自動車は1800年代後半から存在していましたが、自動車の世界で電子機器が不可欠な要素となったのはここ数十年のことです。今日、自動車会社は、他社との競争だけでなく、技術と時間でも競争しようとしています。技術が進歩するにつれて、シリコンと センサー 自動車への搭載は、価格が手頃になり、電子機器が小型化して、車両全体に多数の電子制御ユニット (ECU) を搭載できるレベルに達しました。したがって、技術が進歩するにつれて、自動車にも、民生用電子機器と同様に最先端の電子技術が搭載されることが期待されます。ここに課題があります。数年にわたるチップ開発サイクルと厳格な自動車品質および信頼性の認定により、CPUおよびGPUベースのECUが民生用電子機器に追いつくのは困難です。FPGA 最先端のパフォーマンスと、システム設計者が柔軟な（プログラム可能な）FPGAファブリックを使用して設計をカスタマイズできる柔軟性を提供することで、このギャップを埋める上で重要な役割を果たす可能性があります。FPGAがより効率的かつ手頃な価格になるにつれて、目標は見えてきます。
マイケル・ヘンドリックス アルテラの 自動車製品ライン マネージャーとして、キャリアの大半を高度な車両制御システムの開発と研究に費やしてきました。この期間中、彼は自動車技術が家電製品と同程度の速度で進歩する必要があると判断しました。同氏は次のように説明する。「消費者として、私たちは、18か月ごとに新製品モデルをリリースしている大手スマートフォンサプライヤーによる驚異的なペースのイノベーションに慣れてしまっています。 私たちは、自動車にも同じレベルの性能、機能、高解像度ディスプレイを期待するように条件付けられていますが、同じ車を何年も、あるいは何十年も同じまま所有することはごく普通のことです。」これは自動車メーカーにとって大きな課題です。製品の寿命を通じて、自動車技術を適切な状態に保つにはどうすればよいのでしょうか。 ヘンドリックス氏は、古い車はこの機能を考慮して設計されていないため、技術をアップグレードすることはできないかもしれないが、今日の自動車メーカーは技術革新に対応するために、プログラム可能な電子システム アーキテクチャにますます目を向けていると指摘しています。
「スマートフォンなどの現代の消費者向け電子機器の性能と、自動車のインフォテインメント システムの性能を比べてみてください」とヘンドリックス氏は説明する。「スマートフォンで慣れ親しんだのと同じレベルの性能をインフォテインメント システムにも期待するはずです」。電子的なアップグレードの可能性なしに自動車の生産を前進させ続けることは不可能だろう。一部の企業では、すでにハードウェアをより頻繁に更新し始めています。ヘンドリックス氏は、「BMWのような企業は、以前はおよそ5年ごとに新しいヘッドユニットをリリースしていましたが、現在は2年ごとに更新しています」と述べています。
FPGAの設計における重要な要素は、FPGAがプログラム可能なロジックであると見なされることです。CPU内のソフトウェアは明らかに更新できますが、コンピュータ チップのシリコンは更新できません。ヘンドリックス氏は次のように説明する。「プログラマブル ロジックの登場により、ソフトウェアとハードウェアのアップデートが実現可能になりました。FPGAは、さまざまな機能に合わせて無限に再構成または再プログラムできます。」現在販売されている多くの車両には、運転機能に必要な多くの機能を制御するソフトウェアが搭載されています。「テスラのモデルSはすでに3G接続によるワイヤレスソフトウェアアップグレードをサポートしています」とヘンドリックス氏は説明する。
機能に対する現在の期待に応えるために自動車のソフトウェアを更新することはすでに可能ですが、FPGA上のプログラム可能なロジックを使用すると、これをさらに一歩進めることができます。コード実行の背後にあるロジックはオンデマンドで更新できるため、特定の領域でシリコンがより効率的に機能します。「この機能により、FPGAは、構成可能または再プログラム可能なハードウェア アーキテクチャ システムを備え、OEMが最新のトレンドに対応できるように支援する可能性があります」とHendricks氏は言います。そのため、新しい車両を購入すると、ディーラーや専門のメンテナンス ショップで新しいソフトウェアとハードウェアのアップデートを実行できるため、車両の電子機器対応機能をより長く使用できます。FPGAデバイスの小型化と低価格化に伴い、車両にはさまざまなFPGAを搭載できるようになり、これらのソフトウェア アップデートは車両のさまざまな機能に適用できます。 「もちろん、安全性とセキュリティは最も重要です」とヘンドリックスは説明します。「そして、アルテラは、自動車の機能安全仕様であるISO 26262の基礎となる機能安全に関するIEC 61508認証を取得した最初のFPGAサプライヤとして、この分野の先駆者となっています。」
インフォテインメント センターとダッシュボードには、オンデマンドで更新されるビデオ スクリーンが搭載されるようになりました。これらのユニットには、機能の制御に役立つECUが含まれています。ただし、ECUが搭載されているのはこれらだけではありません。パワー ステアリング、ガス監視、データ計測、パワー ロック、パワー ウィンドウなどの機能はすべて、車両内のECUによって動作します。「現代のダイムラーSクラスの高級モデルには、100を超えるECUが搭載されています。「それぞれ専用の マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサを備えた、これだけの数のECUをサポートするには、かなりのコストがかかります」とヘンドリックス氏は言います。
これらのECUは車両全体のコストを押し上げるため、自動車を設計するエンジニアはECUの総数を減らそうとしています。ECUは車両から大量のエネルギーも消費しますが、車両はこれをより効率的に使用できます。現在、FPGAが進化しているため、車両内部に電子機器を組み合わせるのがより賢明になっています。「特にADASアプリケーションでは、センサーフュージョンと集中型アーキテクチャへの傾向が見られます。現状では、純粋なCPUベースのアーキテクチャを実装するには課題があります。CPUとGPUをSoC FPGAと組み合わせたハイブリッド アプローチが登場し始めています」とHendricks氏は説明します。
ARMによれば、車両のコンピューティング性能は今後9年間で100倍に増加すると予想されています。「FPGAの優れた点は、非常に幅広い並列処理アーキテクチャを備えた、非常に構成可能でプログラム可能なシリコンを備えていることです。これにより、Tier 1およびOEM開発者は、生産リリースに近づくまでアルゴリズムを継続的に進化させ、設計を微調整することができます」とHendricks氏は述べています。プリプロダクションリリースに加え、ポストプロダクションでのロジックアップグレードも可能になります。これにより、非常に特殊なアプリケーションを継続的に監視し、消費者のニーズに合わせて更新できるようになります。
現在、FPGAが設計に組み込まれている特定のアプリケーションがいくつかあります。特に未来的なアプリケーションの1つは、仮想コックピットです。「車両内部に仮想コックピットが作られ、計器クラスターなどのアナログゲージやダイヤルが再構成可能なデジタルディスプレイに変換されます」とヘンドリックスは説明する。スピードメーターや燃費計はダッシュボードに表示される代わりに、フロントガラスのようなもの上に表示されます。関連情報を表示するとともに、これらの機器をよりインタラクティブにしようという動きがあります。「当社は従来のタッチスクリーン/静電容量式タッチから移行し始めており、ジェスチャー認識や、カメラと飛行時間センサーを使用して微妙な手のジェスチャーを認識し、車両の電子機器を制御するなど、HMIを制御する新しい方法を検討しています」とヘンドリックス氏は予測しています。
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低遅延が鍵です。 たとえば、現代の自動車における特定のハードウェアトレンドの1つは、バックミラーやヘッドユニットコンソールにディスプレイが埋め込まれたバックアップカメラの普及です。車をバックさせると、中央の情報ディスプレイにバックカメラの映像が映し出され、ドライバーはバックするときに後ろにあるものをすべて見ることができます。これらのシステムに求められるのは、車両の始動時に、リアビューカメラで撮影されたライブビデオ画像が即座に表示され、運転者が安全に車を後退させることができることです。Hendricks氏は、Alteraの革新的なMAX 10 FPGAファミリでこのニーズに対応し、「FPGAは本質的に起動が高速です。 AlteraのMax 10 FPGA はフラッシュを統合しているため、数十または数百ミリ秒のオーダーで起動して画像を表示できます」と述べています。一方、CPUには、高速なオン (起動) 時間を実現する同様の機能はありません。「従来のCPUアーキテクチャでは、起動時間は数秒程度で、車をバックさせる前にリアビュー カメラが画面に画像を表示するのを待つには長すぎます」とヘンドリックス氏は説明する。FPGAは起動時間を大幅に短縮し、カメラの起動時間の問題に対するより優れたソリューションとなります。
自動運転の未来に向かって進むにつれて、安全性と生活の質が重要になってきます。車の前方カメラは現在、さまざまな用途に使用されており、まったく新しい一連の複雑な処理を生み出しています。「私たちは、カメラ、レーダー、LIDARなどのセンサーを組み合わせることで、ADASにおける高度な分析ベースのアーキテクチャへと移行しています。「これらの高度なセンサーと視覚分析により、自動緊急ブレーキ、交通標識認識、歩行者検知、車線逸脱警告などの機能がすべて現実のものになりつつあります」とヘンドリックスは言います。これらの機能の多くは、画像やビデオの認識にますます使用されるようになっているフィードフォワード人工ニューラル ネットワークの一種である畳み込みニューラル ネットワーク (CNN) の出現によって可能になりました。FPGAを車両のECUに実装すると、CNNアルゴリズムを使用して車両のカメラから送信される画像を処理できるようになります。
「ADASビジョン アプリケーションでは、CNNを使用して車両の周囲のオブジェクトを識別し、分類することができます。 たとえば、CNNアルゴリズムは、車両の前にある物体が歩行者、自転車、動物、交通標識、またはその他の物体であるかどうかを判断できます」とヘンドリックス氏は説明します。カメラは、接近する物体についてドライバーに知らせる、あるいは緊急時には車の機械制御を起動して避けるといった判断を下すことができます。これは信号や標識にも適用でき、FPGAがスマートな判断を下してドライバーの安全を確保できるようになります。 これらの複雑なアルゴリズムを実行するために必要な処理能力は非常に大きい場合があり、電子機器によって発生した熱を放散するための換気や能動冷却のない小型フォーム ファクタのECUにとって、電力消費と放熱は重要な属性となります。Microsoftが最近公開したホワイトペーパーによると、Altera FPGAは同等のCNNデータ セットに対してGPUの数分の1の電力で動作することがわかりました。
FPGAは、車両内の何百ものECUに対するより高速で効率的なソリューションとして、CPUの代わりに、またはCPUと組み合わせて実装されています。FPGAは、ワットあたりのパフォーマンス、スケーラビリティ、カスタマイズ機能が向上します。Hendricks氏は、「FPGAは、統合、外部コンポーネントの削減、市場投入までの時間の短縮、および開発フローの統一を通じて、総所有コストの削減に役立ちます」と述べています。「FPGAを実装することでECUの数を減らすことができます。TeslaやAudiなどの企業はすでに、インフォテインメント システムやADASシステムに、通信接続を最適化し、パフォーマンスを向上させるために、 AlteraのCycloneファミリ SoCとFPGAを実装しています。自動車アプリケーションにおけるプログラマブル ロジックの未来は明るく、自動運転車、拡張現実HUD、人工知能処理などの将来の高度な処理機能にこれらの高度なFPGAテクノロジが採用され、さらに普及することが期待されます。