,制訂補助條款,在《貨物稅條例》中增訂,若民眾購買完全以電能為動力的電動車輛(包含電動小客車、電動機車、電動公共汽車及計程車等)並完成登記,就可享貨物稅免徵優惠,期望透過補助購買電動車以擴大市場,達到節能減碳目標,並帶動電動車及關鍵零組件產業之發展。

除了汽車應用外,另外一個未來產業亮點為工業 4.0。帶入先進的感測、聯網等智慧技術進入傳統工廠內,期待提高效率與品質。目前德國與日本都將工業 4.0 視為下一代發展製造工業的目標。在工業 4.0 預定目標中,透過機器對機器(Machine to Machine,M2M)的控制,智慧工廠能即時(Real-time)自行管理生產鏈、物流與操作程序,互相整合的系統在機器、資產、操作程序與物料之間建立起互動的橋樑,智慧型機器與裝置可利用校正程序,避免意料外的失誤,讓無效率的停機時間成為過去。

而要發展智慧汽車或是工業 4.0,共同特性都是透過資通訊技術讓反應自動化,能否即時處理事件是非常重要的關鍵因素,其中智慧汽車或是未來的自駕車,更是牽涉到人們生命安全,對於可靠性與處理突發狀況的能力更是極端要求,在此之下,現行的 LTE-A 或是 LTE-A Pro(4G)處理此類需求恐力有未逮,故資通訊業者期待透過制定 5G 中全新一代的通訊標準 IMT-2020,把人類的夢想進一步化為可能。

▲ (Source:Shutterstock)

車用通訊需求兩大特性

3GPP 已經在今年發表了俗稱第五代行動通訊標準 IMT-2020 準備時程,將使用於 Release-15、Release-16 以及後續相關 5G 標準規格中。第一個 Release-15 版本將於 2018 年 9 月完成,主要為了滿足較急迫的商業需求,尤其是在 2020 年東京奧運時商轉;而第二個版本將於 2020 年 3 月完成,稱為 Release-16,將滿足 IMT-2020 提出的目標和所有可辨識的用例與需求。同時 3GPP 也公佈了代表 5G 的識別圖案(logo)。

IMT-2020 確立了三大應用領域,分別是加強行動寬頻(enhanced Mobile BroadBand,eMBB),大規模機器通訊(massive Machine Type Communication,mMTC)以及高可靠低延遲通訊(Ultra Reliable Low Latency Communication,URLLC)。現有4G(LTE-A)延續 3G 早已有的行動寬頻技術,如目前 iPhone 7 具備三個聚波載合(Carrier Aggregation,CA)並且在 3GPP Release-13 定義了專為機器通訊的規格,例如物聯網的 Cat-M 或是 NB-IoT,只有 URLLC 為傳統 3/4G 所沒有的新興應用領域,廣義而言,其也屬於機器通訊的一種,只是相較於現行 4G 的規格,其應用於汽車或是工業使用等關鍵領域,與傳統現行物聯網專注於超低成本與超低功耗完全不同,可說為 5G 規格中相當重要的亮點。

針對上面的車用或是工業用的需求,IMT-2020 的 URLLC 規格將處理滿足最低 1ms(毫秒),其低延遲(Low-Latency)特性就是為了縮短通訊連線的時間,讓智慧汽車或智慧工廠能有更充裕的處理由感測器所傳來的資訊。根據統計,目前 4G 系統在通訊延遲時間上都遠超過此數值,台灣電信系統在最糟的情況需要 4X ms,而美國電信系統因為幅員廣大,甚至有 2XX ms 的紀錄。現行被採用為車載通訊(Dedicated Short Range Communication,DSRC)間技術之一的 IEEE 802.11p,雖然為 WiFi 架構的一種,但其主要修改要點就是縮短 WiFi 之高延遲特性,降低通訊傳遞的時間。

除了縮短處理時間之外,汽車業攸關人命安全,本田汽車創辦人本田宗一郎(Soichiro Honda)曾說:「交通工具與人命相關,從業員工需要有強烈的責任感,不負責任的人可以去賣文具用品或是布匹之類的,這些東西如果有缺陷的話,換個貨就可以解決;但我們公司的產品如果有瑕疵,後果會相當嚴重。」故在 URLLC 規格上面,可靠性(Reliability)與可處理突發狀況都是不可或缺的規格,確保收到與處理訊息的裝置錯誤率都必須盡可能降低。

會妨礙訊息傳輸可靠性的原因常見有三:訊息遺失、訊息錯誤或訊息傳輸太晚到達。前兩者需要更多容錯設計,而確保訊息在時限內抵達則需要重新設計電信系統架構。在 5G URLLC 設定可靠性目標中,可靠度如以機率表示,累積分布函數(Cumulative Distribution Function,CDF)需要達到 99.9999% 以上,才足以達到車用安全標準。

▲ (Source:Shutterstock)

工規電子零組件的三大認證標準

既然是目標為車用的通訊,當然車用電子也需要滿足車用規範。目前在車用電子必須通過三大規範,分別是代表品質管理系統認證的 TS 16949,安全性認證的 ISO 26262 以及可靠度驗證的 AEC Q100/101/200。整個車用電子零件分為三大類別,包含 IC、離散半導體、被動元件三大類別,為了確保這些汽車電子零組件符合汽車安全的最高標準,美國汽車電子協會(Automotive Electronics Council,AEC)係以微控制器與積體電路等主動零件為標的,設計出一套標準 AEC-Q100;而針對被動元件設計的標準為 AEC-Q200,其規範了被動零件所必須達成的產品品質與可靠度。

AEC Q100 規範了在車用的晶片必須通過的可靠性標準。由於車用必須在各種極端環境下都能夠確保人命安全,而汽車使用環境可能從杜拜密閉空間高達 120℃ 到西伯利亞的 -30℃。除了溫度外,也規定了如操作時間(Operation Life Test,OLT)、讀寫次數等許多可靠性測試種類,車用電子通訊都必須能夠通過等此類環境考驗。有了可靠性才有過安全性認證 ISO 26262 的可能。

另一個確保可靠性的標準就是 TS 16949。品質管理是所有汽車廠商的命脈,對於傳統資通訊廠商而言,效能與成本是最重要的考量點,但在車用環境,品質管理重要性遠勝效能與成本。因為一台車可能高達一萬多個零組件,在又要確保整車無故障率情況下,對於每個零組件生產時的良率要求非常嚴格。對 5G 的 URLLC 而言,使用的遠程通訊系統(Telematics)通訊元件的品質要求,遠大於現行常見裝載於車內影音上網系統(Infotainment),其生產品質目標與其他車用安全零組件一樣要求零缺失(Zero Defect/Failure)。各車廠對於半導體晶片的製造都有詳細流程,來區別其他消費性晶片的流程。

為了達到整體高可靠性,除了在生產製造初期達到的完全無缺失外,交車給終端消費者後,也要注意正常使用下遇到妨礙可靠性的因素。像是雜訊與輻射帶電粒子會造成半導體判斷錯誤,導致不可預期狀況。以記憶體為例,在資通訊產品中已屬於最高可靠標準的伺服器,根據 Google 對自家伺服器的統計,每年卻高達三分之一會發生可復原的記憶體錯誤,而無法復原的錯誤發生率則為百分之一。雖然目前傳統通訊與伺服器當中使用了錯誤更正碼(Error Correcting Code,ECC)來解決此錯誤發生原因,但在車用環境需要更高標準,以降低所有出錯的機會。而在 5G URLLC 的規格發想中,雖然低延遲和高可靠性的要求都會降低系統容量(Capacity),但透過更寬的頻譜使用,可彌補此減少的差距。

▲ (Source:Shutterstock)

車規製造與設計技術

為了達到可應用在車用的環境,除了上述對於品質製造的控管外,由於汽車的使用年限遠較消費性產品長,其對於零組件供應時期甚至高達三十年。在嚴格的規範和供應年限要求下,零組件供應商通常都得靠自有製造廠,才能得到汽車業者客戶的認同。為了防止運作錯誤而使用 ECC 作為容錯設計,在 5G URLLC 中,大規模天線陣列(Massive MIMO)便在其中扮演關鍵角色。透過空間分歧(Space Diversity)接收多個傳輸資料流,可以防止幾個通訊失效。而運作在車內的基頻晶片同時搭配的 DRAM 也將具備 ECC 功能,目前 DDR4E 與 LPDDR4 都已經可以看到內建 ECC 功能的產品。而儲存資料的非揮發記憶體(Non-Volatile Memory,NVM)也需要具備此功能。

根據三星在 JEDEC 提出的報告,如果使用(72,64)編碼(Code Rate),晶片面積約會增加 11.5% 成本。而如果使用(136,128)編碼,晶片面積約只增加 6.5% 成本,差別在於(136,128) 只能更正一個位元的錯誤,而(72,64)除了可以更正一個錯誤外,還可偵測兩個位元的錯誤。由於車規超嚴格的品質標準,其對成本的容忍度也遠較於消費性產品為高,未來將可以看到更多具備 ECC 功能的車用電子晶片問世。

台灣在車用半導體發展的現況

由上所述,IMT-2020 之 URLLC 因為需要應用於車規或是工業使用,必須具有極高可靠度以及超低延遲的特性。超低延遲性有賴於 3GPP 國際標準組織提案設計新系統架構完成,而極高可靠度必須透過晶片製造初期的品質管制達到零缺失,同時因產品零組件通過驗證極耗成本,且汽車本身使用年限長,而需要數十年以上的供應(不能像消費性產品一樣隨意微縮半導體製程),在此情況下能夠生產的晶片廠商通常以整合裝置製造商(IDM)為主。

華邦電子(Winbond)擁有自建的 12 吋晶圓廠,同時亦進入車規市場多年,對於零缺失品質管理有一定的把握。新推出 Quad(3V)與 Octal(1.8V)NOR Flash 家族已新內建錯誤更正碼,來對抗帶電粒子輻射所造成的錯誤。同時亦生產符合工業標準的低功耗或是利基型動態記憶體(DRAM)。該公司同時具有 NOR/NAND/DRAM 等記憶體解決方案,在通訊基頻(Modem)的應用設計內,可提出完整解決方案;工業應用方面,今年也與德國工業自動化解決方案廠商西門子(Siemens)簽署客戶品質合約,成為西門子的記憶體供應商。

在晶圓代工方面,台灣半導體製造大廠台積電,近年來也積極涉入車規領域,利用本身成熟的 16 nm 製程納入車規電子標準,也通過 ISO 26262 和 AEC-Q100 Grade1 車廠認證,已為客戶量產先進駕駛輔助(ADAS)晶片,成為全球首家以 16 nm 提供車用電子晶圓代工服務。同為晶圓代工的聯華電子(UMC)也推出 UMC Auto 技術平台來支援車用晶片的設計,預計車用電子將成為未來半導體的亮點。

(首圖來源:Shutterstock)