電動(dòng)、智能車載及工業(yè) 4.0，成下個(gè)明星產(chǎn)業(yè)
推升智能車的另一個(gè)潮流就是電動(dòng)車的出現(xiàn)，由特斯拉在近幾年帶動(dòng)的插電電動(dòng)車風(fēng)潮席卷了全球，其訴諸的節(jié)能減碳，綠能運(yùn)輸更是人類產(chǎn)業(yè)未來(lái)必走的路。近期減緩氣候變遷與支持低碳經(jīng)濟(jì)是全球一致的目標(biāo)。
除了汽車應(yīng)用外，另外一個(gè)未來(lái)產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)為工業(yè) 4.0。帶入先進(jìn)的感測(cè)、聯(lián)網(wǎng)等智能技術(shù)進(jìn)入傳統(tǒng)工廠內(nèi)，期待提高效率與質(zhì)量。目前德國(guó)與日本都將工業(yè) 4.0 視為下一代發(fā)展制造工業(yè)的目標(biāo)。在工業(yè) 4.0 預(yù)定目標(biāo)中，透過(guò)機(jī)器對(duì)機(jī)器（Machine to Machine，M2M）的控制，智能工廠能實(shí)時(shí)（Real-time）自行管理生產(chǎn)鏈、物流與操作程序，互相整合的系統(tǒng)在機(jī)器、資產(chǎn)、操作程序與物料之間建立起互動(dòng)的橋梁，智能機(jī)器與裝置可利用校正程序，避免意料外的失誤，讓無(wú)效率的停機(jī)時(shí)間成為過(guò)去。
而要發(fā)展智能汽車或是工業(yè) 4.0，共同特性都是透過(guò)資通訊技術(shù)讓反應(yīng)自動(dòng)化，能否實(shí)時(shí)處理事件是非常重要的關(guān)鍵因素，其中智能汽車或是未來(lái)的自駕車，更是牽涉到人們生命安全，對(duì)于可靠性與處理突發(fā)狀況的能力更是極端要求，在此之下，現(xiàn)行的 LTE-A 或是 LTE-A Pro（4G）處理此類需求恐力有未逮，故信息通訊業(yè)者期待透過(guò)制定 5G 中全新一代的通訊標(biāo)準(zhǔn) IMT-2020，把人類的夢(mèng)想進(jìn)一步化為可能。
車用通訊需求兩大特性
3GPP 已經(jīng)在今年發(fā)表了俗稱第五代移動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn) IMT-2020 準(zhǔn)備時(shí)程，將使用于 Release-15、Release-16 以及后續(xù)相關(guān) 5G 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中。第一個(gè) Release-15 版本將于 2018 年 9 月完成，主要為了滿足較急迫的商業(yè)需求，尤其是在 2020 年?yáng)|京奧運(yùn)時(shí)商轉(zhuǎn)；而第二個(gè)版本將于 2020 年 3 月完成，稱為 Release-16，將滿足 IMT-2020 提出的目標(biāo)和所有可辨識(shí)的用例與需求。同時(shí) 3GPP 也公布了代表 5G 的識(shí)別圖案（logo）。
IMT-2020 確立了三大應(yīng)用領(lǐng)域，分別是加強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile BroadBand，eMBB），大規(guī)模機(jī)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(xiàn)有4G（LTE-A）延續(xù) 3G 早已有的移動(dòng)寬帶技術(shù)，如目前 iPhone 7 具備三個(gè)聚波載合（Carrier Aggregation，CA）并且在 3GPP Release-13 定義了專為機(jī)器通訊的規(guī)格，例如物聯(lián)網(wǎng)的 Cat-M 或是 NB-IoT，只有 URLLC 為傳統(tǒng) 3/4G 所沒(méi)有的新興應(yīng)用領(lǐng)域，廣義而言，其也屬于機(jī)器通訊的一種，只是相較于現(xiàn)行 4G 的規(guī)格，其應(yīng)用于汽車或是工業(yè)使用等關(guān)鍵領(lǐng)域，與傳統(tǒng)現(xiàn)行物聯(lián)網(wǎng)專注于超低成本與超低功耗完全不同，可說(shuō)為 5G 規(guī)格中相當(dāng)重要的亮點(diǎn)。
針對(duì)上面的車用或是工業(yè)用的需求，IMT-2020 的 URLLC 規(guī)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聯(lián)機(jī)的時(shí)間，讓智能汽車或智能工廠能有更充裕的處理由傳感器所傳來(lái)的信息。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前 4G 系統(tǒng)在通訊延遲時(shí)間上都遠(yuǎn)超過(guò)此數(shù)值，臺(tái)灣電信系統(tǒng)在最糟的情況需要 4X ms，而美國(guó)電信系統(tǒng)因?yàn)榉鶈T廣大，甚至有 2XX ms 的紀(jì)錄。現(xiàn)行被采用為車載通訊（Dedicated Short Range Communication，DSRC）間技術(shù)之一的 IEEE 802.11p，雖然為 WiFi 架構(gòu)的一種，但其主要修改要點(diǎn)就是縮短 WiFi 之高延遲特性，降低通訊傳遞的時(shí)間。
除了縮短處理時(shí)間之外，汽車業(yè)攸關(guān)人命安全，本田汽車創(chuàng)辦人本田宗一郎（Soichiro Honda）曾說(shuō)：“交通工具與人命相關(guān)，從業(yè)員工需要有強(qiáng)烈的責(zé)任感，不負(fù)責(zé)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(gè)貨就可以解決；但我們公司的產(chǎn)品如果有瑕疵，后果會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。”故在 URLLC 規(guī)格上面，可靠性（Reliability）與可處理突發(fā)狀況都是不可或缺的規(guī)格，確保收到與處理訊息的裝置錯(cuò)誤率都必須盡可能降低。
會(huì)妨礙訊息傳輸可靠性的原因常見(jiàn)有三：訊息遺失、訊息錯(cuò)誤或訊息傳輸太晚到達(dá)。前兩者需要更多容錯(cuò)設(shè)計(jì)，而確保訊息在時(shí)限內(nèi)抵達(dá)則需要重新設(shè)計(jì)電信系統(tǒng)架構(gòu)。在 5G URLLC 設(shè)定可靠性目標(biāo)中，可靠度如以機(jī)率表示，累積分布函數(shù)（Cumulative Distribution Function，CDF）需要達(dá)到 99.9999% 以上，才足以達(dá)到車用安全標(biāo)準(zhǔn)。
工規(guī)電子零組件的三大認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)
既然是目標(biāo)為車用的通訊，當(dāng)然車用電子也需要滿足車用規(guī)范。目前在車用電子必須通過(guò)三大規(guī)范，分別是代表質(zhì)量管理系統(tǒng)認(rèn)證的 TS 16949，安全性認(rèn)證的 ISO 26262 以及可靠度驗(yàn)證的 AEC Q100/101/200。整個(gè)車用電子零件分為三大類別，包含 IC、離散半導(dǎo)體、被動(dòng)組件三大類別，為了確保這些汽車電子零組件符合汽車安全的最高標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)汽車電子協(xié)會(huì)（Automotive Electronics Council，AEC）系以微控制器與集成電路等主動(dòng)零件為標(biāo)的，設(shè)計(jì)出一套標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q100；而針對(duì)被動(dòng)組件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)為 AEC-Q200，其規(guī)范了被動(dòng)零件所必須達(dá)成的產(chǎn)品質(zhì)量與可靠度。
AEC Q100 規(guī)范了在車用的芯片必須通過(guò)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。由于車用必須在各種極端環(huán)境下都能夠確保人命安全，而汽車使用環(huán)境可能從迪拜密閉空間高達(dá) 120℃ 到西伯利亞的 -30℃。除了溫度外，也規(guī)定了如操作時(shí)間（Operation Life Test，OLT）、讀寫次數(shù)等許多可靠性測(cè)試種類，車用電子通訊都必須能夠通過(guò)等此類環(huán)境考驗(yàn)。有了可靠性才有過(guò)安全性認(rèn)證 ISO 26262 的可能。
另一個(gè)確保可靠性的標(biāo)準(zhǔn)就是 TS 16949。質(zhì)量管理是所有汽車廠商的命脈，對(duì)于傳統(tǒng)信息通訊廠商而言，效能與成本是最重要的考慮點(diǎn)，但在車用環(huán)境，質(zhì)量管理重要性遠(yuǎn)勝效能與成本。因?yàn)橐慌_(tái)車可能高達(dá)一萬(wàn)多個(gè)零組件，在又要確保整車無(wú)故障率情況下，對(duì)于每個(gè)零組件生產(chǎn)時(shí)的良率要求非常嚴(yán)格。對(duì) 5G 的 URLLC 而言，使用的遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)（Telematics）通訊組件的質(zhì)量要求，遠(yuǎn)大于現(xiàn)行常見(jiàn)裝載于車內(nèi)影音上網(wǎng)系統(tǒng)（Infotainment），其生產(chǎn)質(zhì)量目標(biāo)與其他車用安全零組件一樣要求零缺失（Zero Defect/Failure）。各車廠對(duì)于半導(dǎo)體芯片的制造都有詳細(xì)流程，來(lái)區(qū)別其他消費(fèi)性芯片的流程。
為了達(dá)到整體高可靠性，除了在生產(chǎn)制造初期達(dá)到的完全無(wú)缺失外，交車給終端消費(fèi)者后，也要注意正常使用下遇到妨礙可靠性的因素。像是噪聲與輻射帶電粒子會(huì)造成半導(dǎo)體判斷錯(cuò)誤，導(dǎo)致不可預(yù)期狀況。以內(nèi)存為例，在資通訊產(chǎn)品中已屬于最高可靠標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器，根據(jù) Google 對(duì)自家服務(wù)器的統(tǒng)計(jì)，每年卻高達(dá)三分之一會(huì)發(fā)生可復(fù)原的內(nèi)存錯(cuò)誤，而無(wú)法復(fù)原的錯(cuò)誤發(fā)生率則為百分之一。雖然目前傳統(tǒng)通訊與服務(wù)器當(dāng)中使用了錯(cuò)誤更正碼（Error Correcting Code，ECC）來(lái)解決此錯(cuò)誤發(fā)生原因，但在車用環(huán)境需要更高標(biāo)準(zhǔn)，以降低所有出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。而在 5G URLLC 的規(guī)格發(fā)想中，雖然低延遲和高可靠性的要求都會(huì)降低系統(tǒng)容量（Capacity），但透過(guò)更寬的頻譜使用，可彌補(bǔ)此減少的差距。
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車規(guī)制造與設(shè)計(jì)技術(shù)
為了達(dá)到可應(yīng)用在車用的環(huán)境，除了上述對(duì)于質(zhì)量制造的控管外，由于汽車的使用年限遠(yuǎn)較消費(fèi)性產(chǎn)品長(zhǎng)，其對(duì)于零組件供應(yīng)時(shí)期甚至高達(dá)三十年。在嚴(yán)格的規(guī)范和供應(yīng)年限要求下，零組件供貨商通常都得靠自有制造廠，才能得到汽車業(yè)者客戶的認(rèn)同。為了防止運(yùn)作錯(cuò)誤而使用 ECC 作為容錯(cuò)設(shè)計(jì)，在 5G URLLC 中，大規(guī)模天線數(shù)組（Massive MIMO）便在其中扮演關(guān)鍵角色。透過(guò)空間分歧（Space Diversity）接收多個(gè)傳輸數(shù)據(jù)流，可以防止幾個(gè)通訊失效。而運(yùn)作在車內(nèi)的基頻芯片同時(shí)搭配的 DRAM 也將具備 ECC 功能，目前 DDR4E 與 LPDDR4 都已經(jīng)可以看到內(nèi)建 ECC 功能的產(chǎn)品。而儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的非揮發(fā)內(nèi)存（Non-Volatile Memory，NVM）也需要具備此功能。
根據(jù)三星在 JEDEC 提出的報(bào)告，如果使用（72,64）編碼（Code Rate），芯片面積約會(huì)增加 11.5% 成本。而如果使用（136,128）編碼，芯片面積約只增加 6.5% 成本，差別在于（136,128） 只能更正一個(gè)位的錯(cuò)誤，而（72,64）除了可以更正一個(gè)錯(cuò)誤外，還可偵測(cè)兩個(gè)位的錯(cuò)誤。由于車規(guī)超嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其對(duì)成本的容忍度也遠(yuǎn)較于消費(fèi)性產(chǎn)品為高，未來(lái)將可以看到更多具備 ECC 功能的車用電子芯片問(wèn)世。
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