自動車ドメインコントローラの統合アーキテクチャの背景、利点、設計を1つの記事で理解する

車両の電動化が徐々に進むにつれ、電子制御ユニット（ECU）が車全体を制御するようになりました。アンチロックブレーキシステム、四輪駆動システム、電子制御オートマチックトランスミッション、アクティブサスペンションシステム、エアバッグシステムから、ボディセーフティ、ネットワーキング、エンターテイメント、センサー制御システムなどへと徐々に拡大してきました。自動車の電子機能の豊富さと複雑さが増すにつれ、車載ECUの数も年々増加しており、高級モデルではECUの数が100を超えています。

自動車用電子ソフトウェアの爆発的な成長は、自動車の電子および電気アーキテクチャに大きな課題をもたらしました。ますます複雑化する回路でデータ処理とネットワーク セキュリティの最適化をどのように確保するかは、難しい問題となっています。1 つまたは複数の「頭脳」を使用して車両全体の ECU とセンサーを制御することは、自動車の電子および電気アーキテクチャの将来として徐々に認識されつつあります。ドメイン コントローラ (Domain Controller Unit) に基づくドメイン コントローラ統合アーキテクチャは、現在、最適なソリューションです。

いわゆる「ドメイン」とは、自動車の電子システムを機能に応じていくつかの機能ブロックに分割することです。各機能ブロック内のシステムアーキテクチャは主にドメインコントローラによって構築され、高計算能力のマルチコア中央コンピュータが、以前の複数の分散型ECUアーキテクチャに取って代わります。現在、ドメインコントローラの「ドメイン」は一般的に機能ドメインを指します。最も一般的な分類方法によれば、パワートレイン、シャーシ制御、ボディ制御、エンターテイメントシステム（コックピットドメイン）、ADASの5つの主要なドメインに分けられます。各ドメインにおいて、ドメイン コントローラは高性能 ECU に相当し、ドメイン内の機能制御と転送を担当します。このため、コントローラ自体には強力な処理能力、超高速リアルタイム性能、および多数の通信周辺機器が必要です。各ドメイン内のシステム相互接続には、現在非常に一般的に使用されている CAN および FlexRay 通信バスを引き続き使用できます。異なるドメイン間の通信では、情報交換タスクを実行するためのバックボーン ネットワークとして、より高い伝送性能を備えたイーサネットが必要です。

ドメイン コントローラの開発は、車載電子機器の開発ニーズによるもので、車両の電子回路と電気回路を大幅に最適化できます。ドメインアーキテクチャを使用すると、センシングと処理を分離することもできます。センサーとECUの関係が1対1ではなくなるため、管理が容易になります。さらに、適切な統合を実現することで、ECU の数を削減できます。プラットフォームの拡張性も向上します。 ECUを集中化することで、車両通信配線ハーネスが大幅に削減され、車両部品のコスト削減も明らかです。将来、車両の電子および電気アーキテクチャが進化するにつれて、ドメイン コントローラーはますます強力になります。電子設計に対する要求もますます高くなるでしょう。この記事では、自動車用ドメイン コントローラーの利点と用途について説明します。​

ドメインコントローラ統合アーキテクチャを使用する理由

従来のマルチ ECU 分散アーキテクチャではなく、ドメイン コントローラ統合アーキテクチャを採用する主な理由は次のとおりです。

自動車の機能の数が徐々に増加し、複雑化している

今日の自動車の電子アーキテクチャでは、1 つ以上の機能が個々の制御ユニットに統合されています。これにより、制御ユニットと分散ソフトウェア機能の数が増えるだけでなく、ユニット間の通信接続も複雑になります。車に新しい機能を追加する必要がある場合、従来の解決策では、対応する機能を担当する追加の ECU モジュールと回路ハーネスを追加することがよくありました。現在、自動車の電動化が進み、特に自動運転やアクティブセーフティなどの機能が追加されるにつれて、自動車に搭載されるECUの数は急速に増加しています。自動車1台あたりのECUの数は平均50～70個に達します。より複雑な機能を備えた高級車では、ECUの数はすでに100個を超えています。 2005 年型 BMW 7 シリーズにはすでに 65 個の ECU が搭載されています。 2010 年までに、Audi A8 で使用される ECU の数は 100 を超えました。非常に多くの ECU が複雑に絡み合うと、配線ハーネスの設計が非常に複雑になるだけでなく、ロジック制御も非常にわかりにくくなります。 ECU の数を継続的に増やすことによって自動車に新しい機能を追加するアプローチは、もはや持続可能ではありません。

将来の自動車には高速データ処理と複雑なソフトウェアアルゴリズムが求められる

ドメイン コントローラ テクノロジは、将来の自動車開発における魅力的なトレンドであり、将来の自動車がさまざまなテクノロジ トレンドに適応するためのハードウェア基盤でもあります。自動車の安全性やエンターテインメントなどの複雑な機能に対する需要がかつてない速さで高まっているため、将来の自動車にはより高度なデータ処理能力とコンピューティング能力が求められます。多くの OEM は、将来的には自動車を「車輪の付いたスマートフォン」に変えたいと主張しています。自動車が徐々に大規模なモバイルスマート端末へと発展するにつれ、自動車もスマートフォンのように継続的にアップグレードする必要があり、求められる新しい特徴や機能を満たすために、より多くの計算能力とより優れたソフトウェアアルゴリズムを使用する必要があります。

従来のECU分散アーキテクチャでは、自動車の高速データ交換と複雑なソフトウェアアルゴリズムのニーズをサポートできなくなりました。同時に、コンピューティングデータに対する増大する要件を満たすにはコンピューティング能力が不十分であり、車載ネットワークは高速データ伝送の要件をサポートできません。携帯電話やタブレット端末など他のデバイスと比較すると、自動車の使用サイクルははるかに長くなっています。大手自動車メーカーがますます多様な機能を搭載した自動車を発売するにつれて、購入者は、従来のようにライフサイクル全体を通じて自動車の機能や特徴が基本的に変わらないのではなく、購入する自動車がスマートフォンのようにアップグレード機能を備えていることを望むことが多くなりました。 ECU ベースの分散電子アーキテクチャ自動車のすべての特徴と機能は、車両が発売される前に設計および実装する必要があり、将来的に自動車機能の迅速なアップデートを求める消費者の要求を満たすことはできません。

「ソフトウェア定義車」の一般的な傾向の下、スマートカーは、スマートカーに必要なソフトウェアとハ​​ードウェアの組み合わせを満たすために、ハードコアな高構成のハードウェアと強力なソフトパワーソフトウェアにますます依存しています。現在普及している OTA (Over The Air Technology) エアダウンロード技術は、自動車のソフトウェアとハ​​ードウェア機能のリモートアップグレード技術です。OTA アップデートは、新しい自動車機能の提供、自動車ソフトウェア システムの最適化、自動車機能の脆弱性の修正、全体的な運転体験の向上に使用できます。 OTA は、リコールコストを削減し、安全ニーズに迅速に対応し、ユーザーエクスペリエンスを向上させる機能を備えているため、将来のインテリジェント車両時代には不可欠な選択肢となります。

これらすべての目標を達成するには、より多くのコンピューティング能力、組み込みメモリ容量、接続帯域幅が必要であり、ドメイン コントローラー アーキテクチャを使用する車だけが必要なハードウェア要件を満たすことができます。

車両SOCコストの削減

エレクトロニクス業界におけるムーアの法則の影響により、高性能な車載用SOCチップの価格は技術の進歩と大規模生産によりさらに低下するでしょう。自動車のインテリジェント化が進むにつれ、NVIDIA、Qualcomm、MTKなどの携帯電話チップメーカーも自動車市場に参入し始めています。近年、車載SOCのコストは急激に低下しており、従来のMCUの価格に近づいています。これが、自動車メーカーが統合機能を備えたドメインコントローラーを使用する理由の1つです。

ドメインコントローラ統合アーキテクチャを使用する利点

従来の ECU 分散アーキテクチャと比較して、ドメイン コントローラー アーキテクチャには主に次の利点があります。

軽量、高効率

従来の ECU アーキテクチャでは、新しい機能が追加されるたびに、対応する ECU と配線ハーネスが必要になるため、複雑な配線ハーネスがエンジンに次いで車内で 2 番目に重要なコンポーネントになります。この設計コンセプトは自動車設計における軽量化のルールに準拠しておらず、自動車のエネルギー効率と燃費を低下させます。ドメインコントローラを採用し、ECUを統合することで、車両は複数のマイクロコントローラ、電源、ケース、銅線を取り除くことができ、自動車の電子構造が大幅に簡素化され、統合と製造の自動化が実現され、電子部品の重量が軽減され、運転効率が向上します。自動車のコックピットドメインコントローラーを例にとると、従来の計器パネル、インフォテインメントシステム、HUDディスプレイを統合して置き換えることで、システム全体の重量を30％以上削減できます。

コスト削減

新しい機能のために追加の ECU モジュールを追加することは持続可能ではありません。新しい ECU モジュールに対応する専用の MCU、メモリ、電源、PCB などの電子部品により、生産および製造コストが大幅に増加します。強力なコンピューティング能力を備えた車載SOCチップの価格が下がり続けているため、統合コックピットソリューションを例にとると、車両1台あたり少なくとも約70ドルを節約できます。ドメインコントローラの大量生産・出荷により、自動車の生産コストがさらに削減されます。

データ遅延

スマートカーには、外部環境を感知するための複数のセンサーが搭載されていることがよくあります。安全上の理由から、車両は、自身のセンサー、他の車両、または外の世界のインフラストラクチャ (V2X) から大量のデータを受信して​​、迅速に処理できる必要があります。運転プロセスの安全性を確保するには、すべてのデータをリアルタイムまたはほぼリアルタイムで処理する必要があります。

大量のデータをリアルタイムで処理し、データの遅延を低く抑えるには、高性能なコンピューティング機能と高帯域幅のネットワーク通信が必要です。高性能コンピューティング機能を備えたドメイン コントローラーでは、データを 1 回だけ処理すればよく、異なるコア間で共有できます。多数のECUモジュールを使用するアーキテクチャでは、異なるネットワークでデータを複数回通信および送信し、複数回計算する必要があります。従来のECUアーキテクチャでは、計算効率が低く、データの遅延が大きくなり、さまざまな緊急事態に迅速に対応する車の能力を保証できず、安全性が十分に高くありません。

アップグレード性

自動車が機械製品からデジタル電子製品へと進化し続けるにつれ、ソフトウェアレベルがますます自動車の中核競争力となってきました。 10 年前、自動車にはソフトウェア コードが約 1,000 万行しか含まれていませんでした。現在、自動車には約 1 億行のソフトウェア コードが搭載されています。将来的には、自動運転車のソフトウェアコード量は3億～5億行に達するでしょう。自動車ソフトウェアのコード量は飛躍的に増加しています。コードが蓄積され続けるにつれて、セキュリティ上の脆弱性が生じた場合は、適時に修正する必要があります。自動車の機能メンテナンスと複雑なソフトウェアのアップグレードがさらに重要になります。従来の分散型 ECU アーキテクチャと比較して、ドメイン コントローラーはスケーラブルなコンピューティング能力、より柔軟な車両 OTA、および増加したソフトウェアの割合を備えているため、自動車メーカーはユーザーに継続的に反復的かつアップグレードされた機能エクスペリエンスを提供できます。つまり、自動車会社は、追加の ECU を追加することなく、ソフトウェア アルゴリズムを更新するだけで自動車の機能をアップグレードできるのです。

あらゆるもののインターネット

ドメイン コントローラーの高性能コンピューティング機能と高帯域幅通信により、ドライバーはデジタル プラットフォームと 5G ネットワークを通じて周囲の外部環境と接続できます。 V2X テクノロジーにより、車両は他の車両や道路インフラと通信して環境情報を取得できるようになります。このデータはすべてリアルタイムで通信および処理する必要があり、そのためには高帯域幅の通信と高性能なオンボード コンピューティング機能が必要です。明らかに、従来のディスクリート MCU では高速通信およびコンピューティング機能をサポートできません。

自動車ドメインコントローラの設計

IT業界や家電分野の多くの技術が、将来のスマートカー分野に移転・応用できる可能性があります。将来の自動車に使用されるオンボードSOC、組み込みオペレーティングシステム、仮想マシンモニター、OTAアップグレード技術はすでに比較的成熟しており、民生用電子機器などの分野で広く使用されています。自動車用電子機器のフレームワークは、他の電子製品から教訓を得ることができます。

しかし、自動車の安全性に対する要求は高いため、自動車の電子設計は厳格な安全基準と標準要件を満たす必要があります。安全性、安定性、耐久性の要件により、自動車ドメイン コントローラーの設計には極めて高い品質と信頼性が求められます。自動車の安全性と安定性を確保することは、自動車の電子・電気アーキテクチャを設計する際に考慮すべき重要な要素になります。

未来の自動車の基本アーキテクチャ 未来の自動車の電子アーキテクチャの基本アーキテクチャは急速に革新しています。安全機能と自動運転機能には、より優れた計算能力とより広い帯域幅の通信機能が必要です。自動車の接続性とインフォテインメント機能を向上させるために、自動車はクラウドと通信してソフトウェアをリモートで更新し、デジタルマップ情報や交通状況をリアルタイムで更新できる分散型ITシステムに変わります。

上の図は、さまざまなコンポーネントやさまざまな機能モジュール間で相互作用し、増加する機能と複雑なソフトウェア アルゴリズムを管理および制御できる能力を備えた将来の自動車の電子および電気アーキテクチャを示しています。さらに、時間の経過とともに高まる自動車機能に対する需要と期待に対応できるよう、フレームワークは拡張可能である必要があります。 OTA もこのアーキテクチャの必須機能の 1 つである必要があります。

自動車の電子アーキテクチャの更新可能性とアップグレード可能性により、OEM は車両の販売後に車両のアップグレード プロセスを制御できます。ソフトウェアとハ​​ードウェアの分離により、車のソフトウェア機能がハードウェアから独立し、システム機能の拡張性とアップデートの利便性が大幅に向上します。

フレームワークの機能

SOA (サービス指向アーキテクチャ) サービス指向フレームワーク: SOA メソッドは、IT および民生用電子機器の分野で広く使用されています。 SOA は、自動車の電子システム向けに多数の抽象インターフェースを提供します。カプセル化により、システムの設計とテストにアジャイル開発手法を使用できるようになり、システムの機能増加によってもたらされる複雑さが軽減され、さまざまな車両でソフトウェア グループを再利用しやすくなります。

セントラルゲートウェイサーバー

中央情報サーバーとプロキシサーバーを使用してすべての通信情報を処理し、ローカル制御ドメインを外部環境から分離して、システムのセキュリティと機密性を確保します。システムを物理層、情報層、サービス層に分割することで、システムの拡張性が向上し、異なるタイプの車両で使用する場合の変更が少なくなり、移植性が向上します。

将来の自動車の電気および電子アーキテクチャでは、中央ゲートウェイは情報ブリッジとして機能し、車載ドメイン コントローラとモバイル ネットワーク、Bluetooth、WiFi、イーサネットなどの周辺通信ソースを分離して情報を交換し、システムの脆弱性を診断するための自動車の中央診断インターフェイスとしても機能します。ドメイン コントローラは、中央ゲートウェイとローカル スマート センサー、アクチュエータ、ECU 間のゲートウェイとして使用でき、イーサネットと CAN または LIN 間で情報をコンパイルして渡すことができます。

中央ゲートウェイは、ネットワーク セキュリティを維持する主な責任を負います。中央ゲートウェイは、メッセージが正当なソースからのものであることを確認し、認証のなりすましから保護し、ネットワーク通信を事前に定義された通常の範囲に制限し、異常なメッセージや過剰なメッセージの通信を制限して、車両の機能を損なうことを回避します。また、許可されていない違法なメッセージをブロックし、無効な試行について警告する必要もあります。これにより、車両全体のネットワークセキュリティが大幅に向上し、車載ドメインコントローラのセキュリティ機能負荷が大幅に軽減されます。

車載およびバックエンド アーキテクチャ 将来的には、車載システムとクラウド バックエンド アーキテクチャ間の相互作用がますます増加します。これら 2 つは、WIFI または高帯域幅の 5G ネットワークを介して接続できます。安全性や自動運転機能の要求により、車両は周囲の車両、新世代インフラ、天気、道路情報、リアルタイムの高精度地図などの外部情報と対話する能力を備える必要があります。車のソフトウェアアルゴリズムと基本的なハードウェアの計算能力には一定の制限があるため、データ量が増えるにつれて、変化するシナリオや運転条件に対するリアルタイムの分析と決定を行うことが徐々に難しくなります。そのため、将来的には、運転シナリオで関連情報やデータを取得するために、車は高処理バックエンド（クラウドサーバーなど）と対話する必要性がますます高まります。

自動車の機能安全

いわゆる「機能安全」とは、安全機能や安全対策によって許容できない機能リスクを回避する技術の総称です。機能安全における「機能」とは、制御対象やコントローラを監視する安全装置が果たす役割を指します。コンピュータは、コントローラが故障した場合に制御対象をシャットダウンし、ユーザーに危険を警告する安全装置としてよく使用されます。この安全装置によって実現される安全機能を「機能安全」と呼びます。機能安全とは、コンピュータなどの安全装置を利用して設計された安全対策と言えます。

自動車の運転は乗員の生命安全にかかわるものであり、自動車の設計ガイドラインにおいても安全性は最優先事項となっています。各業界には、製品の最低性能を制限するための対応する技術基準があります。自動車業界で採用されているISO26262規格は、電子、電気、プログラマブルデバイスの機能安全に関する基本規格IEC61508から派生したもので、主に自動車業界において、自動車分野に特化して使用される特定の電気機器、電子機器、プログラマブル電子デバイス、その他の部品を対象としています。自動車用電子・電気製品の機能安全に関する国際規格の向上を目指しています。 ISO 26262 規格は、自動車の電気および電子システムの機能安全規格です。ASIL を使用して、対応するデバイスが満たさなければならない常駐リスクの許容レベルの安全要件を指定します。自動車の電気および電子システムの安全ライフサイクル全体とその管理プロセスが含まれます。その最終的な目標は、「安全」を確保し、自動車の電気および電子システムの障害によって引き起こされる不当なリスクを回避することです。

データ接続と車内通信の使用が増えるにつれて、車両は悪意のあるサイバー攻撃に対してより脆弱になります。インテリジェント コネクテッド ビークルの脅威リスク ポイントには、悪意のある攻撃者が CAN バス ブロードキャスト メカニズムを使用して、データ パケットの盗聴、偽造、およびデータ再生を実行する可能性があることが含まれます。 ECU デバイスメーカーのアクセス メカニズムを乗っ取り、ソース コードを逆クラックし、チップ内のファームウェア コードを抽出、改ざん、分析することができます。

自動車の電動化、インテリジェント化、ネットワーク化の発展傾向、特殊なマルチシナリオの使用状況、および研究開発、生産、使用、メンテナンス、廃棄のライフサイクル全体の現状により、従来の情報セキュリティシステムと比較して、インテリジェントコネクテッドビークルの情報セキュリティ研究の方向性は、車両制御ユニットの直接制御による生命と財産の損失を防ぐために、信頼性の高い侵入検知と保護をどのように実行するか、複雑な通信環境で情報セキュリティを確保し、車両の保護機能をどのように強化するかを解決する必要があります。これは自動車の機能安全に関する今後の研究の焦点となるでしょう。

自動車の安全機能とソフトウェア機能に対する消費者の需要は、かつてない速さで高まっています。この傾向により、自動車の電気および電子アーキテクチャは、分散型電子制御装置 (ECU) から、より高度に統合されたドメイン コントローラへと移行しています。自動車では、コンピューティング機能とストレージ機能に対する要件もますます高まっています。ドメイン コントローラーによって表される電子および電気フレームワークは、より高速で安全かつ信頼性の高いデータ処理およびエネルギー配分機能を提供できます。ドメイン コントローラーを備えた将来の自動車プラットフォームでは、クラウド コンピューティング、インターネット、ビッグ データ、OTA アップグレードなどの最新テクノロジを簡単に活用できます。強力なマルチコア処理機能、専用の車載組み込みオペレーティング システム、革新的な電子および電気アーキテクチャ、高帯域幅通信機能は、将来のドメイン コントローラー アーキテクチャ車両の基本コンポーネントです。

ドメイン コントローラーの登場により、自動車のインテリジェント化はますます加速しています。図 2 に示すように、自動車の電子アーキテクチャが集中化され、将来の理想的な状態は、車全体が中央の頭脳となる車両コンピューティング プラットフォームを備えることです。中央ドメイン コントローラはコンピューターの形をとる場合があります。最も大きな難しさは、上位レベルのソフトウェア アプリケーションと基礎となるハードウェア リソースの両方に接続する必要がある自動車のオペレーティング システムにあります。なぜなら、自動車のコックピット領域、インテリジェント運転領域、パワー領域、ボディ領域などのオペレーティングシステムに対する要件は、実際には一貫していないからです。たとえば、コックピット システムでは画面の色処理とレンダリングに対する要件が比較的高く、インテリジェント運転機能ではシステムの安全性に対する要件が特に高くなります。現在、豊富な画像処理をサポートする高い計算能力、高性能、大容量ストレージ、非常に豊富な IO インターフェイスを兼ね備えたチップや組み込みハードウェア プラットフォームは存在しません。

ドメインコントローラから中央脳へ

ハードウェアレベルでの課題に加え、自動車業界のソフトウェア産業チェーンも再構築の可能性に直面しています。ソフトウェア機能は、業界チェーン内のプレーヤーにとってますます中核的な競争力になりつつあります。ホストマシンメーカーによるソフトウェア機能の集中管理は、産業チェーン関係の再構築につながる可能性があります。業界の変化の始まりには必ず利害の対立とルールの確立が伴いますが、ECU の消滅によって引き起こされた変化でも同様です。ドメイン コントローラーの出現は、ゲーム中盤の戦いにすぎません。確かなのは、自動車の「中枢脳」の変革とスマートカー時代の発言権をめぐる闘争が、自動車産業チェーンのさまざまなプレーヤーを次々に前進させ、自動車業界は今後10年間で間違いなく天地を揺るがすような変化を経験するだろうということだ。