中心的なアーキテクチャが車載コンピューティングの需要を満たす
中心的なアーキテクチャというのは、イーサネットがセントラル・ノード内で重要な役割を果たす車載ネットワーク (IVN) デザインを指します。自律走行車が要求するデータ伝送量やコンピューティングパワーが激増することに応じて、中心的なアーキテクチャもスマート車両における主流のネットワークフォーマットとなっています。一方、従来の分散型アーキテクチャはスケーラビリティや通信性能の要件をだんだん満たせなくなっています。
その代わりに、近い未来では複数のドメインコントローラーの間の統合が進み、集中型アーキテクチャが主流になるまでドメインアーキテクチャやクロスドメインアーキテクチャが重要視されると予想されています。
しかし、スマート・ビークル・アーキテクチャがこの新たなフロンティアに到達するためには、既存のアーキテクチャにTSN（Time Sensitive Network）を含む車載イーサネット・ネットワークを重ね合わせる必要があります。これにより、低遅延と時間同期が実現され、リアルタイム・コンピューティングと高速データ伝送が可能になります。将来の自動車がどのように設計されるかを理解するために、分散型アーキテクチャと集中型アーキテクチャの構成要素を詳しく見てみましょう。
分散型から集中型のアーキテクチャへの進化
1. 分散型アーキテクチャ
それぞれの機能は、知覚、判断、実行を担う特定のハードウェアに対応しています。これにより、余分なワイヤーハーネスや複雑なトポロジーになり、内部通信チャネルに冗長性が生じ、不必要にコンピューティングパワーも浪費してしまいます。
2. ドメイン・アーキテクチャ
アーキテクチャは分散型からノードが少なく、よりシンプルなOTA（Over-the-Air）アップグレードになります。各ドメインには、より高いコンピューティングパワーと広い範囲を持つコントローラーが装備され、電子制御ユニット（ECU）の数が減少し、通信がより柔軟な高性能ネットワークが実現します。
3. クロスドメイン・アーキテクチャ
クロスドメイン制御アーキテクチャにより、ドメインコントローラ間の統合がさらに強化されます。これにより、自動車システム内の電子制御がさらに一元化され、セキュリティ、電力、クロスドメイン実行にわたってパフォーマンスが向上し、コストが削減されます。
4. 集中型アーキテクチャ
真の集中型コンピューティングアーキテクチャーは、クラウドコンピューティング、センサー、アクチュエーター、そして中央コンピューティングユニットによって計算される情報で構成されます。処理を最適化することで、コンピューティング処理力の要求を減らしながらも、十分な速さで情報を処理して低遅延を実現することができます。
バス技術の歴史と車載ネットワークの未来
CAN、LIN、FlexRay車載ネットワーク
CAN、LIN、FlexRay、MOST、LVDS、車載イーサネットなどバス技術は現在主流に車載ネットワークに導入されています。CANパスはLINパスによって補完されており、市場の大半を占めています。CANは、アクティブな車載ネットワーク内でのデータ伝送に最も広く使用されている標準プロトコルです。一方、LINは低コストのユニバーサル・シリアル・バスで、CANに対してドア、サンルーフ、シート制御などの補助機能を提供します。
しかし、FlexRayはCANやLINに次ぐ次世代の自動車制御バス技術として急速に注目を集めています。高い帯域幅を持つFlexRayは、中高級車のワイヤー制御システムへ応用できます。ですが、執筆時点ではFlexRayは単一のメーカーによってのみ開発されているため、開発コストはまだ高いです。FlexRayとMOSTは車載マルチメディアデータ伝送の有力候補ですが、大量流通を実現するには標準化組織が必要になるでしょう。
車載イーサネットの利点
かつてないほど多くの自動車用電子機器が市場にあふれ、1台の車両に搭載されるECUの数は平均20～30個から100個以上へと大幅に増加し、車両のワイヤーハーネスの長さが2.5マイルに達することもあります。こういう状況で、CANバス半二重通信しか実現できない限界が明らかになり、現代の車載ネットワークが求める高速かつリアルタイムな双方向データ経路には適していません。
車載イーサネットは、その高い帯域幅、軽量なワイヤーハーネス、優れたコスト効率により、車載ネットワークの中心技術として期待されています。従来の車載ネットワークとは異なり、イーサネットは帯域幅を多く消費するアプリケーションに対しても十分なデータ伝送能力を提供します。さらに、イーサネットは高い自動車用信頼性、適切な帯域幅の割り当て、低い電磁放射、低消費電力、低待ち時間、軽量なハードウェアなどの技術的な利点も備えています。
車載イーサネット・ハードウェアとソフトウェアの概要
車載イーサネットのハードウェア構造
車載イーサネットは主に1対の銅撚り伝送路で動作し、機械的強度が高く、曲げ半径が小さく、厳しい気象条件にも優れた耐性を持っています。また、光電変換装置なしで直接使用できるため、「ラストマイル」のデータ伝送に最適です。イーサネット・アライアンスによれば、銅ベースのイーサネットの現在の伝送速度は10Mb/sから10Gb/sの間にあり、今後、新しいイーサネット設計につれて速度がさらに向上すると予想されています。
現在の主流イーサネット標準
イーサネットはすでに多くのネットワークに取って代わり、世界で最も通常なLAN技術となっています。50年以上の発展を経て、イーサネットの速度は標準イーサネット（10Mbps）から高速イーサネット（100Mbps）、そして現在のギガビット・イーサネット（1Gbps）へ向上してきました。近年では、2.5GE、5GE、25GE、50GEといった新しい速度規格も登場し、さまざまなアプリケーションやコスト要因に対応しています。ギガビット・イーサネット1000BASE-Tは、現在主流となっているイーサネット・ベースのツイストペア技術で、802.3ab規格に基づき、カテゴリー5ツイストペア上で1000Mb/sのデータストリームを100メートル以上伝送することができます。
イーサネットはこれからどのように進化するか
バスの中で最も高速な伝送速度を持つ通信ソリューションであるイーサネット・アプリケーションは、現在スマート・コックピットのような局所的な用途から、将来的には車載通信のバックボーンへと発展することが期待されています。この発展は、以下の三つの段階を経て進行すると予想されます：
- DoIP（Diagnostics Over Internet Protocol）の推進と応用：これにより、車載診断システムやECUソフトウェアのリフレッシュ、IPカメラを使用した運転支援システムが実現されます。
- サブシステムの統合：マルチメディア、運転支援、診断インターフェースなどのアプリケーションが統合されます。
- IVNバックボーンとしてのイーサネット：この段階では、TSN（Time-Sensitive Networking）が徐々に導入され、クロスドメインの車載ネットワークが形成される見込みです。
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