参考資料

ゾーン・アーキテクチャによって実現する完全なソフトウェア定義の自動車

Peter Aberl
Embedded Processing Field Application Engineer
Automotive Central Europe Sales and Marketing
Texas Instruments
Stefan Haas
Embedded Processing Field Application Engineer
Automotive Central Europe Sales and Marketing
Texas Instruments
Arun Vemuri
Sector GM
Body Electronics and Lighting
Texas Instrumentsはじめに概要

エレクトロニクスは、過去数十年にわたって車載システムのイノベーションに重要な役割を果たしてきました。新しい半導体

このホワイト・ペーパーでは、ソフトウェア定義自動車への移デバイスと新しい機能の誕生により、自動車の機械的システ行について検討し、ゾーンの電気 / 電子 (E/E) アーキテクチャ

ムで実現される機能が強化されてきました。

への移行によって、パワー・ディストリビューション、センサとアクチュエータ、データ通信の課題がどのように解決されるかに半導体ソリューションとエレクトロニクスは、自動車のエレクトついて説明します。

ロニクス分野で重要な役割を果たし続けており、今後の自動車分野での革新は、従来にもまして、ソフトウェアの革新と統合により特徴づけられることになるでしょう。ソフトウェア・アー

パワー・ディストリビューションの課題と解決策

1

キテクチャのこのような変化は、関連するハードウェアや半導体のソリューションの開発によって可能になったものです。

新しいゾーン・アーキテクチャが車載用パワー・ディストリビューションに及ぼす影響について検討します。

E/E アーキテクチャの課題の克服
今日の E/E アーキテクチャは、主にドメイン・アーキテクチャをスマート・センサとアクチュエータの課題と解決策2採用し、電子制御ユニット (ECU) を編成して、パワートレイン・物理的と論理的の I/O 機能の分離と、センサやアクドメインなど特定のドメインにまとめます。これに対して、ゾーチュエータへの影響について解説します。

ン・アーキテクチャは、すべてまたは多くのドメインの機能を、自動車の中での場所 (ゾーン) に基づいてグループ化します。

データの課題と解決策

3

自動車の機能をグループ化するドメインとゾーンの方法を、図必要なデータ・タイプの混在と、通信のセキュリティを維持しながらそれらのデータを共存させる方法について学びます。

1 に示します。車両コンピューティングと呼ばれる、中央演算ノードを含むゾーン・アーキテクチャの詳細なビューを、図 2に示します。

図 1. ドメイン・アーキテクチャとゾーン・アーキテクチャとの比較。

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2April 2023図 2. センサ、アクチュエータ、ゾーン・モジュール、中央演算ノードを示す、自動車の代表的なゾーン・アーキテクチャ。

ドメインからゾーン・アーキテクチャへのこの変換により、センゾーン・アーキテクチャによって劇的な改善が可能性になる一

サとアクチュエータを集中型の車両コンピューティング・ノード方で、パワー・ディストリビューション、センサとアクチュエーから独立できます。すなわち、ハードウェアとソフトウェアの更タ、データ・プレーンのトポロジの分野に課題もあります。パワ

新サイクルが別でも問題ないし、車両のいくつもの設計サイクー・ディストリビューションは、集中型の実装から、ゾーン・モジルにおいて、同じセンサとアクチュエータの設計を使用してもュールに含まれるスマート・ヒューズを使用する非集中型の実かまわないということです。さらに、ゾーン・アーキテクチャを装に移行します。センサとアクチュエータは、スマートなものに採用すると、ECU の数とケーブルの長さが減少し、車両のアなります。制御ループを含む一部の機能がゾーン・モジュールーキテクチャ、および関連するシステム検証作業が簡素化さに移行することで、信号ベースの通信と比べてサービス・ベーれます。

スの通信を増やせるようになります。最後に、データ通信は高速ネットワークを経由して行われ、新しい物理層 (PHY) がさ

ゾーン・アーキテクチャにより、OEM は、ワイヤレス更新によまざまなデータ・タイプを送信します。

る高レベルのソフトウェア保守、ファームウェアのワイヤレス(FOTA) 更新、常時オンのクラウド接続、新機能の実現、自律パワー・ディストリビューションの課題と解決策運転などの機能の改善といった、より細かい制御を行うことがバッテリは、自動車全体に分散している ECU のほとんどに電できます。また、これによって OEM はリアルタイム制御ルー力を供給する必要があります。ドメイン・アーキテクチャでは、プをゾーン・モジュールに移行するなど、サービス・ベースのソ

図 3 に示すように、溶断ヒューズとリレーで構成されるパワフトウェア構造に移行できます。さらに、ゾーン・モジュールをー・ディストリビューション・ボックスがこの電力を分配します。

使用すると、より最適化されたパワー・ディストリビューション・トポロジを実現でき、使用されていないモジュールの電源をオフにすることもできます。これは、バッテリ駆動の電気自動車やハイブリッド電気自動車で特に有利です。

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図 3. 溶断ヒューズと機械式リレーを搭載した代表的なパワー・ディストリビューション・ボックス。

パワー・ディストリビューション・ボックス内の溶断ヒューズに

パワー・ディストリビューションの分散化

は、車内の各種のワイヤ・ハーネスと負荷をサポートするため

ゾーン・アーキテクチャでは、ゾーン・ゲートウェイを使用して、に、さまざまな時間電流特性 (TCC) があります。このボックス

ゾーン内のスマート・センサ、アクチュエータ、ECU にデータをは、ヒューズを簡単に交換できるように、車両内のアクセスし分散し、集中型コンピューティング・モジュールとの通信のたやすい場所に配置されています。

めデータを統合します。これらのゾーン・データのゲートウェイ

図 3 では、パワー・ディストリビューション・ボックス内の半導は、ゾーン内のモジュールに電力を分配することもできます。

体が示されていませんが、OEM がこれらのディストリビュー

たとえば、単一の電源ハーネスをバッテリからゾーンに配線するとき、そのゾーン内のゾーン・モジュールはそのゾーン内ション・ボックスをアップデートし、半導体に置き換えます。リレのモジュールに電力を分配します。図 2 には、この概念も示

ーは半導体のハイサイド・スイッチに置き換えられ、入出力制
御ラインはコントローラ・エリア・ネットワーク (CAN) やローカされています。ここでは、ゾーン・モジュールがそのゾーン内

ル相互接続ネットワーク (LIN) トランシーバなどの通信インタのモジュールに電力を分配します。つまり、ゾーン・モジュー
ルには、電力の分配に必要な、関連するヒューズやリレーがーフェイスに置き換えられています。

含まれています。

半導体ベースのパワー・ディストリビューション・ボックスを使このパワー・ディストリビューション方式の利点は、集中型の用するのは、診断機能の拡張、フォルト保護機能、リセット可

パワー・ディストリビューションに必要なハーネス配線の長さと能なヒューズ、小型フォーム・ファクタの設計、ハーネス・ワイ比較して、バッテリから各ゾーンに配線されるパワー・ハーネ

ヤの重量低減など、多くの目的があります。

スの長さが短くなることです。パワー・ハーネスの長さが減少

OEM がゾーン・アーキテクチャを実装する際に、システム設することで、重量とコストを低減できます。

計者はパワー・ディストリビューションの分散化と、溶断ヒュー分散型パワー・ディストリビューションの課題の 1 つは、ゾーズを半導体ヒューズに置き換えるという 2 つの追加事項を考

ン内の負荷に関係なく、あらゆるゾーンで動作するパワー・デ慮して、パワー・ディストリビューションを再考します。

ィストリビューション・ボックスを設計することです。これにより、設計コストが低減するほか、在庫管理も軽減できます。半導体マイコン (MCU)、ハイサイド・スイッチ、トランシーバを含むスマート・パワー・ディストリビューション・ボックスを使用す

ゾーン・アーキテクチャによって実現する完全なソフトウェア定義の自動車

4April 2023

ると、そのゾーンの負荷に合わせ、ソフトウェアを使用してハ溶断ヒューズを半導体ヒューズに交換するードウェアを構成できます。

標準の溶断ヒューズは、大電流が通過すると溶けて、電流を遮断します。図 4 に示す TCC 曲線は、この溶断の動作の特性を示すものです。

図 4. Littlefuse マイクロヒューズの TCC 曲線。

接触抵抗、空気温度、電流過渡など多くの要因が、ヒューズハイサイド・スイッチは電流をクランプするか、自身を開放するの特性に影響を及ぼします。これらの要因により、システム設かを行い、下流のワイヤ・ハーネスと負荷を保護します。ハイ計者は公称動作電流、動作温度範囲、突入電流、電流過渡

サイド・スイッチに I2t 機能を追加すると、スイッチは通過する形状に基づいて、ヒューズの公称溶断点 I2t (アンペアの 2電流に応じて異なるタイミング (具体的には電流の 2 乗) で開乗 / 秒) 定格をディレーティングします。たとえば、ヒューズの放するようになります。I2t ベースの半導体ハイサイド・スイッ

公称電流定格を 25% ディレーティングすると、ヒューズが意チを使用すると、ヒューズ特性の変動が小さくなり、ワイヤ・ハ図せず溶断することを防止できます。

ーネス・ゲージがさらに最適化されて、ハーネスの重量をさらに軽減できます。

ヒューズベースのディレーティング電流の選択は、ヒューズの温度条件に応じてハーネス内の電流が変化することを意味し

スマート・センサとアクチュエータの課題と解決策ます。ハーネスの設計者は、特定の温度条件でヒューズの特性によって発生する大電流に対応するため、より大きなワイゾーン E/E アーキテクチャは、自動車の境界、つまりエッジとヤ・ゲージを選択することが必要な場合があります。

呼ばれる部分にあるセンシングとアクチュエータの機能に大きな影響を及ぼします。ドメイン・アーキテクチャでは通常、セハーネス・ワイヤをさらに最適化する 1 つのアイデアは、I2Tンサやアクチュエータの近くにある専用 ECU がこれらの機能特性を持つ半導体ハイサイド・スイッチ IC を使用することでを実行します。新しい機能は、多くの場合に新しい ECU で実す。典型的なハイサイド・スイッチには過電流保護機能が含ま現されます。各 ECU は専用のバッテリ電源とネットワーク・ワれています。つまり、電流が特定のスレッショルドを超えると、ゾーン・アーキテクチャによって実現する完全なソフトウェア定義の自動車

5April 2023

イヤを使用するので、ハーネスがさらに複雑になります。ゾー減できます。これによって、図 5 に示すように物理と論理のン・モジュールを使用すると、複数の ECU の論理入出力I/O 機能が分離されるため、新しい課題が発生し、新しい解(I/O) 機能をゾーン・モジュールに統合し、センサとアクチュエ決策が要求されます。

ータの位置を管理することで、ハーネスの複雑さを大幅に低

図 5. 論理と物理の I/O 機能をドメイン・アーキテクチャからゾーン・アーキテクチャに分離します。

ゾーン・モジュール - 新しいマイコンの要件

メンツ製の異種システム・オン・チップ (SoC) によって、ギャッ単一のゾーン・モジュールに、制御ループなど各種の論理 I/Oプを埋めることができます。

機能を統合すると、モジュールは I/O 機能ごとの個別の要件

スマート・センサとアクチュエータの合計を継承し、マイコン (MCU) に関する以下の具体的な論理と物理の I/O 機能の分離は、センサとアクチュエータに要件が発生します。

影響を及ぼします。センサ信号のコンディショニングとアクチュ• 高いリアルタイム特性

エータの駆動を目的とする IC は、ローカルのインテリジェンス• 大量のプログラムおよびデータ・メモリ機能と通信機能を強化する必要があります。ローカル・インテ• 仮想化により、さまざまな車載用安全性統合レベルの機リジェンスは回路の状態を保持し、バックグラウンド診断を実能について、重要度の混在をサポート行してセンサまたはアクチュエータのフォルトを検出できま• バックボーンとの間の高速通信インターフェイスす。組み込まれている通信インターフェイスには、LIN レスポ• ローエンド通信ペリフェラル (CAN FD や LIN など) の複数ンダ実装などのプロトコル・ハンドラが最低でも含まれていまのインスタンスを、スマート・センサやアクチュエータと接続す。CAN FD データ・リンク層の簡略バージョンが含まれていこの多様な要件のリストに対応するには、MCU がゾーン・モることもあります。このような統合により、図 6 の (a) に示すよ

ジュール駆動の要件をサポートする必要があります。最適化

うに、スマート IC はセンサやアクチュエータを自律的に制御されたゾーン MCU が利用可能になるまでの現状では、し、コストとサイズを最適化したソリューションを作り上げ、センJacinto 7 (DRA821 など) や Sitara (AM2xxx など) デバイス

サやアクチュエータのハウジングに組み込むことができます。など、十分なリアルタイム機能を備えたテキサス・インスツル

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6April 2023図 6. ドライバの実装例：密閉型ハウジングに統合されたスマート・ドライバ (a)、複合アクチュエータ・ソリューション用の小型 ECU (b)、ゾーン・モジュールで制御される単純なアクチュエータ (c)。

より複雑なセンサ (レーダー衛星など) や複合アクチュエータな物理層 (PHY) を使用すると、帯域幅の要件に対応できま(各種モーターを搭載したシート制御ユニットなど) の場合、小す。

型 ECU をベースとする従来の方法がソリューションとして最図 7 は、高速通信リンクを含む標準的なゾーン・モジュールも効率的な可能性があります (図 6 の (b) を参照)。さらに、ゾのブロック図です。さまざまなスループットの必要性に対応し、ーン・モジュールからの専用信号ライン (図 6 の (c) を参照)

ゾーン・モジュール間のトラフィックと、集中コンピューティングは、ごく単純なセンサやアクチュエータを直接制御できます。との組み合わせに必要な帯域幅を確保するために、ギガビッ

設計者は、制御信号と検出信号の数、センサとアクチュエー

ト・イーサネットや PCIe が不可欠になる可能性があります。

タの複雑さ、実装の制約などの要素に応じて、これらのソリュ

長距離のケーブル接続用に、PCIe リタイマやリドライバ・デバーションのいずれかを選択できます。

イスを使用すると役立つこともあります。一方で、センサやアクチュエータとのゾーン・モジュールの接続では、これとは対データの課題と解決策

称的に、LIN など帯域幅が低い代わりに安価であることを要

ゾーン・トポロジでは、ネットワークの分野への新しい、より強求されるバス・システムもあります。これらのすべてに共通すい注目が必要です。そのため、PCIe (Peripheral

る条件は、標準化されたバスと、標準化されたソフトウェア制

Component Interconnect Express) やギガビット・イーサネッ

御を使用して、完全なサービスとソフトウェアに基づく手法をトなどの高帯域インターフェイスが勢いを増しています。適切採用することです。

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7April 2023

図 7. 通信インターフェイスを使用するゾーン・モジュールのブロック図。

すべてのリンクは将来性を考慮し、ネットワーク・トポロジ、特データの時間制約にゾーン・モジュールと集中コンピューティングの間で予備帯各種のレイテンシや QoS の要件に対応するには、イーサネ域幅を確保することにより、既存の検証済みハードウェアをそット・ベースの TSN (時間の制約が厳しいネットワーク) が適のまま使用してソフトウェアをアップグレード可能にします。

切なオプションですが、この展開には多くの微調整が必要です。古い MCU やプロセッサでは、この展開がハードウェアでデータ・タイプ十分にサポートされていない可能性もあります。PHY IC レベ

将来性を考慮するというのは、完全自律運転 (レベル 5 まで)

ルまたはスイッチのサポートは、時間同期を考慮する場合はまでの段階も含まれます。このため、アーキテクチャには可用特に役立ちます。

性、復元力、安全性の規格が含まれています。データ通信の多くの場合、1 つの SoC に複数のイーサネット・ポートを統合復元力と構造的冗長性を実現する 1 つの方法は、リング・ト

すると、基板の面積とコストを削減するために大きな利点があポロジを使用してマルチキャスト・プロトコルとデータの有効性ります。

チェックを可能にすることです。
ソフトウェア側では、分散型ゾーン・トポロジで、短い制御メッセージから、高スループットのセンサやインフォテインメントのデータまで、さまざまデータに対応できる、まったく異なる種類のパケットの混在を扱うことが不可欠です。これらのトラフィッ
ク・タイプはいずれも、レイテンシ、ジッタ、同期、およびエラー・レートの要件が異なっています。つまり、要求される QoS(サービス品質) もさまざまです。

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8April 2023

オーディオの場合、多くのインフォテインメント・アーキテクチャ

ゾーン・アーキテクチャの実装に関連する可能性のある、電はすでにオーディオのビデオとのブリッジ (AVB) を使用してお気電子技術者学会 (IEEE) の TSN 規格の一部を、表 1 に示り、これには時間同期が重要です (TI E2E™ の技術記事『クします。詳細については、ホワイト・ペーパー『産業用オートメ

ロック・ジェネレータを使用して車載用アプリケーション向けにーションで使用される、時間の制約が厳しいネットワーク』を参eAVB をカスタマイズする』を参照)。AVB ネットワークは十分照してください。

な実績がありますが、ドメイン・アーキテクチャに導入するとき、多くの同時性の問題に関係しません。ゾーン・アーキテク
チャに移行すると、あらゆる種類のデータ・トラフィックが組み合わされるため、新しい TSN 機能が重要になります。
規格名

別名

説明

IEEE 802.1AS

タイミングと同期

レイヤ 2 の時間同期を行いますIEEE 802.1Qbv

時間認識シェーパ
(現在：スケジュールされたトラフィックの拡張)

ブリッジの 8 ポート出力キューを、ローテーションのスケジュールで実行します。スケジュールされた送信で遅延の発生を防止するため、1つを除くすべてのポートを時間スケジュールに基づいてブロックします。

IEEE 802.3br

分散した高速トラフィック

通常のフレームの送信を中断して「高速」フレームを送信した後、通常のフレームを再開します。

IEEE 802.1Qbu

フレームのプリエンプション

タイムクリティカルでないフレームの中断を改善し、タイムクリティカルなフレームのスループットを実現します。

IEEE 802.1CB

冗長性

メッセージは、分離されたパスで並列にコピーおよび伝達されます。冗長な重複はレシーバ側で削除されます。

IEEE 802.1Qch

サイクリック・キューイングおよび転送

トラフィック・クラスに従ってパケットを収集し、1 サイクルで転送します。制御されたタイミングが優先だが、レイテンシの短縮が重要ではな
い場合 (IEEE 802.1AS と IEEE 802.1Qbv が対応可能) に TSN を簡単に使用する方法です。

IEEE 802.1Qci

ストリーム単位のフィルタリングとポリシー

到着時間、レート、帯域幅に基づいて入力ポートのフレームをフィルタ処理し、過剰な帯域幅使用やバースト・サイズから保護するとともに、障害や悪意のあるエンドポイントからも保護します。

IEEE 802.1Qav

トラフィック・ベースのクレジット・シェーパ

フレームのバースト (同じクラスまたはストリーム) を回避します。トラフィック・クラス間またはストリーム間で優先順位を変更します。

表 1. 車載用リアルタイム・アプリケーションに関連するいくつかの TSN 規格。

オーディオの使用事例では、パワートレインやシャーシ制御

テキサス・インスツルメンツのプロセッサのように TSN ハードの使用事例と比べて、レイテンシの目標はそれほど厳格ではウェア・スイッチを統合すると、ソフトウェアで最大の柔軟性をありません (ミリ秒とマイクロ秒)。ただし、多数のメタ・データや得られると同時に、ハードウェア・アクセラレータによってデー構成データのトラフィック、または大量の ADAS センサ・デー

タ・パケットの処理と転送や、意図的なドロップがサポートされタを同じネットワーク経由でルーティングする場合でも、オーます。

ディオのレイテンシの要件は必ず守る必要があり、パケットをドロップすることもできません。そのため、既存の TSN ノブの通信のセキュリティ調停と微調整が重要です。よく知られているノブの 1 つは時レイテンシやジッタなどの物理的なネットワーク特性とは別間認識シェーピング (TAS) で、スケジュールされたトラフィックに、ゾーン・アーキテクチャにはセキュアな通信パスが必要で(EST) のオフロードの拡張として参照される、テキサス・インスす。インターネットで一般的に使用されているイーサネット・ベ

ツルメンツのプロセッサ SDK で使用できます。TAS は、他のースの攻撃方式やツールの大部分は、道路を走行する車両

データ (ADAS センサ・データなど) がどれだけ並列に転送さにも適用可能です。車載ネットワークのセキュリティが破られれても、事前定義された時間枠の後で低帯域幅のトラフィックると、通信の信頼性が失われ、I/O をコンピューティングと分の転送を保証します。ベスト・ケースとして、DRA821 などの離するという概念そのものが破綻します。

ゾーン・アーキテクチャによって実現する完全なソフトウェア定義の自動車

9April 2023このような理由から、サイバーセキュリティのトピックには総体

ン・アーキテクチャの実装において非常に明白な、設計上の的なアプローチが重要です。データの整合性、信ぴょう性、機問題を解決できる可能性があります。

密性という中核的な機能に加えて、製品開発とライフ・サイクルの全体にセキュリティの意識と文化が付随します。国際標準化機構 (ISO) 26262 機能安全規格と同様に、ISO / 米国
自動車技術者協会 ISO/SAE 21434 は車載用サイバーセキ

このようなソリューションは一気に実現するわけではなく、段階的に進化します。このため、長期的には次第に商業的に現実的なものとなるため、あまりに早期に取り入れてしまうことのリスクを最小限に抑えることができます。車体のドメインは、ュリティ・エンジニアリングの新しい規格です。さらに、国際連多数の分散型アクチュエータおよびセンサ ECU があるため、

合欧州経済委員会は、自動車のサイバーセキュリティのリスゾーン・アーキテクチャに最初に移行するドメインの 1 つでクを管理する方法と、多数の自動車のセキュリティ・インシデントを検出して対応する方法を規定した、2 つの新しい規制を発表しました。
このように多様なデータ・タイプに対応できるセキュリティを単純に追加することは不可能です。また、通信効率も重要です。IPsec を使用してインターネット・プロトコル・パケットのセキュリティを保護する従来の方法は、ネットワーク帯域幅の低い制御やセンサのデータに適しています。オーディオ・デー
タ、画像、レーダー・センサのデータをストリーミングするには、インターネット・プロトコル・パケットの連続ストリームが必す。ADAS、パワートレイン、シャーシ制御がゾーン・アーキテクチャに移行するには、まだ時間が必要な可能性があります。
ゾーン・アーキテクチャの最終的な目標は、センサ、アクチュエータ、ゾーン・モジュール、データ・リンク用の、理想的に標準化されたコンポーネントを組み合わせた、完全なソフトウェア定義の自動車です。この目標を念頭に置いて、さまざまな分野で非常に多様なアイデアが包括的に組み合わされることで、今後数十年にわたるソフトウェア・ベースの革新が可能になります。

要です。このストリームには、最低でも認証によるセキュリティ保護が必要です。ただし、ソフトウェアでこれを行うとオーバーヘッドが大きくなり、プロセッサの貴重なリソースが消費されます。
このボトルネックを克服するには、新しい低レベルの暗号化と認証が要求されます。たとえば、MACsec はイーサネット・プロトコルのレベル 1 または 2 に適用でき、イーサネットのメディア・アクセス制御 IP やイーサネット PHY に統合して、ライン・レートでの認証、ペイロードの暗号化、または両方を行うことができます。

まとめ
ゾーン・アーキテクチャの要件を満たすには、パワー・ディストリビューション、センサとアクチュエータ、データ通信の課題を克服するための新しいソリューションが必要です。
分散型スマート・ヒューズへの移行、スマート・アクチュエータとセンサの使用量の増加、非常に多様なデータ型の組み合わせを適切にサポートできる高帯域インターフェイスは、ゾー
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