2022年4月17日
ソフトウェア定義車両用イーサネットカメラブリッジ
マーベル、オートモーティブ・ビジネス・ユニット、マーケティング担当バイス・プレジデント、アミール・バー・ニヴ氏著
自動車の変革
スマートカーや車輪付きデータセンターは、自動車業界を変革し、より安全で環境に優しい自動運転車やユーザー体験の向上を約束するエキサイティングなテクノロジーの新しい波を定義するために使われている用語の一部に過ぎない。 その根底にあるのは、Software-Defined Vehicles（SDV）に向かうメガトレンドである。 SDVは単なる新しい自動車技術プラットフォームではない。 また、自動車OEMにとっても新たなビジネスモデルを可能にする。ソフトウェア中心のアーキテクチャにより、自動車メーカーは、アフターマーケットサービスや新しいアプリケーションから前例のない収益の流れを生み出すイノベーションプラットフォームを手に入れることになる。 オーナーにとっては、スマートフォンのアップデートのように簡単に、すでに走行している車のソフトウェア・アップデートを無線で受け取ることができる。時間の経過とともに実用性が低下しない自動車、および時間の経過とともに継続的に改善できるドライビング体験を意味する。
このブログは、SDVの将来を可能にするシステムの基本的な構成要素について説明する一連のブログの最初のものである。
SDVへの道はイーサネットで整備されている
SDVを実現するための重要な技術は、イーサネットベースの 車載ネットワーク（IVN）でサポートされるコンピューティングプラットフォームである。 イーサネットベースのIVNは、車内の各システム間のトラフィックを再構築し、新しいダウンロードされるアプリケーションの要件を満たすのに役立つ。 イーサネットベースのIVNの可能性を最大限に引き出すには、車内のノードがイーサネットを「理解する」必要がある。 これには、自動車センサーやカメラ などのデバイスが含まれる。 このブログでは、SDVの新時代を実現する先進的なイーサネットベースのIVNを実現するための特徴と主要コンポーネントについて説明する。
その前に、この新しいビジネスモデルの確約について話しましょう。 例えば、「自動車にどれだけの新しいアプリケーションが生まれ、誰がそれを使うのだろう？」と人々は問うかもしれない。 これはおそらく、Appleが最初のAppStoreを作成したときに尋ねられたのと同じ質問です。AppStoreは数十の新しいアプリから始まりましたが、もちろん後の広がり歴史が物語ってます。 私たちは間違いなくこのモデルから学ぶことができる。 さらに、これは単なるOEMだけの仕事ではない。 SDV車が道路を走るようになれば、OEMのために、スマートシティ、MaaS（Mobility as a Service）、ライドヘイリングなど、他のメガトレンドと連携したまったく新しい自動車アプリケーションの世界を開発する新しい企業の出現が予想される。
自動車革新の新時代
ここで、2025年から2030年（自動車業界では「すぐそこまで来ている」と考えられています）に早送りしてみることにする。より高いレベルの運転支援システム (ADAS) をサポートするように設計された新しい自動車には、20 ～ 30 個のセンサーが搭載されている (カメラ、レーダー、ライダーなど)。 これらのセンサーを利用できる2つの新しいアプリケーションの可能性を想像してみよう：
アプリケーション1： 「カースクラッチャーを捕まえる」 -このような状況を何度聞いたことがあるだろうか、あるいは経験したことがあるだろうか。 誰かが駐車場であなたの車に傷をつけたり、悪意を持って車のキーであなたの車に傷をつけたりする。 その車が、被害を与えた車の人物の顔やナンバーを捉えることができたとしたら？ OEMが車のオーナーにオンデマンドで提供できるクールな機能ではないだろうか？ 価格が適正であれば、人気のアプリケーションになる可能性は高い。 例となるアプリケーションは、加速度センサーと、場合によってはマイクを使って、車をひっかいたり、ぶつけたり、ぶつかったりしたときのノイズを検出することさえできる。 クルマが引っかきや衝突を識別すると、クルマの周囲にあるすべてのカメラが作動する。 そして、車はビデオストリームを中央のストレージに記録する。 このビデオは後に、保険や裁判を通じて修理費を回収するために、所有者が必要に応じて使用することができる。
アプリケーション2： 「侵入未遂録画」-次のアプリケーションでは、システムが侵入の試みを検知すると、すべての内部および外部カメラが中央ストレージに映像を録画し、即座にクラウドにアップロードする。 これは、車泥棒が後でストレージを改ざんしようとした場合に備えてのことだ。 並行して、ユーザーは電話で警告信号やアラートを受け取るので、ビデオストリームを見たり、車内のサウンドシステムに接続して自分の声で泥棒を脅かすこともできる。
これらのシナリオについては、フォローアップ ブログでより包括的に検討しますが、これらは、イーサネット ベースのIVNが将来のソフトウェア デファインド カーで実現できる可能性のある多くの高価値の車載アプリの2つの例にすぎない。
ソフトウェア定義ネットワーク
イーサネットネットワーク標準は、セキュリティ脅威の緩和など、実際のネットワークニーズに対応するために長年にわたって開発されてきた機能やソリューションの長いリストで構成されている。 イーサネットは2014年に自動車業界で初めて採用され、以来、自動車内の主要ネットワークとなっている。 車のプロセッサー、センサー、カメラ、その他のデバイスがイーサネット（Ethernet End-to-End）を介して互いに接続されれば、今後実現が約束されているSDVにおいては、車載ネットワークを再プログラムし、その主な特性を新しい高度なアプリケーションに適応させる能力を実現できる。 この機能は車載Software-Defined Networking、略して車載SDNと呼ばれる。
図1は、SDVを実現する車載SDNのビルディングブロックを示している。
図1 - SDVのビルディングブロックとしてのイーサネットとSDN
イーサネットの特徴は、SDVにとって重要な4つの属性を可能にする： 柔軟性、拡張性、冗長性、制御性。
- 柔軟性 は、ネットワーク内のデータフローを変更したり、ドメイン、プロセッサ、その他の共有リソース（ストレージなど）間で（カメラやセンサーなどの）デバイスを共有したりする能力を提供する。
- スケーラビリティ 新しいアプリケーションや機能をサポートするためには、ソフトウェアとハードウェアの両方が必要である。 もともと搭載されていたプロセッサーやECUのソフトウェアアップデートは、通常、ネットワークのデータや制御のルーティングを変更する必要がある。 また、車内のハードウェアは時間の経過とともに変更される可能性があり、多くの場合、新しいハードウェアに対応した新しい速度やサービス品質（QoS）をサポートするために、ネットワークへの適応が必要になることがある。
- ミッションクリティカルなプロセッサーだけでなく、デバイス間のデータパスにも冗長性を持たせることで、ネットワークを保護する。スイッチングとマルチデータ・パスは、車載ネットワークのバックボーンにおける負荷分散を支援することもできる。
- イーサネットのOAM （Operations, Administration, and Maintenance） プロトコルを活用することで、車内の全リンクの制御性、診断、リアルタイム・デバッグが可能で、チャネル品質、リンクマージン/劣化、EMC脆弱性などのリアルタイム自己診断と障害管理を提供します。AI/MLベースの高度なデータ処理により、ネットワークの健全性をより効果的に予測することが可能になり、より高いレベルの安全目標と大きな経済的利益を実現することができる。
車載SDNは、SDVにおいてこれらの属性を変更し適応させる能力を提供するメカニズムである。SDNはアプリケーションプログラミングインターフェース（API）を使って、スイッチやブリッジのような基礎となるハードウェアインフラと通信し、ネットワーク内のトラフィックフローを規定する技術である。 車載SDNは制御プレーンとデータプレーンの分離を可能にし、車載ネットワークにおける高度なデータ転送メカニズムの領域にネットワークプログラマビリティをもたらす。
カメラとイーサネットエッジ
車載SDNの能力をフルに発揮するためには、車内のほとんどのデバイスがイーサネット経由で接続される必要がある。 今日の先進的な自動車アーキテクチャーでは、高速リンクのバックボーンはすべてイーサネットである。 しかし、カメラインターフェースは、いまだに古い独自のポイントツーポイント低電圧差動信号（LVDS）技術に基づいている。 LVDSに代わる新しい技術（MIPIのA-PHYやASAなど）が開発中だが、これらはまだポイントツーポイントのソリューションである。 このブログでは、これらのソリューションをすべてP2PP (Point-to-Point Protocol) と呼ぶ。 図2では、典型的なゾーナルカーネットワークの例を、カメラ・センサを使用する2つの領域に焦点を当てて示している： ADASとインフォテインメント。
図2 - ポイントツーポイントのカメラリンクを持つゾーナルネットワークアーキテクチャ
ECU/センサー/デバイスの大半はゾーナルバックボーンを介して（その利点を活用して）接続されているが、カメラは依然としてプロセッサーに直接（ポイントツーポイント）接続されている。 カメラは2つのドメイン（ADASとIVI）間で単純な方法で共有することはできず、多くの場合、別々のボックスに入っている。 この融通性の無い接続には拡張性の余地がない。 カメラはプロセッサーに直接接続されており、このプロセッサーに異常が発生するとカメラとの接続が失われる可能性があるため、冗長性も非常に限られている。
この「解決策」として考えられるのは、図3に示すように、カメラをP2PPP経由でゾーナルスイッチに接続することである。 
図3 - ゾーナルスイッチへのポイントツーポイントのカメラリンクを持つゾーナルネットワークアーキテクチャ
この提案は、上記の問題のほんの一部を解決するものだが、高い代償を払うことになる。 この構成をサポートするには、図4に示すように、P2PPをカメラインターフェースに変換する専用のDemux チップが常に必要である。 さらに、この構成をサポートするために、ゾーナルスイッチはMIPI D-PHYのような専用のビデオ・インターフェースを必要とする。 このインターフェースには、カメラ1台につき12ピン（データ用4ペア、クロック用1ペア、制御用1ペア（I2CまたはSPI））が必要である。 このため、複雑さと多くの専用ピンが追加され、システムコストが増加する。 もう一つのオプションは、複数のP2PPレーンをアグリゲートするために、外付けのDemux-switch （Zonalスイッチの上）を使用することであるが、これは高価である。
また、これらのプロトコルをゾーナル・スイッチに統合することは、スイッチにイーサネット以外の専用ポートを必要とするため、可能性は極めて低い。 さらに、独自技術や成熟していない新技術をスイッチやSoCに統合することは誰も考えないだろう。
図4 - ゾーナルアーキテクチャのカメラP2PPブリッジ
次に、制御性、診断、リアルタイムのデバッグだが、P2PPリンク上では、イーサネット上と同じシンプルで標準的な方法では動作しない。 このため、車両内のすべてのイーサネットベースのECU、デバイス、センサーへのアクセス、モニタリング、デバッグに使用される既存のイーサネットベースのSWユーティリティの活用が制限される。
イーサネットカメラブリッジ
これらの問題に対する正しい解決策は、カメラ映像をイーサネットに変換することである - エッジで 。 図5に示すように、カメラ・モジュールに接続し、イーサネットパケットでビデオをカプセル化する単純なブリッジデバイスがあればよい。
図5 - ゾーナルアーキテクチャーのイーサネットカメラブリッジ
車載イーサネットネットワークはレイヤー2（L2）ベースであるため、イーサネット経由のカメラ映像のカプセル化には、ブリッジデバイスでは単純なハードコード（SWなしという意味）のMACブロックにて処理可能です。 図6は、このようなブリッジデバイスを利用したネットワークを示している。
図6 - イーサネットEnd-to-Endによるゾーンアーキテクチャ
イーサネットカメラブリッジの最大の利点は、イーサネット規格の堅牢性と成熟度を活用できることである。 イーサネットブリッジPHYにとって、それは、ケーブル、コネクタ、テスト設備（コンプライアンス、相互運用性、EMCなど）の非常に強力なエコシステムとともに、長年にわたって自動車業界で受け入れられてきた実績のある技術（2.5G/5G/10GBASE-T1、そして間もなく25GBASE-T1）を意味する。
しかし、これは氷山の一角にすぎない。 カメラインターフェースの基礎技術がイーサネットになると、これらのリンクは自動的に次のような他のすべてのIEEEイーサネット規格にアクセスできるようになる。
- スイッチングと仮想化 - IEEE 802.1
- セキュリティ - 認証と暗号化 - IEEE 802.1AE MACsec
- ネットワーク経由の時刻同期 - IEEE PTP 1588
- パワーオーバーケーブル - IEEE PoDL 802.3bu
- オーディオ/ビデオブリッジング - IEEE 802.1 AVB/TSN
- エネルギー効率の高いイーサネットプロトコルを使用した非対称伝送 - IEEE 802.3az
- すべてのトポロジをサポート： メッシュ、スター、リング、デイジーチェーン、ポイントツーポイント
車載ネットワーク向けのこれらの重要な機能については、以前のマーベルブログ「車載アプリケーション向けのイーサネットの高度な機能 」で取り上げている。
イーサネットカメラブリッジ付きイーサネットエンドツーエンドは、信頼性の高いソフトウェアデファインドカーの動作に必要な次の4つの主要属性（図1に記載）をすべてサポートしている。 カメラはドメイン間で簡単に共有できる。 ソフトウェアとハードウェアは独立して簡単に変更でき、カメラやセンサーに至るまで拡張できる。 ゾーナルスイッチでは特別なビデオインターフェイスが必要ない。カメラのイーサネットリンクはスイッチの標準イーサネットポートに接続され、冗長性のために複数の経路でルーティングできる。 このアプローチでは、他の車載ネットワークで使用されている標準的なイーサネットユーティリティを使用して、カメラリンクの制御性、診断、リアルタイムデバッグを完全にサポートする。
今後の予定は？ カメラの解像度とリフレッシュレートが上がるにつれて、カメラリンクは将来的に10Gbpsを超えるデータレートをサポートする必要がある。 このトレンドをサポートするために、IEEE P802.3cy Greater than 10 Gb/s Electrical Automotive Ethernet PHY Task Forceは、すでに25Gbps車載PHYの標準を定義している最中である。 従って、車載バックボーンだけでなく、最大25GbpsのCamera Ethernetブリッジも将来的には必至であり、それに伴い、さらに魅力的なスマートカーアプリが多数登場することが予想される。
自動車向けマーベル製品ロードマップ
車載技術のアプリケーションと設計におけるこうした新たな取り組みを支援するため、マーベルは業界初のマルチギガEthernet Cameraブリッジソリューション を発表した。
これらの発表が示すように、マーベルは車載アプリケーション向けネットワーキングおよびコンピュートソリューションの革新を推進し続けています。 マーベルの車載用ロードマップには、新しいアプリケーションを可能にするために、新しいシステム構成の無線アップロードを可能にするTrusted Boot®機能をサポートするマネージドイーサネットスイッチが含まれている。 マーベルの車載向けカスタムコンピュート製品は、先進的なプロセスノードで設計され、高性能マルチコアプロセッサ、エンドツーエンドのセキュリティ、高速PHYおよびSerDes技術などのマーベルのIPポートフォリオを活用している。
Brightlane™ 車載ソリューションの革新的なエンドツーエンドポートフォリオにより、よりスマートで、より安全で、より環境に優しい自動車の実現に向けたマーベルの取り組みについて詳しくは、https://www.marvell.com/products/automotive.html を参照のこと。
このシリーズの次のブログでは、SDN-on-wheels のいくつかの特徴、将来の自動車における中央演算、車両間接続のセキュリティ構造、インフォテインメント用の車載ネットワーク、そしてソフトウェア定義車両の将来を可能にするその他のエキサイティングな開発について述べる。
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