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开辟半导体新蓝海市场 智能车引爆多元升降平台元件需求

作者:丰淳油缸 来源:新电子   日期:2016-06-21 21:46:15 人气: 标签:半导体 开辟

  车联网风潮扩大蔓延,让各种车用升降平台元件更加受到产业界重视。随着智慧车不断提升联网及安全功能,包括感测器、MCU、DSP、FPGA,以及各种无线通讯、雷达,甚至是非挥发性记忆体,需求皆将明显增温。

  汽车运输业因各国节能减碳、道路安全等政策推动,可望成为2015年物联网应用的前三大垂直产业之一。

  智慧汽车市场热烧 挹注车用升降平台需求

  以成长率来估算,汽车业将是成长最快的物联网应用,2015年市场成长率可望高达96%。以2014年全年来看,由于高阶和平价新车款采用的升降机数量皆稳定增长,车用升降机市场产值已达217亿美元,较2013年提升15%。

  近年物联网兴起而推动的数位技术变迁,加上云端、行动、社群与资讯等“力量的连结(Nexusof Forces)”,预期2015年将驱动智慧汽车产业大幅成长。未来的智慧车系统,系统里的车辆能直接即时互相通讯,遇到交通误点事件也能向驾驶显示预先警告,或者允许一位驾驶同时控制多部车辆,也能引导车辆绕过危险的道路状况等。

  以上这些都属于“智慧化运输”的概念。虽然智慧型手机应用程式(App)能够显示交通壅塞的通知,但从交通开始壅塞到驾驶接获通知,中间必然存在时间误差。

  而未来的汽车对汽车(Vehicle-to-Vehicle,V2V)和汽车对基础设施(V2I),都能够让车辆间可以直接通讯,而且只有少许的时间延迟,即使事件仅发生在数百公尺的远方,也能够即时警示驾驶人,引导驾驶人可以预先获知资讯改道,并且顺利前往目的地。

  各国政策与消费者意向均带动了智慧化运输之资通讯服务(Embedded Telematics Services)的需求(表1)。

  通讯/半导体科技结合 推动ADAS市场成长

  随着各国通讯基础建设逐渐成熟,以及射频(RF)半导体技术的精进,车载资通讯半导体供应商也加紧开发从Sub-GHz~79GHz以上(5G mm Wave等频段的元件,如图1),其中5G毫米波(mmWave)具有超快速反应移动性(Mobility):~350Km/h、低延迟:~20msec,且稳定度超高(Data ErrorRate:~10-9);定位系统精确度也提升至误差少于0.1m。而最重要是可应用超低价感测器与低成本建构的基础建设。

  用在智慧装置惯性元件(Inertial)、制动器(Actuator)等之低成本半导体制程,也进展得十分快速,而且有带动车规半导体相关应用加速之趋势,如汽车中应用相当多的升降平台控制单元(ECU),分别在各汽车系统中扮演重要角色,例如动力总成、车身控制、车载资讯娱乐等,因此未来智慧车的半导体市场可望维持稳定成长。

  此外,各国政府日益重视环保与交通安全,在政府明订车辆安全法规以及消费者需求的带动下,例如北美法规要求配备倒车摄影机,预防驾驶从车库或停车场倒车时不小心伤害行人(尤其儿童)安全。类似的安全法规未来预期也将用于规范汽车先进驾驶辅助系统(ADAS)。

  未来智慧车辆还可建立起V2V网路,也可与道路交通监控站建立起V2I网路;透过交换方位、速度和位置等匿名的车辆资料,V2V允许车辆运用其他车辆的相对方位,侦测来自360度方位的风险与危机(例如360度3D Around View Monitor System等),在计算风险之后对驾驶人发出建议或警告,或者直接采取预防行动,以避免或减轻撞击伤害。

  V2I通讯为车辆与高速公路基础设施之间,以无线方式交换重要的安全和运行资料,主要用于避免或减轻车辆的撞击。V2I通讯可将路网(Road Networks)转换成智慧型基础设施,透过演算法的整合,运用车辆及基础设施之间的资料交换来执行计算,事先辨识出高风险的状况,接着再藉由特定的反制措施来提醒或警告驾驶人。

  此外,汽车并得以自动感知周遭的交通状况,如果驾驶人在开车期间分心,智慧系统将能建议正确的驾驶行为,或完全掌控状况。

  ADAS系统的V2I功能亦能提供许多其他的安全性、移动性和环保等附加优势,同时提升长途驾驶人之舒适度。ADAS所采用之传感技术包含摄像系统(Camera)、雷达(Radar)、声纳(Sonar)、红外线(IR)及光达(Lidar)等。ADAS之传感技术全球市场产值预测如图2所示。

  联网/安全需求将加速 推动先进车规半导体应用

  智慧车系统基本须具备“联网”与“安全”功能,因此带动全球的汽车嵌入式资通讯联网服务(Embedded Telematics Services)市场,预期全球市场需求至2020年的年复合成长率(CAGR)将超过20%,其中,资讯娱乐系统应用在车用记忆体解决方案的市场中,占了最高的比重;而2015年之后于安全驾驶和环保应用也有呈指数成长的潜力。

  预期到2017年全球将有60%的新车加入“联网”行列,这些汽车都能直接连线外部网路,存取并处理各种资料。汽车将透过云端运作,存取车内和外部资料,而这些应用程式都需要记忆体(RAM/OTP/eFlash等)。

  在2020年以前,智慧汽车产业将持续在物联网半导体需求方面持续扮演着重要角色,并推升嵌入式记忆体(eNVM)MCU、新兴的5G毫米波通讯、MEMS传感器、Wi-Fi/蓝牙(Bluetooth)/GPS多功能组合晶片(Combo Chip)、WiGig射频、汽车雷达Radar/ITS、类比前端模组(Front End Module)、类比混合讯号(Analog Mixed-signal)等车规半导体出货量(图3)。

  其中,基于各国行车安全规定,再加上市场对汽车便利与无人驾驶功能的需求,逐渐带动汽车中新型半导体元件的大量需求,连带地汽车记忆体的重要性也将大幅攀升。

  2015年之后,“联网”与“安全”驾驶市场的记忆体成长率或将快速超越资讯娱乐市场应用之记忆体。除了各种资讯娱乐之外,安全性及环保App,也使得专属的记忆体装置对于汽车来说越来越重要。

  未来随着ADAS与V2V通讯应用快速发展,汽车升降平台系统须处理的资料量正与日俱增,不仅需要更高效能的处理器或微控制器(MCU),亦须搭配高容量密度且低功耗的先进记忆体方案,方能达到最佳运作效能。

  记忆体解决方案对于联网汽车极为重要,因为记忆体内储存了ADAS、资讯娱乐和环境系统函式所有的基本程式码,以及所有参数和处理的资料。因此,解决方案必须具备最高等级的可靠性、高密度、高速和高效能,还有低耗电量。

  在许多新应用的频宽需求带动下,4Gb以上密度的第三代双倍资料率(DDR3)记忆体等高效能动态随机存取记忆体(DRAM),也有需求不断上升之现象。现今已经普遍用于微控制器晶片内的DRAM,已经不足以支援汽车应用、软体和多媒体资料的储存需求,因此,还必须需要专属的DRAM和快闪记忆体元件。

  管理型NAND装置(如eMMC记忆体)和高密度管理型NAND装置(如SSD)拥有全新的特色与功能,将为联网汽车的记忆体应用注入新动力。ADAS系统与智慧型车辆通讯网路类似,须仰赖各种不同的升降平台技术而运作;除了感测器,举凡讯号处理元件和影像辨识引擎等应用,均会占用大量记忆体,使得挥发性和非挥发性记忆体的需求呈现爆炸成长。

  非挥发性记忆体的需求不断提升,因为可用来储存安全认证。V2I和V2V应用本身即能透过无线连线存取,因此可能会遭到窜改或破解,采用认证的通讯方式,则可以化解这项最主要的疑虑。

  而为了储存安全认证,防止无线连线遭到窜改,对于高密度(1G~4GB)内建Flash NAND的需求也随之兴起;其中,单层式储存(SLC)NAND Flash是最理想的选择。对于需要4G~6GB储存空间的应用来说,嵌入式多媒体记忆卡(eMMC)模组则是最适合的选择。

  而诸如三维(3D)地图、路况监控和气象报告,以及汽车收音机、紧急救援系统(eCall)和语音辨识之类的导航与资讯娱乐应用等,也全部都需要大容量的非挥发性记忆体,其中eMMC记忆体由于采用了管理型NAND架构可以大幅地降低中央处理器(CPU)的负载,因此也是最为适合这些应用类型。

  车用eMMC嵌入式记忆体架构另采用特殊功能,以达到汽车产业的需求,例如eMMC封装包含专用的测试板,可用于故障分析。

  使用这些测试板,测试系统就能直接存取模组内的NAND元件,而不用透过控制器传送资料,也得以针对整个记忆体组进行全面且完整的检查。汽车eMMC装置其他的主要优点,包括电力中断保护和智慧功能,可选择在现场完成韧体更新,于每次须要升级时替系统节省成本。

  以美光(Micron)的eMMC记忆体解决方案为例,其整合式的16位元NAND控制器不只可处理更沉重的管理负载(相较于独立型NAND元件),同时也将记忆体最佳化。未来NAND控制器将提升至32位元,甚至可能嵌入在eMMC模组内。过去高阶车款所采用的记忆体元件平均价值约为12.8美元,低价车款约为2美元;而以现阶段来看,某些配备完整的高价车款所采用的记忆体元件已经达到100美元以上的价格。

  此外,未来随着5G毫米波技术进展,V2V、V2I等通讯将更为成熟。而先进微控制器(MCU eNVM/Flash)/数位讯号处理器(DSP)/现场可编程闸阵列(FPGA),再搭配无线传感器网路(Wireless Sensor Network)等应用,来达成远程监测(Remote Monitoring)也是未来可能发展的趋势。

  存取车内和外部资料的应用程序,带动了联网汽车的发展,而这些都将需要下世代5G/毫米波技术,将开辟新的使用案例和应用程序。如图4为下世代5G毫米波之一种范例电路架构。

  抢进新蓝海市场 半导体商力攻车规方案

  因为全球新兴的5G通讯毫米波技术发展,汽车升降平台元件对于更高频宽的需求正不断成长中。转型中的智慧汽车升降平台元件之半导体,可归纳为两大市场,法规强制安全系统的半导体需求,以及半自驾和全自驾车的车用半导体需求。

  而车用雷达就是其中一种重要解决方案组成之一,但是该解决方案的系统有下述技术要求,比方说更多的雷达节点(前方、侧方和后方),更高层次的整合度(与车载MCU和DSP、FPGA等整合)。

  据了解,现阶段在汽车雷达市场当中,主要可以分割成几种主要的应用,包含24GHz短距雷达(Short Range Radar,SRR)、79GHz短距雷达,以及77GHz长距雷达(Long Range Radar,LRR)等。

  能跨越车规门槛之供应商才可望进入此新蓝海市场,如表2所示为下世代5G/毫米波技术之全球供应生态系。

  另外,针对下一代的5G无线技术,车用市场需求将是追求高频宽、短距/中距离通讯,以支持高传输数据速率内容。

  其中包含免压缩之高解析视频(HD Video)、周边物联网装置(IoT Device)元件,以及其他相关机器对机器(M2M)应用。

  5G将会带来新的网通/装置或元件讯息之管理方法与分析(Analytics),包括脉络讯息处理(Contextual Processing)、云计算(Cloud Computing)及传感器网路。

  其中,通讯架构之创新将在元件成本和效能方面担纲重要影响角色,其中性能方面须特别注意干扰(Interference)、失真(Distortion)和负载错配(Load Mismatch Handling)的处理等。

  供应商要进入市场决胜之关键在于能否在时限内,提供差异化的射频效能,以及射频应用的全频谱。

  此外,为了真正能够达成设计实现,也将更为需要丰富的矽智财生态系统(IP Ecosystem)来降低风险与客制化支持。比方如表3所示,为智慧车用半导体之矽智财使用范例。

 

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