自動車のディペンダビリティ設計と vlsiへの要求 - jst...ecu計60個以上...

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Copyright © 2007 Toyota Motor Corporation. All rights reserved. TOYOTA 自動車のディペンダビリティ設計と 自動車のディペンダビリティ設計と VLSI VLSI への要求 への要求 トヨタ自動車株式会社 BR制御ソフトウエア開発室 服部雅之

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自動車のディペンダビリティ設計と自動車のディペンダビリティ設計とVLSIVLSIへの要求への要求

トヨタ自動車株式会社BR制御ソフトウエア開発室

 服部雅之 

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本日の報告内容本日の報告内容

1.カーエレクトロニクス技術の現状1.カーエレクトロニクス技術の現状3.カーエレクトロニクス技術の将来と課題3.カーエレクトロニクス技術の将来と課題4.自動車における統合制御技術とインフラ協調4.自動車における統合制御技術とインフラ協調5.自動車における機能安全設計5.自動車における機能安全設計66. . ディペンダビリティ設計についてディペンダビリティ設計について7.まとめと要望7.まとめと要望

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Engine & Power TrainEngine & Power TrainEFI (Electronic Fuel Injection)EFI (Electronic Fuel Injection)KCS (Knock Control System)KCS (Knock Control System)ECT (Electronic Controlled Transmission)ECT (Electronic Controlled Transmission)ACC(Active ACC(Active Cruise Control)Cruise Control)HV(Hybrid Vehicle Control)HV(Hybrid Vehicle Control)CVT,Engine MountCVT,Engine MountCooling FansCooling Fans

Chassis & SafetyChassis & SafetyActive Control SuspensionActive Control SuspensionActive 4WS (4Active 4WS (4--wheel Steering)wheel Steering)ABS (AntiABS (Anti--lock Brake System)lock Brake System)TRC (Traction Control)TRC (Traction Control)VSC (Vehicle Stability Control)VSC (Vehicle Stability Control)VDIM(Vehicle Dynamic Control)VDIM(Vehicle Dynamic Control)PCS(PrePCS(Pre--Crash System)Crash System)UltraUltra--Sonic SensingSonic Sensing

Signal CommunicationsSignal Communications& Wiring Harness& Wiring HarnessMultiplex Communication SystemMultiplex Communication SystemDiagnosisDiagnosisStarter,Alternator,BatteryStarter,Alternator,Battery

Comfort & ConvenienceComfort & ConvenienceClimate ControlClimate ControlPower SeatPower SeatPreset Steering Wheel PositionPreset Steering Wheel PositionPower WindowsPower WindowsLiquid Crystal Glare proof MirrorLiquid Crystal Glare proof MirrorBack Guide MonitorBack Guide MonitorDoor Lock ControlDoor Lock ControlNight ViewNight ViewKeyless,Remote Engine StarterKeyless,Remote Engine StarterImmobilizerImmobilizer

Displays & AudioDisplays & AudioElectron MultiElectron Multi--VisionVisionNavigation SystemNavigation SystemTelevisionTelevisionSuper Live Sound SystemSuper Live Sound SystemCellular Mobile TelephoneCellular Mobile TelephoneDigital TV,FMAMDigital TV,FMAMHUDHUD

カーエレクトロニクスカーエレクトロニクス

VICS,ETCVICS,ETC

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RecognitionRecognitionRecognition

OperationOperationOperation

JudgmentJudgment

Logic

Assistance & Operation of Brake, etc.

Visual Assistance

カーエレクトロニクスカーエレクトロニクス

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プラグインハイブリッド

電池を外部電力で充電し、モーターによるEV走行電池を外部電力で充電し、モーターによるEV走行レンジレンジを拡大を拡大

・・ ショートトリップショートトリップは充電電力でのモーターによるは充電電力でのモーターによるEVEV走行走行

・・ 長距離、高速、登坂はエンジンとモーターによる走行 長距離、高速、登坂はエンジンとモーターによる走行 

モーター電池

家庭用電源

エンジン

燃料タンク

ガソリンスタンド

電気利用車両の現実的な在り方として期待電気利用車両の現実的な在り方として期待

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HVの燃料効率と加速性能HVの燃料効率と加速性能

10

15

20

25

30

35

40

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5

中間加速 40-70km/h (sec)

10・15モ

ード

燃費

(km

/L)

速い

燃費が

良い

欧州E車

国内 B車 HV

1.4L

カムリ 2.4L

プレミオ 2.0L

ヴィッツ 1.0L

欧州D車1.9L ディーゼル

カローラ 1.5L

プリウスプリウス1.51.5LL

燃費と加速性能の両立燃費と加速性能の両立燃費と加速性能の両立

HVは燃費向上において加速性能を犠牲にしないHVは燃費向上において加速性能を犠牲にしない

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Night Night View SystemView System

Night View SystemNight View System

Real Real ViewView

Visible RaysVisible Rays

LowLow--BeamBeam

Near Infrared CameraNear Infrared CameraDisplay of HUDDisplay of HUD

Near Infrared Rays:Near Infrared Rays:Not visible to people.Not visible to people.

ConceptConcept

DriverDriver’’s Views View

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PrePre--crash Safety Systemcrash Safety System

Stereo Vision System

Millimeter Wave Radar

Driver Monitoring System

Electronically Controlled Brake system & Act.

Pre-Crash Seatbelt

Adaptive Variable Suspension

Near Infrared Projector

Driver Support System ECU

Steering w/VGRS

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Effect of sensor fusion

Stereo Camera

Millimeter Wave Radar

Near Infrared Floodlights

Radar info.Camera info.

Fusion result

障害物検知方式障害物検知方式

Input image

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Bus Interface

Control Processor

SequenceControllerP-cache

32KBD-cache

2KB

Cache Controller

DPLL

PLL

SRAM

e

CLK: 20 MHz

PLLSRAM interface

Video input controller

Cache controller

P-cache32 KB

D-cache 2 KB

Control processor

Bus interface

256 KB internal memory2 KB/PE

SRAM

SupervisorCPU

GeometryTransformation

LSI

Features・128- PE SIMD・4 way VLIW・8/16-bit Instruction

Image Processor

128 8-bit 4-way VLIW PEs

Stereo Image Processor

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VDIM SystemVDIM System

右前輪にブレーキ 比較比較

片輪自動ブレーキによる右向きモーメント

スピンによるスピンによる左向き左向きモーメントモーメント

ステアリング角度センサステアリング角度センサ

ヨーレートセンサヨーレートセンサ

車両状態量推定車両状態量推定

スピン判定スピン判定

ブレーキブレーキ,,エンジン制御エンジン制御

フィードフィードバックバック

ドリフトアウト判定ドリフトアウト判定

––3030~~100100℃℃±±11deg/secdeg/sec

VSC VSC ⇒⇒ VDIMVDIM

サスぺンションサスぺンション,,ステア制御ステア制御

進化進化

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Trouble or Accident.Trouble or Accident.

Parking location check.Parking location check.

Your Your vehiclevehicle’’s s

information information was checked.was checked.

GoodGood!!No change No change in parking in parking locationlocation!!

AccidentAccident!!

Security personnelSecurity personnel

AntiAnti--theft system theft system synchronized.synchronized.

AlarmAlarm

Oh NOOh NO!!

Help MeHelp Me!!

Thank Thank youyou

II’’ll checkll checkusing my using my

cellular phone.cellular phone.

II’’m worried that m worried that my carmy car’’s been s been stolenstolen!!

     Road Support 24Road Support 24      My CAR SearchMy CAR Search

Call CenterCall CenterOperator SupportOperator Support

Security Security companycompany

Your car was Your car was rapidly located rapidly located

and we can take and we can take care of it care of it quickly.quickly.

Car theft?Car theft?

SafetySafetySupport MenuSupport Menu

G-BOOK:Safety Car Life

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ITS and the Ubiquitous NetworkHome

●● Information distribution to the carInformation distribution to the carfrom the dealerfrom the dealer

●● ee--shopping from the carshopping from the car

Vehicle

●●Progress in preventive Progress in preventive safety by ITSsafety by ITS

Town

ITS Society & theUbiquitous Network Society

● Household electrical appliances are operated by remote control from the car.

● A network between home and the hospital

●● Household electrical appliances are Household electrical appliances are operated by remote control from the car.operated by remote control from the car.

●● A network between home and the hospitalA network between home and the hospital

●● Reduction in traffic accidents Reduction in traffic accidents and easing traffic congestionand easing traffic congestionwith infrastructurewith infrastructure

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Customer

PCPC

GG--BOOK CenterBOOK CenterService to link customers with TOYOTA with G-book center playing the key role

Service to link customers with TOYOTA with G-book center playing the key role

【Seamless service】Connectable from cellular phone,PDA & PC

Cellular Cellular phonephone

Data Data communications communications modulemodule((DCM)DCM)

Vehicle with on-board G-book terminal

Plant

Dealership

Automotive Telematics NetworkAutomotive Telematics NetworkSafety Environment Convenience

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車両電子部品の比率の推移車両電子部品の比率の推移

ステレオ、エアコン、ワイパーランプ、バッテリー、ヒータファン

Electronics

Others

3%

Others

Electronics

40%Others

Electronics20%

ABS、TRC、EPS、VDIMパワトレ制御、ナビ、エアバッグ

自動走行、衝突検知、テレマ、乗員検知、X‐By‐Wire

補助的機能 周辺的機能 本質的機能

~1980年 2005年 2015年~

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必要な演算性能必要な演算性能

パワトレ制御

予防・衝突安全

安心・快適

100DMIPS 1DGIPS 10DGIPS

デジタル処理 モデルベース 燃焼圧制御

高度排ガス処理 HV制御 FC制御

パワトレ統合制御 車両統合制御

必要処理性能

ACC制御 白線検知 ステレオ画像処理

乗員検知 衝突回避

自動走行プリクラッシュ

ITS/インフラ協調 渋滞回避走行 インフラ誘導走行

G-BOOK 3Dグラフィックス ブロードバンド接続

ナビ協調運転 人工知能

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直載直載ECUECU

車室内車室内

モジュール直載モジュール直載ECUECU

EE--BOXBOX収納タイプ収納タイプ

エンコパ搭載エンコパ搭載

モジュール一体ECUモジュール一体ECU

直載小型ECU直載小型ECU

バルブモジュール内蔵バルブモジュール内蔵

側面搭載側面搭載

車両電子部品の技術動向(1)車両電子部品の技術動向(1)

高温対応・小型化技術開発が必須

これまでの搭載これまでの搭載 今後の搭載今後の搭載

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車両電子部品の技術動向(2)車両電子部品の技術動向(2)

クラウンクラウン クラスクラス

ECUECU計60個以上計60個以上

((‘‘0606年車種では、年車種では、7070~~8080個個))

  

・単独配置検討は限界・単独配置検討は限界・統一した設計思想による効率化・統一した設計思想による効率化 ⇒設計・素子の標準化 ⇒設計・素子の標準化・・ECUECUサイズの小型・標準化が必要サイズの小型・標準化が必要 ⇒小型 ⇒小型ICICパッケージ・実装技術開発パッケージ・実装技術開発・民生を超えた先端技術が必要・民生を超えた先端技術が必要

車両電子システムの増大に伴い、ECU搭載スペースが厳しくなっており、車両電子システムの増大に伴い、ECU搭載スペースが厳しくなっており、次世代車両成立に向け、次世代車両成立に向け、ECUECUのの小型化・標準化小型化・標準化が必須な状況が必須な状況

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車両電子部品の技術動向(3)車両電子部品の技術動向(3)

ECU小型化が待ったなしの状況:高集積化/高密度実装化

ECUサイズ(体積比)

現状 小型化 超小型化

基板

車両要求値

コンベンショナル型ECUでの小型化コンベンショナル型ECUでの小型化

ECUサイズ目標

各機能部モジュール化新規要素技術導入

各機能部モジュール化新規要素技術導入

素子

コネクタ

微細化

体積1/N (面積1/L×高さ1/H)

耐熱125℃

2008 超小型化

ベアチップ実装超高密度実装

体積1/M(面積1/K×高さ1/H)

ワンチップECU

耐熱125℃

モジュール化

2010 ~微細化

SiP化

(2008~)(2006~) (2012~)

最先端技術導入搭載手法の革命

最先端技術導入搭載手法の革命

(2004)

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車両電子部品の技術動向(4)車両電子部品の技術動向(4)

ECUECU開発工数の開発工数の88割以上がソフト割以上がソフト

0

20

40

60

80

100

120

140

160

'97

Mby

te(

相当

)

0

10

12

14

16

'97 '00 '05 '10

'97 '00 '05 '10

0

開発量開発量 開発工数開発工数

マルチメディアマルチメディアオーディオオーディオボデーボデーエアバッグエアバッグ走行支援走行支援シャシシャシHVHVパワトレパワトレ

Increase of Software Development VolumeIncrease of Software Development Volume

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車両電子部品技術動向まとめ車両電子部品技術動向まとめ

1)自動車電子部品 自動車に使われる半導体はパソコンの10台分 ECU 60~70個/台 @高級車クラス 電子部品の伸びはメカ部品の伸び率の3倍 電子部品コスト比率は約50% @HV車

2)自動車電子化トレンド

 電子部品の小型、高温、高密度化 従来技術を超えた発想の部品開発(ソフト/ハード最適) 部品同士を繋ぐコネクト技術が重要

生体系構造が電子システムの目指す姿(機能毎に独立した電気・電子的構造)

 「快適」「情報通信」「安全の更なる向上のため統合化が進む センサーの数も増加し、MEMS等の開発が促進される 電子部品の品質、コストで車の性能が決定

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Individual Control

NetworkSystem

IntegratedSystem

Integrated System with Infrastructure

2015 ~2006

Trend of vehicle systemTrend of vehicle system

・・・

HardwareHardware

Software

System

Vehicle Integrated System(Application)

AP

Engine

AP

Brake

AP

Steering゙ Engine Brake Steering

Integrated Application

Trend of Electronics systemTrend of Electronics system

~ 2003

Individual Control

電子システムの統合化

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OS

運転支援

ホーム連携

ナビ

G-B

OO

K

予防安全

2006 2008 2010

2

4

6

8

10

2012

処理

能力

[ GO

PS ]

発熱

量[ W

]

5

10

20

30

車載搭載不向きファンなど冷却装置が必須

0.5

OS

ナビ

G-B

OO

K OS

ナビ

G-B

OO

K

予防安全

新たな技術導入が必須■マルチコア型マイコンの採用■並列コンパイラ等の開発環境

新技術の導入新技術の導入

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5Copyright © 2007 Toyota Motor Corporation. All rights reserved.TOYOTA

車両車両ECUECU用半導体開発用半導体開発

高性能マイコン

(マイコン)

統合電源ICバッファ回路(汎用的IC)

出力制御各種バッファ(統合IC)

入力制御センサ処理

通信・マイコン監視(SOC)

車両制御車両制御ECUECU用半導体の内訳用半導体の内訳 マイコン、統合 マイコン、統合ICIC((出力制御出力制御ICIC、、入力制御入力制御ICIC、、マイコン監視マイコン監視))、、 センサ信号処理、統合電源 センサ信号処理、統合電源ICIC、、各種汎用各種汎用ICIC((ロジック、パワーロジック、パワーMOSMOS))

エンジン制御エンジン制御ECUECUの事例の事例

⇒1)⇒1)マイコン、2)統合IC、3)SOC(ASIC)、4)汎用的ICに分類マイコン、2)統合IC、3)SOC(ASIC)、4)汎用的ICに分類**

**SOC:SOC:System On ChipSystem On Chip

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6Copyright © 2007 Toyota Motor Corporation. All rights reserved.TOYOTA

High Integration SOI ICs for Brake Systems

LogicAnalog

Logic

Ana

log

Power

Power

Power

Pow

er

統合統合ICIC開発事例開発事例

Brake System ECU

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7Copyright © 2007 Toyota Motor Corporation. All rights reserved.TOYOTA

統合統合ICICプロセス技術プロセス技術

EE

N+N+N+N+ BaseBase

NN--

CC

N+N+

PsubPsub

BB

BOXBOX

Poly siliconPoly silicon1212uu mm

0.80.8uumm

11 uumm

Trench isolationTrench isolation

- 小型/高温対応のためSOI構造が有利 -

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8Copyright © 2007 Toyota Motor Corporation. All rights reserved.TOYOTA

インテリジェントアクチュエータ技術インテリジェントアクチュエータ技術

Driver IC

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9Copyright © 2007 Toyota Motor Corporation. All rights reserved.TOYOTA

Photomicrograph of TOYOTA Diesel(1CD-FTV:2.0L) Engine

Throttle ActuatorThrottle Actuator

-- High TemperatureHigh Temperature-- Strong VibrationStrong Vibration-- High HumidityHigh Humidity-- LoadLoad--Induced NoiseInduced Noise

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Toyota Luxury Class Automobile Engine Room

PowertrainControl

ECU

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信頼性技術(1)信頼性技術(1)

On EngineOn Transmission

At the Engine(Intake Manifold)

Under hoodNear EngineUnder hood

Remote Location

E-Box

PassengerCompartment

Max Temp. VibrationLevel

FluidExposure

>140℃ 30G

3 - 5G Benign

Harsh

10G

Location

125℃

120℃

110℃

105℃

85℃

20 - 30G

10G

Harsh

Harsh

Harsh

Benign3 - 5G

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信頼性技術(2)信頼性技術(2)

*MIL STD 446 the 7th group

Accuracy

Temperature range of operation

VibrationFluctuation

of power supply Electromagnetic

environment

Other

HomeElectronics Aircraft Automobile

Several % 0.1 to 1%

0 to70℃ -65 to 350℃ -40 to +140℃

5G 20G 25G

±10% ±50%

Good Bad

Water Salt water Salt water,Exhaust gas

0.1 to 1%

±10%

Good

Envi

ronm

ent i

tem

s

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Electromagnetic Environment

100ms

F.S.

10nS

20mS

Static Electricity

High TensionTransmission Lines

1nS

F.S.

F.S.

10μS 200μS

F.S.

★★

CB Radio

Radar FacilityNoise emitted by ECU

Noise emittedby ignition system

F.S.F.S.

F.S.

5 to 6μS

2nS

100nS

TV towerF.S. (F.S.: Filed Strength)Lightning

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Environment of Electronic Components

Heat shockHeat shock

Dew formationDew formation

TemperatureTemperature SunlightSunlight

VibrationVibration

ShockShock

Temporary disconnectionTemporary disconnection

Various oilsVarious oils

Static ElectricityStatic Electricity

Electromagnetic wavesElectromagnetic waves

Reversed connectionReversed connection

High voltageHigh voltage

LoadLoad--induced noiseinduced noise Field decayField decay

Water & Mud waterWater & Mud water

Voltage fluctuationVoltage fluctuation

Load dumpLoad dump

SaltSalt

Floating groundFloating ground

Dirt/dust Dirt/dust Electronic Electronic componentscomponents

Thermal cycleThermal cycleheat shockheat shock

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車載エレクトロニクス部品の統合化の進展により、システムレベルのディペンダビリティディペンダビリティが部品に要求されるが部品に要求される

http://www.kumikomi.net/article/explanation/2005/03osek/01.htmlより引用

車両に搭載されているECU 車載ECUの統合化

車載部品のディペンダビリティ車載部品のディペンダビリティ

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自動車の機能安全自動車の機能安全

IEC61508(Functional safety of electrical/electronic/

programmable electronic safety – related systems IEC61508 – 1: General requirement

– 2: System requirement– 3: Software requirement– 4: Definition– 5: Example for SIL Determination– 6: Guideline for Part 2,3– 7: Techniques Examples

プロセス産業原子力   

産業機械電子制御モータロボット    

    :IEC61511    :IEC61513     :IEC62061    :IEC61800    :ISO10218

医療器械 鉄道 航空機 防衛自動車         

:IEC62304:IEC62278:JAR/FAR 25 1309:Defense Standard 00-56:ISO26262(’08末 ISO化)

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自動車の機能安全自動車の機能安全

IEC61508 ISO26262

対象領域

安全システム搭載

系統エラー

SILレベル

使用実績

SILレベル目標故障率

全産業 自動車

外付け監視可能

SILレベルに応じた遵守プロセス差別化

SIL 1-4

認証時に加味

最少10-9回/Hr

車載に限定

差別化困難

ASIL A-D

証明で説明回避

数値目標議論中

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自動車の機能安全自動車の機能安全

システムレベルで半導体部品の検証

が容易

1チップ化の進展によりシステムレベルで半導体

部品の検証が不可能

SOC化

1)自動車業界において、部品レベル(マイコン、統合IC)レベルの  テスト環境の仕様化が必要2)半導体業界においては部品レベルでの検証能力の把握と、新し  い検証技術の開発を望まれる

機能安全規格 ISO26262 Road Vehicle – Functional Safety を制定中

従来

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半導体における機能安全半導体における機能安全

~2005年 2006 - 2010年 2010年~

従来方式 最近の取り組み 将来技術

・イリーガルアドレス・イリーガルインストラクション・ECC・ウオッチドッグ・冗長周辺回路・スーパーユーザーモード・クロック/電圧監視・サブマイコン監視・フェイルセーフ監視モード

・CPUセルフチェック・ビルトインセルフテスト・オンライン周辺回路チェック

・マルチコア相互監視・トラストゾーン・フォルト トレラント デバイス

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ディペンダビリティディペンダビリティの考え方(例)の考え方(例)

情報系ECU           

制御系ECU信頼性:高

情報系ECU柔軟性:高

ボディ系ECU信頼性:高

制御系ECU信頼性:高

ボディ系ECU信頼性:高

信頼度の異なるシステム間接続は、全体の信頼度は低い側となる

情報系ECUの内部に制御系・ボディ系ECUと同等の高信頼な連携機能と中信頼な領域(ドメインドメイン)に分離

信頼度の影響

連携機能信頼性:高

情報系機能柔軟性:高

高信頼ドメイン 中信頼ドメイン

サービス信頼度

サービス信頼度

機能分離で信頼度の影響を吸収

このままでは高信頼なシステムを構築できない

制御系・ボデー系との接続は高信頼ドメイン

に限定することで、信頼性を確保

各ドメインの必要信頼度を定義し、システム構造に織り込む

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マルチコアマイコン、デュアルOSを用いて2つのドメインを安全に接続し、必要な監視・調停の実現

情報系ECU           情報系ECU           

連携機能信頼性:高

情報系機能柔軟性:高

高信頼ドメイン 中信頼ドメイン

こんにちは

Good by

Hello

さようなら

情報系ECU           

連携機能信頼性:高

情報系機能柔軟性:高

高信頼ドメイン 中信頼ドメイン

①情報を相互に変換

②悪意、不正は遮断

③中信頼ドメインの監視

④共有資源(リソース)の調停

連携モニタ連携モニタ①~④を実現する連携機能部を追加

分離

状態

は維

持しつ

つ・・・

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「制御系OS」現号の制御ソフトPF

車両制御系連携アプリ

車両制御ECU

(ソフトPF)エンジンECU

VDIMHV-ECU

「情報系OS」多彩な情報サービスの動作基盤

「連携部OS」走る・曲る・止まるとの連携動作(車載向け機能)

制御系情報系

汎用ミドルウェア

情報系アプリ

情報系柔軟性と車両制御信頼性の2律背反を確保

マルチコアマイコン搭載例

情報系コア①

オリジナルOS

柔軟性対応 信頼性対応

アプリ

②②

*

*)コア:計算する頭脳の部分

制御系コア①

マルチコア技術マルチコア技術

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車載部品のディペンダビリティ車載部品のディペンダビリティ

(1)自動車用電子システムは加速度的に複雑化が進展     ⇒ディペンダビリティを考慮 ⇒ディペンダビリティを考慮((設計指針)したシステム設計が重要設計指針)したシステム設計が重要

   ⇒外部インフラからの完全なセキュリティ確保が必須   ⇒外部インフラからの完全なセキュリティ確保が必須

(2)自動車の性能はエレクトロニクスが決める様になる      

      ⇒ディペンダビリティの良し悪しが自動車の品質⇒ディペンダビリティの良し悪しが自動車の品質//安全性を決定安全性を決定

   ⇒エレクトロニクス化が進むとシステムの脆弱性も高まる   ⇒エレクトロニクス化が進むとシステムの脆弱性も高まる

(3)自動車の進化のためにはシステムの複合化が必須     ⇒ディペンダビリティを担保した実装技術、部品技術、     半導体技術(回路、製造、検査技術)が重要

(4)システムから半導体開発までスルーで開発出来る  (ホールが無い)開発環境がディペンダビリティに必須     ⇒最適なハード⇒最適なハード//ソフトの機能分担、設計ツールのチェーン化ソフトの機能分担、設計ツールのチェーン化

     ⇒高精度⇒高精度//高速動作モデル:メカとエレキの境界検討高速動作モデル:メカとエレキの境界検討   ⇒部品レベルの完璧な   ⇒部品レベルの完璧なディペンダビリティ実現をシステム側は期待