2021年4月28日
Back to the Future - 10Gbpsのスピードで走る車載ネットワーク
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
1980年代の名作映画『Back to the Future』3部作の中で、タイムマシン、デロリアンの発明者であるドク・ブラウンは、"あなたの未来はあなたが作るものだから、良いものにしなさい "と宣言している。 マーベルでは、エンジニアが車載イーサネット機能を加速させることで、まさにそれを実現している： 今週初め、マーベルは、車載製品ポートフォリオに最新の製品を追加することを発表した。88Q4346 802.3chベースのマルチギグ車載イーサネットPHYである。
この技術は、マルチギガイーサネットの速度を必要とする3つの新たな自動車トレンドに対応している：
- 高解像度カメラとセンサーの統合が進む
- 強力な5Gネットワークの利用拡大
- 車のデザインにおけるゾーナルアーキテクチャーの台頭
1. 高解像度カメラとセンサーの統合が進む
自動車内の高速ネットワークの主な用途は、非圧縮ビデオストリームを使用するカメラやディスプレイである。 カメラは現在、720pから1080pへと解像度をアップグレードしており、数年以内に4K、さらには8Kへと移行する。 さらに、ピクセルサイズ（色深度）は1ピクセルあたり16ビットと24ビットに増加し、リフレッシュレートは毎秒60フレームに移行した。 結果は？ 高解像度のビデオを伝送するために必要な帯域幅も、それに比例して拡大する必要がある。 以前は1Gbpsで十分だったが、現在では10Gbpsやそれ以上のデータレートを必要とするユースケースも多くなっている（図1参照）。
図 1
インフォテインメントと高解像度ディスプレイも、車載バックボーンでの高速ビデオの必要性を後押ししている。 昨年ラスベガスで開催されたCES（コロナ感染症流行前に開催された大規模な見本市を覚えているだろう）では、Byton Mバイトが巨大な48インチの室内スクリーンが見出しを飾った。 しかし、車載ディスプレイの革命はまだ始まったばかりだ。 ダッシュボードディスプレイは、タッチスクリーン、コントロール、アンビエント照明を複雑な3D形状に統合したもので、将来の自動車では一般的な機能になるだろう。 ホログラムと変更可能な表面テクスチャは、自動車設計者がディスプレイスクリーンに組み込んでいる新しい技術である。
Apple CarPlayやAndroid Auto、Googleベースのインフォテイメントスイートなどの技術は、高解像度ディスプレイとカメラを組み合わせたビデオ会議のサポートを含め、これらのディスプレイをスマートフォンやスマートホームの延長へと効果的に変革させる。
同様に、サイドミラーも依然として有用ではあるが、周囲の交通の映像を統合するカメラがはるかに広い視野をカバーするようになったため、その役割は取って代わられつつある。 近い将来、高解像度のOLEDディスプレイと魚眼カメラに基づく拡張現実（AR）技術も、潜在的なトラブルを警告するのに役立つであろう。 現在、車内の仮想メガプレックスで最大12スクリーンを計画しているOEMもある。
結果は？ 車載ネットワーク（IVN）は、これまでにない帯域幅をサポートする必要がある。
カメラやディスプレイに加えて、レーダーやライダーなどのカーセンサーも、より高速のデータに依存している。 今日、既存の高帯域幅センサーモジュールは、初期データ解析と物体検出のための前処理ICを内蔵している。 処理されたデータは、CAN（最大10Mbps）や100Mイーサネットリンクのような低速インターフェースを介してSoC/GPUに送信される。
しかし、最新世代の高演算能力SoC/GPUが増大するセンサーデータを処理することで、新しいトレンドは、センサーモジュール内の前処理ユニットを完全に排除することである（図2参照）。 このシフトは次の削減に役立つだろう：
- センサーモジュールのコスト
- センサー内の前処理ユニットが生み出す放熱が、センサーの性能を低下させる。
- 前処理アルゴリズムによって生じる遅延（検出と応答時間の改善）。
図2
このトレンドをサポートするために、これらのセンサーはすでに100Mbpsから1Gbpsイーサネット・リンクにアップグレードしており、数年以内にマルチギガビットレートが必要になると予想されている。
2. 強力な5Gネットワークの利用拡大
新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックとそれに伴う隔離措置により、アメリカ国民が車で通勤するのに費やす時間と自動車の販売台数が劇的に減少したが、新世代の自動車は今後数年間で自動車業界を一変させると見込まれている。 より効率的な電気自動車だけでなく、強力な5Gネットワークの展開によって強化された、より自律的で接続された自動車もある。
現在のネットワーク（4Gなど）に対する5Gの利点は？ まず、5Gは高速だ。 本当に速い。 ピーク速度の観点からは、5Gは4Gより100倍速い。 つまり、HDマップや映画、OTA（Over-the-Air）アプリケーションやソフトウェアの更新をほぼ瞬時にダウンロードできる。
5Gネットワークのレイテンシーも極めて低いため、車両、歩行者、インフラ、クラウドといったあらゆるもの（V2X）間の直接通信が可能になる（図3）。 これまでは、車両は離れたサーバーを介して通信しなければならなかった。 5Gでは、車両同士が直接通信し、事故や道路状況、その他のアラートに関する重要な情報を交換することができる。 この5Gネットワークは、より安全で、より効率的で、より持続可能であるように設計された自律輸送に不可欠である。 また、乗客に車内での豊かな体験を提供し、移動中の時間をより有効に使う方法を提供する。 これには、インタラクティブなアプリケーションを使ったり、映画を見たり、ゲームをしたり、家で行うように簡単に会議の準備をしたりすることが含まれる。
図3
5Gの高速性と低遅延をサポートするには、車載用5Gモデムと車内のバックボーンネットワークが10Gbps以上の速度をサポートする必要ある。この速度は、マーベルのマルチギガイーサネットPHYによってすでに実現されている。 さらに、この技術により、OEMはイーサネットの高いサービス品質機能を活用し、新たな車両間通信や関連インフラの需要に応えることができる。
3. ゾーンアーキテクチャの台頭
多くの自動車では、電子部品や電気部品をつなぐ配線は非常に複雑で広範囲に及んでおり、端から端まで敷設すると、すべてのケーブルが1マイル以上にも及ぶ。 このケーブルもスパゲッティ状になっており重量も非常にかさむ。 明らかに、複雑さと重量の両方が、まず開発にかかるリソースの面で、そして走行中のエネルギー消費という点で、大きなコストを追加する。
これらの欠点があるにもかかわらず、このようなスパゲッティはまだ例外ではなく、むしろ普通である。 今日の新型車の多くは、いまだにドメインアーキテクチャのコンセプトに基づいて作られているからだ。そこでは、ボディ、テレマティクス、ADAS、インフォテインメント、パワートレインといった独立したドメインを、広範なケーブルハーネスが車全体に散らばるコンポーネントに直接接続している。 図4は典型的なハーネスシステムの簡略図である。
図4
従来の有線ハーネスの制約を取り払い、最先端の車両設計者は、車の異なるゾーン間のバックボーンプロトコルとしてイーサネットを活用するゾーンアーキテクチャへとシフトしている。 このコンセプトをサポートするため、車の各ゾーンには、ゾーンゲートウェイが含まれている。ゾーンゲートウェイは、イーサネットを利用して、各プロトコルの望ましいパフォーマンスとサービス品質（QoS）を維持しながら、異なるドメインとプロトコルを変換して集約するスイッチである。 図5が示すように、ゾーナルアーキテクチャーは自動車配線の要件を劇的に合理化し、ケーブル、労働力、エネルギーコストを削減する。
図5
ゾーナルアーキテクチャーへの移行は、車載集中型コンピューティングとストレージ（自動車産業で台頭しつつあるアプローチ）で補強されると、さらに強力になる。 イーサネットのスピードと利点（スイッチング、QoS、セキュリティ、仮想化）を活用できるバックボーンと、最新CPUのコンピューティング能力の増大により、多くのOEMは現在、中央処理アーキテクチャ（図6参照）に傾倒している。
図6 - 中央処理によるゾーンアーキテクチャ
中央処理と同時に、最も関連性の高いデータを、安全で、高速で、アクセスが簡単で信頼できる方法で保存するための中央ストレージが必要になる。
ゾーンアーキテクチャ上で各ゾーンの広帯域データを集約するためには、イーサネット・バックボーンは10Gbps以上のデータ速度をサポートする必要がある。
マルチギガイーサネットにおけるマーベルの実績
マーベルは2018年、車載ケーブルで2.5G、5G、10Gbpsの速度をサポートする10G車載イーサネットPHY（AQV107）を発表した最初の企業である。 次に、マーベルは、マルチギガビットイーサネット車載 PHY (IEEE の 802.3ch) の新しい IEEE 標準の開発をサポートし、現在、IEEE 準拠の 10GBASE-T1 PHY である 88Q4346 を顧客にサンプリングしている。
さらに、マーベルが2020年に発表した車載イーサネットスイッチの新ラインには、マルチギガビットポートが含まれている。 88Q5072は、2.5Gbpsおよび5Gbpsポートをサポートする高集積11ポートマネージドセキュアドスイッチで、88Q6113は10Gbpsの2ポートをサポートする。
今後の予定は？ 2019年、マーベルはIEEEにおいて、「10Gを超える」速度での車載イーサネットPHYの新規格を求めるCFI （call-for-interest） を開始した。 その結果、新しいIEEEグループ（802.3cy）が現在、25G、50G、100Gbps車載PHYの標準を開発中である。
要約すると、OEMがイーサネットの目覚ましい技術革新を活用してより多くの高解像度カメラやセンサーを統合し、5Gネットワークのパワーを活用し、ゾーンアーキテクチャを導入することで、今後10年間は自動車業界にとって変革期となるであろう。 そして、マーベルの助けによって、未来はドク・ブラウンでさえも予想しなかったほど早くやってくるかもしれない。
Tags: 車載イーサネット PHY, 車載イーサネットスイッチ, ドメインアーキテクチャ IVN, マルチギガ車載イーサネット, マルチギガイーサネット
