進軍第四C 可編程解決方案各顯神通
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2006-04-10 00:00
前言:
進來普遍獲得調研機構、媒體青睞的車用電子產品,被不少分析師拿來與三C(Computer、Consumer、Communication)並列為第四C(Car),並對其成長抱持著相當樂觀的看法,甚至認為汽車電子將成為驅動電子產業未來幾年成長的主要動力來源之一。
也正是因為各方普遍看好汽車電子市場未來的成長潛能,使得各元件供應商紛紛推出對應的解決方案。不僅是將汽車電子市場視為固有疆土的MCU廠商積極推出新產品鞏固地盤,CPLD、FPGA等硬體可編程方案的供應商對汽車電子所展現的濃厚興趣,更是讓人不能忽略。
汽車電子元件可編程特性存在已久
其實,汽車電子並不是最近才有的產業。從引擎控制、煞車系統、潰縮式方向盤、到電動車窗、電動後照鏡、汽車音響等等,高度電子化的各種汽車早就已經穿梭在大街小巷。特別是在引擎控制單元(Engine Control Unit, ECU)這個部分,自從多點噴射引擎在十多年前成為市場主流之後,就已經改採微電腦來進行燃油的噴射控制,而所謂的微電腦,其實就是軟體可編程的MCU。
除了ECU之外,自排變速箱、電子煞車系統、潰縮式方向盤、安全氣囊等人身安全系統,也都可以看到MCU的身影。換言之,在今日以資訊娛樂為主軸的新型態汽車電子出現之前,各種MCU早就已經悄悄佔據了汽車中的各個環節。
車廠樂於採用MCU,而非ASIC解決方案的原因何在?答案之一是可編程性。汽車的售後服務可能是一個關鍵的因素。一輛汽車的生命週期超過十年,在這一段漫長的時間中,一定程度的升級,甚至法令規範的改變,都可能為已經售出的產品帶來現場升級的需求。採用ASIC進行設計固然有成本相對低廉的優勢,但萬一遇到需要升級的情況,以ASIC元件組成的系統就只能以更換模組的方式來進行升級。
至於另一個讓車廠大量採用MCU的原因,則是產品成熟可靠。MCU發展至今已經有超過卅年的歷史,且除了汽車之外,各種工業控制應用也少不了MCU的存在。有其他產業的應用前例可循,對於行事風格相對保守的汽車產業而言猶如一劑定心丸。事實上,即便是MCU,要進入汽車產業也得花不少時間去進行ISO、AEC、TS等認證。也因為如此,雖然MCU市場供應商眾多,但能提供車用解決方案的廠商並不多,舉其知名者,例如飛思卡爾、英飛凌、Microchip、飛利浦、瑞薩、意法等大廠。
PLD成為車用可編程方案的後起之秀
由於汽車製造商需要具備設計彈性來應付頻繁的車款改版,甚至需要一定程度的現場可編程性來降低汽車售後服務所需的成本,因此給了PLD切入市場的機會點。
環顧PLD產業,目前在汽車電子方面幾乎各家供應商都有解決方案上市,且各自特色與目標市場,且看以下的整理報導。
Actel:穩定可靠的解決方案是汽車電子最重要的需求
汽車對於電子元件而言其實是相當惡劣的工作環境。舉凡溫度變化、引擎震動、灰塵等等因素,都會對電子元件或系統的壽命與可靠度帶來負面影響。在這類惡劣的應用環境中,Flash或是反熔絲技術的穩定性在許多學術研究單位的研究調查中,都勝過以SRAM為基礎的各種PLD解決方案。事實上,以Flash與反熔絲技術為基礎的PLD,一直都是軍用、航太等極端應用客戶的主要選擇之一,也造就了以這兩項技術獨步於PLD業界的Actel在此類應用產品中的市場定位。
Actel半導體産品行銷經理Martin Mason表示,汽車應用其實就像其他極端環境的應用一樣,對產品的穩定可靠極為重視。具備高度可靠性的元件是確保當今汽車系統各個功能都操作正常的關鍵。儘管該領域已有顯著的進步,但仍然存在許多工程上的權衡問題未有深入瞭解,這些都應列入先進數位電路的選擇考慮中。在選擇FPGA時,對其基礎技術作出評估非常重要,因爲元件的技術基礎對於汽車應用中FPGA的可靠性和適應性影響重大。
照片人物:Actel半導體産品行銷經理Martin Mason
例如,以 Flash和反熔絲爲基礎的非揮發性FPGA就比以SRAM爲基礎的FPGA有兩大根本性的品質優勢。前者的功耗非常低,有助於減少以SRAM爲基礎FPGA器件的電子漂移和熱散引起的可靠性問題。此外,SRAM FPGA器件的功耗和熱散大,會大幅縮短次微米級半導體元件的壽命。
此外非揮發性FPGA也不會出現因中子和阿爾法離子誘發的 SRAM擾亂問題,即固件錯誤。這些擾亂會導致FIT故障率 (109小時內出現的失效次數),而這個量級的故障率已超出業界的規範標準。如果能夠使用像Actel 這樣以提供任務關鍵産品見稱的FPGA供應商的器件,其優勢當然不言而喻,Actel且已致力於保證器件在極端環境條件下運行的高性能和高可靠性。
IP保障能力重要性提昇
隨著汽車電子越來越複雜,以及FPGA的使用越來越廣泛,FPGA的設計價值也越來越高。盜取知識産權 (IP) 和篡改FPGA設計已對汽車産業構成了重大的威脅。正當SRAM FPGA一般被認爲很容易被篡改,所需的專業技術和設備要求也很低時,非揮發性FPGA (如由Actel提供) 卻甚至比它們想要取代的ASIC技術更加安全、抵禦力更強。設計篡改可能包括更改引擎控制設置,這會對汽車的安全性及保修構成嚴重的後果。因此,設計人員在選擇FPGA時應考慮器件對整體系統成本的影響,同時又能提供更高的整體設計安全性。
與此同時,如果車載資訊通信系統要被用作面向某種付費服務 (如衛星無線電和定位服務) 的經授權裝置,那麽這個系統也極可能受到攻擊,而這也是系統設計人員特別擔心的問題。管理閘道訪問控制和用戶身份認證的系統一旦在簽權功能上失效,將成爲昂貴的衛星網路或其他成本不菲的無線通信基礎設施的一個巨大漏洞。這是高智慧駭客攻擊低價元件而導致通信網路簽權失守的情況。更重要的是,那些以付費服務作爲收入來源的系統將徹底失效,導致收入損失,甚至最終企業倒閉。
整合可編程混訊陣列的MCU─Cypress PSoC
長期以來,PLD所強調的可編程能力一直侷限在數位電路的部分,在類比方面,不是透過外加的分離式元件,就是PLD供應商在解決方案中嵌入實體化的類比或混訊電路。同樣的,即便是目前在車用市場佔據主流地位的MCU,也往往僅提供給用戶一組功能固定的混訊或類比功能區塊,例如在MCU中嵌入資料轉換器或是收發器。
在當今的車用電子元件市場中,Cypress的PSoC混合訊號陣列解決方案相當獨樹一格,因為在PSoC是一款以MCU作為核心,但卻具備可編程混訊陣列的解決方案。Cypress車用業務部常務董事David Zimpfer表示,透過可編程的混訊陣列,一枚PSoC元件可以擁有高達一百種不同的周邊功能,像是類比領域的資料轉換器(ADC與DAC)、放大器、濾波器、比較器,數位領域的計時器(Timer)、計數器(Counter)、PWM,以及各種像是USB、I2C、UART等等介面。
照片人物:Cypress車用業務部常務董事David Zimpfer
目前市面上的MCU多半也具備這些周邊功能,但與PSoC相較之下,一般MCU的週邊功能配置是由供應商定義的,而PSoC則是允許使用者擁有比較自由的配置彈性。David Zimpfer表示,透過可編程混訊陣列的協助,使用者得以視自己的設計專案需求去調整PSoC元件的週邊組態,因而能夠實現整合度更高的系統設計。除此之外,由於PSoC是一款以MCU為核心的解決方案,因此只要通曉C語言或組合語言就能完成韌體撰寫的工作,再搭配上Cypress提供的全圖形化開發者環境PSoC Express,更可以在節省BoM成本之外,降低時間成本。
電容感測應用改變汽車電子的操作模式
由於PSoC具備整合類比、混訊電路區塊的能力,因此使得PSoC元件在感測應用方面具有相當的競爭優勢。在眾多感測應用中,Cypress又特別看好電容感測為汽車電子操作模式帶來革命性改變的潛力。
David Zimpfer表示,在人機介面設計中採用電容感測技術來取代傳統的機械式可動開關,讓使用者可以直接以碰觸感測板、螢幕的方式來操作車上的電子配備。對於系統製造商或車廠而言,觸控式的人機介面可以減少系統中所使用的物料種類,並進而降低系統成本。再加上觸控式的人機介面在外觀上比傳統機械式開關來得更簡潔優雅,這對於消費者而言是很有吸引力的一種風格,因此人機介面的設計趨勢朝向觸控化發展,已經是大勢所趨。例如車用導航設備、車內照明、座椅控制、汽車音響等等。在這個觸控化的趨勢之下,PSoC的混訊整合能力對客戶而言最大的價值在於讓客戶可以捨棄以往採用Discrete的方式來實現的觸控系統。
其實,除了車內電子設備的操作模式之外,電容感測技術還有可能進一步改變駕駛人的駕駛方式,例如將車燈、方向燈,甚至是排檔控制都整合在方向盤上。事實上,對於觸控式人機介面而言,扣除擋風玻璃之外,幾乎任何一個平面都可以是開關的位置所在,端看車廠對於汽車座艙的設計偏好以及駕駛人安全考量而定。
Xilinx:專注於Infotainment系統核心
對於近來成為熱門話題的車用電子,在整體PLD市場中佔有率最高的賽靈思(Xilinx)也是來勢洶洶。繼去年底大動作宣佈成立車用電子部門之後,專為車用環境打造的XA系列FPGA與CPLD也陸續到位,讓PLD產業在汽車電子市場的競爭進入新的階段。
Xilinx亞太區行銷董事鄭馨南指出,FPGA在汽車市場最有利的切入點在於各種車載資訊系統,包含汽車狀態診斷、車距偵測、座艙聲控等等需要運算處理的應用。當然,最近很熱門的汽車多媒體影音系統或汽車電視等娛樂應用,也會帶來處理運算的需求。就工程的觀點來看,資料應用與娛樂應用的本質大致相當,也因此出現Infotainment這樣一個合體字。Xilinx在車用市場的策略重點也在於各種Infotainment應用,希望能讓FPGA作為Infotaiment系統中的核心處理器。
照片人物:Xilinx亞太區行銷董事鄭馨南
除了Infotainment之外,由於國際原油價格飆漲,加速了混合動力車種的商業化腳步。像是豐田、通用、朋馳等一線車廠,都已經開始銷售油電混合車款。鄭馨南表示,Xilinx相當看好PLD應用在混合動力車的發展前景,因為這類車款的架構比傳統車款更加複雜,需要透過更精確的演算法,視駕駛情況來配置汽車的動力來源。除此之外,由於混合動力車的商業化腳步才剛開始,短期間內不僅市面上ASIC或ASSP方案選擇很少,長期來看,由於車廠必須不斷調整演算法來追求更高的能源使用效率,因此可重複編程利用的FPGA肯定能在這種新市場中佔得一席之地。
不過,根據汽車市場現況,車用資訊娛樂系統或是混合動力車目前仍定位在高階市場,一般中低階或是國民車款基於成本考量,短期間內對於這類多功能的資訊娛樂系統需求可能還難以浮現。鄭馨南表示,從Xilinx已經獲得的Design In 成果來看,確實相當集中在高階車款,例如BMW大七系列、飛雅特的高階車款等等。將ASSP/ASIC與PLD做比較,鄭馨南認為,一方面FPGA確實在硬體成本方面較ASSP或是ASIC來得高,另一方面,要發揮FPGA的靈活彈性,需要有一支嫻熟於FPGA設計的研發團隊。因此,Xilinx現階段的產品出貨主要是出給歐美日的一線車廠,在亞洲乃至澳洲的汽車製造商的部分,則還需要一段耕耘期。
先播種才有收割的亞太市場
平心而論,雖然亞太區是電子業未來成長希望之所寄,但是在汽車電子部分,亞太區的產業鏈結構仍未臻成熟。鄭馨南指出,包含澳洲在內的整個亞太地區(扣除日本),汽車工業其實還不甚發達,特別是在設計這個部分,亞太區車廠的研發實力距離歐美日的車廠都還有一段距離。因此現階段要討論FPGA供應商直接和亞太區車廠洽談業務還有些言之過早。
但是這並不代表FPGA供應商可以對亞太市場掉以輕心。因為在未來兩到三年內,韓國車廠很有可能就會從大眾市場跨足到高階市場。這意味著高階FPGA可以揮灑的空間將比現在擴大不少。如果要抓住這份商機,供應商現在就開始向車廠進行推廣教育,因為FPGA的使用技術能力要建立起來是要花不少時間的,等到市場成熟才進去恐怕為時晚矣。
事實上,Xilinx近來已經開始在研討會或技術講習課程中,與在汽車電子產業有豐富經驗的第三方合作夥伴一同針對特定應用開設課程,協助工程師建立起利用FPGA進行車用電子系統設計所需的基礎知識。
Altera看好售後市場潛力 積極耕耘
相對於Xilinx現階段將策略重點放在一線車廠,PLD市場上排名第二的Altera現階段對售後市場(After Market)相當看好。Altera亞太區行銷總監梁樂觀表示,亞太區的汽車產業鏈雖然在下游車廠這環較為薄弱,但中游的模組設計製造能量已經具有相當規模。這些客戶或是替車廠生產零組件,或是攻售後市場,對Altera而言都是現成的機會,並不見得要拘泥於直接與車廠合作不可。
梁樂觀認為,亞太區的汽車電子市場固然成長力道可觀,但市場發展有其階段性,原裝市場應該是亞太地區汽車電子產業發展的下一步,Altera除了會先以針對性的應用解決方案佈局等待此一市場之外,更積極的一個面向就是在汽車電子產業鏈的中游模組廠部分努力。
照片人物:Altera亞太區行銷總監梁樂觀
專攻售後市場的汽車電子產品,從某些角度來看,跟一般的消費性電子產品其實是有些相似的。像是最近很熱門的汽車電視,其實就是消費性電子在車用市場的延伸。這類產品是兩岸電子業的拿手好戲,而且與應用在其他領域的汽車電子元件或系統相較之下,這類產品的元件雖然也必須通過汽車產業的標準測試,但畢竟不是涉及人身安全或引擎控制等環節,因此標準不會那麼嚴苛。
梁樂觀說:「表面上,汽車電子雖然毛利很高,但是背後要負擔的成本也是相當驚人的,特別是在與車廠合作時,除了產品的可靠度與安全性要求高,以及嚴苛的認證過程所帶來的成本支出之外,還有一點是元件供應商蠻容易忽略的,那就是高額的產品意外責任險保險金。」
汽車電子門檻高 求廣不如求專
站在元件供應商的立場,要進軍汽車電子市場必須精算的成本支出還有很多,像是汽車電子的元件供應商必須保證產品能持續供貨至少10年,期間不得以產品生命週期結束為由停止供應,因為汽車製造商售出的產品還有後續維修保養備料的需求。如果不是對市場有相當的熟悉度,或是做好相當準備,貿然投入的結果大概很難為公司創造利潤。其實,在汽車電子這個領域多的是產品毛利超過100%,但仍難逃虧損命運的公司。
在汽車電子領域,挑選一個有利基的應用領域去深耕是很重要的,Altera目前對於汽車電子市場的策略也是如此,例如車內娛樂系統與Telematics應用,是FPGA最有發展潛力的一環,也是Altera目前將全力搶攻的應用市場。
尋求利基的操作策略顯然已成共識
從上述幾家PLD的主要供應商的策略與產品組合來看,在消費性電子、通訊等領域可以千變萬化的PLD,在汽車領域中反而帶有些專門應用導向的色彩,這是一個相當有趣的發展趨勢。不過,跟已經廣泛應用十多年的MCU相較之下,PLD解決方案進軍汽車產業的時間仍短,供應商採取摸著石頭過河的謹慎策略,也就不令人意外了。
但是將時間軸拉長來看,亞太區汽車工業的兩大重鎮─韓國和中國,隨著產業發展得更為成熟,在未來三到五年內勢必從價格導向轉向規格導向,這對於PLD而言,將帶來可觀的商機。也就難怪這些PLD大廠從現在開始就積極卡位了。像Actel、Cypress正在亞太地區投入更多資源,積極招兵買馬中,預計將在未來幾年內增加不少業務、行銷和技術工程師。而PLD市場兩強Xilinx與Altera,則是試圖結合第三方夥伴的力量,直接提供給客戶從IP到矽元件,甚至更後段的系統設計統包的一站式服務。
簡而言之,汽車電子在亞太的崛起尚待時間醞釀,但這PLD群雄從現在開始便已經積極卡位,以求在市場爆發初期搶佔有利的競爭地位。