車載ネットワーク（2）社会の変化と技術トレンド

社会の変化

2020年代に入り、自動車制御は大きく変わった。自動運転の進展が大きな要因だ。条件付きで自動運転を可能とする自動運転レベル3や、無人運転を可能にする自動運転レベル4が登場した（表1）。自動運転レベルの基準は米国の SAE（ Society of Automotive Engineers）が作成した基準があり、日本もこれに準じている。

自動運転の実現には、エンジン・ブレーキ・ハンドル制御はもちろん、カメラや様々なセンサーとの連携が不可欠になる。

自動運転のカギを握るのは車載カメラだ。自動運転レベル3と4では、カメラなどの ADAS (先進運転支援システム: Advanced Driving Assistant System)センサーは10個から20個程度になるといわれている。カメラの解像度は、1280×720 から 1920×1080 に変わり、更に 3840×2160 へと高精細に移行する。1 秒間のフレーム数や色深度も増える方向だ。

解像度や色深度を上げることでより精密な画像認識を行い、1秒間のフレーム数を増やすことで遅延を抑えるのが狙いだ。遅延時間は状況判断の遅れに直結する。秒30フレームでは約33ミリ秒、60フレームでは 約17ミリ秒遅れる。MPEG2 や H.264 などの一般的な画像圧縮では、圧縮と伸長に150ミリ秒~250ミリ秒 程度の時間がかかる。時速100kmで走る車は、150ミリ秒の間に約4m進む。

圧縮映像は 10Mbps 程度の帯域があれば、人間が見るモニター用としては十分過ぎる解像度がある。しかし、AI 等で画像を認識し、ブレーキやハンドル操作を行う自動運転では、圧縮映像の150ミリ秒の遅延は大きい。自動運転で非圧縮映像を使用する大きな理由は遅延時間だ。

非圧縮映像の帯域を考えると、現状のCAN 、FlexRayや MOST は使えなくなる可能性が高い。また同様に、車載Ethernet でも、100Mbps や 1Gbps では不十分だ。10Gbps や 100Gbps が必要になる可能性が高い。

技術トレンド

インテル創業者ゴードン・ムーアが、1965年に「集積回路の部品数が毎年2倍になる」と予測し、10年後の 1975年に「集積回路の部品数が2年ごとに2倍になる」と修正した。ムーアの予測は1975年以降もほぼ現実になり、「ムーアの法則」として知られている。

図1 は、1980年を起点にして、「携帯電話の通信速度」「CPU 集積度」「Ethernet 通信速度」「CAN 通信速度」「LIN 通信速度」の変化をグラフ化したものだ。赤の破線は「ムーアの法則」による予測線だ。 通信速度と半導体集積度という異なるファクターだが、CAN と LIN 以外は「ムーアの法則」に近い変化をしている。

車載ネットワークの主流は依然 CAN と LIN だ。CAN は約40年前に規格化が始まり、最高速度 1Mビット /秒の高速 CAN と最高速度 125kビット/秒の低速 CAN が普及している。2010年代に 8Mビット/秒 (ISO 規格では 5Mビット/秒)に高速化した CAN FD が発表され、最近 10Mビット/秒まで高速化した CAN XL が発表された。CAN は2線式のバス構造だが、この技術のベースになる RS485 は1960年代に開発されたかなり古い技術で高速化が難しい。

LIN は 20年以上前に規格化が始まり、最高速度は 20kビット/秒と CAN と比べてもかなり低速だ。LIN は1線式の不平衡型バス構造で、ノイズに弱く、さらに高速化が難しい。登場以来、伝送速度は変わらない。しかし、低速・低コストに特化することで、車載ネットワーク主役の一人だ。

Ethernet は CAN と同時期に登場し、当初は 10Mビット/秒の伝送速度だったが、現在は 400Gビット/ 秒まで高速化している。オープン規格でコストパフォーマンスが高いため、オフィスや通信キャリアのバックボーンなどに広く普及している。しかし、Best Effort(頑張ってみるが結果は保証しない)方式が災いし、確実性を求められる領域(ハード・リアルタイム)には適さなかった。状況が変わったのは、2012年から始まった「Ethernet TSN」の規格化だ。時分割多重の技術を持ち込み、確実な伝送を保証する時間帯と、従来の Best Effort の時間帯を分けることで、ハード・リアルタイム~ソフト・リアルタイム~非リアルタイムと全領域に対応できる仕組みに変わった。

Ethernet TSN の登場で、車載ネットワークや産業用ネットワークは、従来技術と Ethernet TSN が競合する時代に変わった。図2 は、車載ネットワーク技術の歴史とポジショニングだ。最近、Ethernet TSN 陣営は相次いで車載ネットワーク用の物理層規格を発表した。図1-5 のxxxxBase-T1 が車載ネットワークの 物理層規格だ。10Gビット/秒から 10Mビット/秒まで、ほぼ全領域をカバーするラインナップだ。「車載ネットワークの高速版は Ethernet TSN」をアピールしているように見える。最も遅い 10Mビット/秒 は、CAN の領域を狙っているようにも見える。

もう一つの側面は、オープンな技術と特定企業が強い影響力を持つ技術との競合だ。CAN はドイツのBosch 社が開発し、様々なサポートを行っている。LIN とEthernet TSN は、オープンな技術で様々な企業が関連製品を提供している。もちろん、LIN や Ethernet TSN はオープンな技術ではあるが、特許侵害には十分な注意が必要だ。

一方、現在主流の CAN の立場は厳しい。高速域はほぼ Ethernet TSN に押さえられ、低速域は LIN に押さえられている。低速域を狙った CAN A は、最近あまり話題にならない。高速域を狙った CAN XL は伝送速度だけでなくペイロードも拡張し、帯域増を図っている(図3)。今後の展開が気になるところだ。商品戦略の観点で考えると、上位と下位を押さえられた中間領域の商品は、難しい立場になる。低速域の LIN は目立った競合もなく、比較的安泰に見える。低速・低コストな領域がなくならない限り、このポジションをなくすことはなさそうだ。