為實現自駕車與汽車電子化的願景，汽車產業技術持續演進，而隨著自動駕駛、電子移動性、車聯網和車載乙太網路的迅速發展，目前所見的技術演進可能在短短幾年內就顯得微不足道。
還記得所有對未來的預測全都包括2020年飛行汽車的願景嗎？儘管這一項技術突破尚未得到廣泛應用，但不可否認的是，現代汽車展現了技術奇蹟。目前和下一代汽車的創新，將在四個關鍵領域增進功能和效能：自主性、能源效率、連接性和電子化。
汽車創新的動機和目標
汽車工程師和製造商希望通過這些附加技術來完成什麼？整體而言，汽車創新受到四個獨立但又相關的目標所驅動：
1. 每年減少約123萬汽車相關死亡人數。想要達成此目標，需要先進駕駛輔助系統(ADAS)的快速進步，進而實現自動駕駛的願景。所需的技術創新包括雷達感應器、基於雷射成像儀的光達感應器，以便判斷與周遭物體的距離以及多台攝影機和在高階伺服器上運作的人工智慧演算法。
2. 減少排放量。此外，為了滿足法規要求，製造商積極開發油電混合車、新的燃料電池，或是全電動車。所需的技術創新包括改良式電池、更有效的功率轉換、更低的電子功率損耗。
3. 乘客希望在不增加成本的情況下，獲得豐富、多樣化的資訊和娛樂。雖然性價比仍是汽車銷售的關鍵因素，但網際網路催生了一種新型的消費者，他們希望自己的汽車能夠像電腦、手機甚或起居室一樣，提供緊密的連接性。所需的技術創新包括5G行動網路的廣泛可用性，以及透過車載乙太網路實現的超高速車內連結。這種連接可能會引起駭客的興趣，因此一定要做好網路安全防禦。
4. 新應用開始推動買氣。有了特斯拉(Tesla)這樣的技術創新者作為開路先驅，無線應用程式更新已從概念走向現實。就像電腦和蜂巢式系統一樣，應用程式更新、功能更新、配置，甚至安全功能升級，現在都可以直接上傳到汽車作業系統。
想要享受這些新興技術的好處，就須不斷將基礎技術創新。為了推動技術創新，必須在基礎技術與未來願景之間有所取捨。
自動駕駛汽車
自動駕駛是汽車領域最具企圖心的創新項目之一。汽車工程師協會和國家高速公路交通安全管理局定義了六個不同等級的自動駕駛，從駕駛控制一切的第零級，到在各種情境中汽車能力等於(甚至優於駕駛)的第五級(圖1)。不論在任何情況下，第五級自動駕駛汽車都不需要人為操控(甚至互動)。
圖1 自動駕駛的六個級別圖1 自動駕駛的六個級別
隨著這一項轉變，汽車產業已經取得了重大進展，特斯拉、奧迪、凱迪拉克、Mercedes和BMW等製造商所生產的第二級汽車，駕駛無須操控汽車，也就是不用再手握方向盤並腳踩油門或剎車踏板。由Google獨立出來的汽車公司Waymo，最近開始在美國亞利桑那州的公共道路上測試一輛第四級汽車，所有重要安全功能都由汽車掌控。
事實證明，這種駕駛移交功能是最困難的。正如Waymo在其2017年安全報告中指出，第三級汽車中的駕駛對這些系統過於自信，最後不得不從混亂的狀態中接管，而且對於當前情況僅一知半解。事實上，在「無人駕駛汽車」測試中，最初的碰撞事故往往可歸咎於駕駛分心，因為駕駛無法在必要時，或者其他汽車駕駛出現失誤時妥善接管。
感應器、連接性全都是實現無人駕駛汽車創新所需的技術，當然，還有用於即時解讀資訊的智慧演算法。大多數現代汽車均使用同步定位與地圖構建(SLAM)演算法的各種變型。SLAM利用來自多個感應器的資訊和離線地圖來計算當前汽車位置，並產生目前環境中的更即時地圖。
無人駕駛汽車中的多個感應器可為SLAM演算法提供重疊的資訊，包括：
GPS資料可用於計算當前位置和到達最終目的地的可用路線。
利用多台攝影機提供立體視覺畫面，以便判斷與物體的距離並避開路徑中的障礙物，並且偵測車道標記和道路標誌等二維資訊。
LIDAR可以3D掃描方式提供周圍環境中地形和物體的樣貌。
短距聲波雷達與偵測器可用於探測汽車與周圍物體的接近程度。
較長距的77Ghz雷達則有助於增強距離和速度控制、剎車輔助和緊急剎車，這對於全天候自動駕駛尤其有用。
IMU結合來自內部加速度計、陀螺儀和磁力計的輸入，以提供有關汽車行駛速度、轉彎速度，以及角度、方向、加速和其他因素的資訊。
神經網路可實現機器學習，以便在實際駕駛情況下持續改進功能。
大多數ADAS解決方案使用上述技術的任意組合，並整合了各種光學、光達和雷達系統感應器。這對於汽車的整體基礎設施有極重要的影響，除了須整合來自多個感應器的資訊並迅速做出回應之外，還須穩定的車內通訊網路。
每個感應器須在熱、冷、雪、雨、灰塵等各種工作條件下維持出色的效能，而且要夠簡單，無須持續維護就能可靠地運作。感應器組合須連接到汽車中的中央處理器，以便在毫秒內作出決定，然後連接到電子版本的實體致動器，以接合方向盤和剎車功能。
進入電子化
要實現零排放的目標，需要更高的電子移動性(e-Mobility)。簡單地說，就是電動車。雖然油電混合車離完全擺脫內燃機還有一段距離，但真正的最終目標是全電動車。油電混合車與全電動車的優勢和挑戰很相似，因此我們可以一併考慮這兩種車款。
充電便利性和電池容量是油電混合車和電動車的主要挑戰。目前有多種電池可供選擇，第一代汽車大多使用鉛酸蓄電池，但新型高速汽車則逐漸改用鋰離子蓄電池。鋰離子電池具有比傳統鉛酸電池更好的功率重量比，但壽命更短，須更頻繁地更換。
解決方案之一是有效的電源轉換。電動車使用直流電，但典型充電站的電源為交流電。因此需在充電站進行電流轉換。充電時間從一小時(最好的狀況)到幾天(最壞的狀況)不等。但是，如果有適當的高能充電站，充電時間可縮短至30分鐘或更短。
電動車所面臨的電源挑戰，使得製造商極盡全力提高電池效率。然而，隨著車內感應器、攝影機和資訊娛樂系統增加，功耗也進一步提高。雖然某些系統，如再生式剎車，可在行進間為電池局部充電，但電動車必須透過一次性充電，才能支援汽車運作，以便提供各種與燃油消耗無關的舒適性與便利性。暖氣供應就是一個簡單的例子。內燃機可重新利用引擎產生的熱量，為座艙內的乘客提供暖氣；而在電動車中，加熱和冷卻是兩個獨立的子系統，每個子系統都須以特定的功率來運作。
隨著電動車變得越來越普及，多項創新技術正致力於提高電池效率、電源轉換效率及電子負載，進而增加行駛里程數。電動車未來還會推出更多的創新技術，但目前其已開始趕上內燃機汽車在款式、價格、性能和便利性等方面的優勢，並且取而代之。
隨時聯網汽車
從最早的無線路環境，到今日的聯網運作，汽車內通訊已經走了很長的一段路，最近更進入了車聯網的新時代。最先推出的是OnStar緊急援助系統，可在發生事故時建立汽車與急救人員之間的聯繫。歐洲類似的eCall系統於2013年獲得歐盟委員會批准。正是這些微小的開端，奠定了當代的汽車連接性。
現代汽車使用各種通訊協定與外界保持聯繫，包括：
可提供Sirius XM等訂閱式無線電服務。
透過GPS、全球導航衛星系統(GLONASS)、BeiDou及Galileo進行單向衛星導航。
其可提供更廣泛的汽車通訊。
其可提供Internet連結。
DSRC可提供各種資訊，如行車安全(汽車碰撞、汽車急救順序)、便利性(自動安全檢查、收費支付、停車方向)和交通效率(長途貨運隊伍)等。
新興的雙向5G蜂巢式網路適用於低延遲的Gigabit級高速網路，可為車載網路提供高頻寬的音頻和視訊傳輸，並將一些須進行大量運算的安全功能交由雲端設施處理。
然而，未來的創新挑戰並沒有比較少。5G網路開始在城市地區展開初始部署，但郊區的連接性仍然相都受限。在一般高速公路上，可能會有很多通訊死角，至少最開始是這樣。已建立的連結時斷時連，將是車聯網面臨的新挑戰之一。另一方面，許多政府單位正密切評估網路連線對汽車安全的必要性，是否真的有需要對所有地區提供全面的覆蓋範圍。想像一下1950年代的美國州際高速公路系統計畫，只不過現在所要連接的是資料，而不是道路。
ADAS將改變我們與汽車互動的方式，而資料連接對實現ADAS承諾至關重要。正如 Intel 5G業務和技術事業群總經理Rob Topol所說，當人坐在汽車後座時，其將經歷全新的體驗。無須全心投入於汽車駕駛的任何操控。隨著人們在車內的空閒時間變多，汽車所需的頻寬也將呈現指數性成長。
對消費者最具吸引力的，或許是自動駕駛的聯網汽車，已經可以提供日常居家服務。在後座玩遊戲、收聽高品質音樂、觀看高解析度3D影片，以及擴增實境等，都只是個開端。車內Wi-Fi還可為乘客和駕駛提供衛星導航。選擇自己開車的駕駛，可觀看部署在整個擋風玻璃上的車用抬頭顯示器。除了燃料、機油和胎壓之外，還可提供更多實用的資訊；事實上，每個系統的資訊都是可查詢且和可顯示的。2020年的汽車革命，很多方面都與2007年的智慧型手機革命相似。當初裝置供應商、服務供應商和消費者都知道我們正處於變革的邊緣，但沒有人預料到手機會變得無所不在、功能強大，並且有智慧。隨著車聯網快速發展，資料連接和功耗需求也開始增加，和當年智慧型手機資料爆炸的情況很像。
汽車通訊不限於車內或汽車對雲端，終極目標是汽車對一切(V2X)。V2X的主要類型包括：
如果汽車能夠與周圍的其他汽車進行通訊，則防撞、死角監視和交通管理的可能性將大大升高，進而安全地縮小以下的距離。
對於油電混合和全電動車而言，能與電網通訊有很多好處。想像一下，如果能在非尖峰時間，以最便宜價格購買電力，或者將儲存的電力轉賣給電力公司。
如此可將汽車和智慧型手機之間的互動，擴展到娛樂應用之外，包括無鑰匙開啟車門和發動引擎，以及共享汽車等應用。
透過路邊Beacon告知駕駛關於道路封閉、交通模式、緊急狀況和其他相關資訊，以擴展蜂巢式通訊應用。
利用來自V2X伺服器LTE廣播對廣播訊息，汽車可發送和交通與危險狀況有關的單播訊息。
美國運輸部定義了86個不同的應用程式，可幫助汽車駕駛和行人(包括自行車和摩托車)更安全地互動。從允許行人獲得汽車接收到的各種基礎設施信號的行動應用程式，一直到可對人行道、死角、路肩，或其他危險地點進行進階探測的應用程式進階探測。
汽車與LAN交集
要實現這些目標，須用到更多的車用電子。除了各項創新都需要電子裝置外，另外還有可增進便利性、安全性和舒適性的電子裝置，包括：
現代汽車的功能還可以持續列上好幾頁。想要緊密連接這些裝置以及先前提及的所有其他感應器，則需要良好的布線線束。一般而言，汽車的每個系統都有自己專屬的纜線和其專屬的協定，包括控制器區域網路(CAN)、FlexRay、媒體導向系統傳輸(MOST)和低壓差動信號(LVDS)。布線線束是汽車中重量第三重的元件，也是成本第三高的系統。在汽車裝配過程中，布線線束占了50%的勞動力成本。
車載乙太網路為布線線束成本和重量提供了新的解決方案。乙太網路是傳統區域網路(LAN)中眾所周知、值得信賴且無所不在的解決方案。由於難以滿足汽車EMI/RFI規格，乙太網路進入汽車市場的速度已經減緩。對於行進間的汽車來說，傳統的乙太網路太多雜訊，而且很容易受到干擾。有些汽車在維護期間，使用乙太網路進行系統診斷和韌體更新，但在汽車行進間則避免使用乙太網路。ISO 13400定義了系統診斷和韌體更新標準。
不過乙太網路具有多點連接、較高頻寬和低延遲等優勢，對製造商還是有很大的吸引力。技術創新和協定的標準化，讓這些問題開始迎刃而解。
1. 汽車開放系統架構(AUTOSAR)是由製造商、供應商和其他第三方廠商共同制定的軟體架構。這些標準大多基於現有的TCP/UDP/IP協定。其目的是藉由讓車載裝置能在單一共享基礎設施上運作，以減少布線線束。
2. 單對乙太網路(OPEN)是Broadcom用於車載乙太網路之BroadR-Reach 實體層協定的標準化版本。它透過單對銅纜，以100Mbps的速率雙向傳輸資料。由於頻寬較低(相較於1Gbps乙太網路)，而且是單對纜線，OPEN符合汽車產業的EMI要求。
3. IEEE 802.3bp工作小組正在研究車載1Gbps乙太網路。
4. 乙太網路供電(PoE)將用於為汽車內裝置供電。IEEE 801.3bu 1-Pair Power over Data Lines小組正進行OPEN的研究和標準化工作。
5. 低功耗乙太網路可關閉停止運作的裝置，以便節省電池消耗並降低功耗
6. 可同步多個感應器(IEEE 802.1AS)，並將延遲敏感封包排序(IEEE 802.3br Interspersed ExpressPackets)的時序標準。
7. IEEE時間敏感網路任務小組定義了許多共享網路的延遲和頻寬標準。包括了StreamReservation (802.1Qat)和Queuing and Forwarding for AV Bridges(801.1Qav)。此外，還針對第二層(IEEE 1722)和第三層(IEEE 1733)網路的時間敏感應用定義了標準。
汽車產業的一個重要趨勢，是透過乙太網路這種高頻寬、低延遲的共享網路，使用一個通用切換器，將所有感應器、攝影機、診斷系統和其他系統，緊密連接起來(圖2)。
圖2 聯網汽車系統配置
為新世代做好準備
汽車產業的創新速度令人興奮，並且各種創新仍持續成長。隨著自動駕駛、電力推進、車聯網和車載乙太網路的迅速發展，我們今天感到驚奇的進步，可能在短短幾年內就顯得微不足道。更新奇，甚至更驚人的發展即將發生。雖然創新挑戰依然存在，但汽車產業正轉變為自己的創新中心。
在90年代，電子裝置與Internet網路的突飛猛進，使得家庭生活展現了新風貌。到了2000年，智慧型手機也出現了類似的變革。在2020年代，汽車也會出現類似的轉變。這些改變將徹底顛覆我們與汽車的互動方式，有人需要飛行汽車嗎？也許那將是2025年的汽車創新。