熱木星會引起母星自轉軸擺動

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

英國劍橋大學（University of Cambridge）天文學家Nikku Madhusudhan等人透過哈柏太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）尋找並研究系外行星大氣中的水汽，結果發現有3顆系外行星水汽含量比原本預期的還低很多。

這3顆系外行星分別為HD 189733b、HD 209458b和WASP-12b，距離介在60光年至900光年之間，三者均為熱木星（hot Jupiter），即類似木星的氣體巨行星，但非常接近其母恆星，使得其表面溫度偏高，介在攝氏540度至2200度之間，所以是尋找水汽的好目標。他們的確在這些系外行星的大氣中找到水汽了，然而結果卻讓這些天文學家相當驚訝，因為這些系外行星大氣中的水汽含量僅有標準行星形成理論所預測的1/10至1/1000而已。這個結果，顯然讓現行的標準行星形成理論相當難堪，必須進行檢討與修正，尤其是熱木星的部分。

雖然水汽含量不若預期，好在他們的確在系外行星大氣中發現水汽，而這3顆又是很靠近母恆星而使表面溫度偏高的熱木星，這意味著在距離母恆星稍遠一些的適居區中，在地球級大小的系外行星表面偵測到水的存在是極有希望的。只不過未來太空望遠鏡上用來偵測系外行星大氣中水汽的儀器，其靈敏度必需再提高，才能應付這些比預期還乾燥許多的狀況，或是質量比熱木星小許多、比較沒辦法留住水分的超級地球。

之所以先挑選這三顆系外行星做為主要目標，是因為它們的母恆星比較亮，較容易取得它們的紅外光譜。恆星星光穿過行星大氣時，會被行星大氣中的水汽吸收部分星光而形成吸收譜線，這些天文學家便可透過譜線來估計行星大氣中的水汽含量。

現行較為人接受的太陽系中巨行星形成理論是所謂的核吸積理論（core accretion），在恆星非常年輕的時期，主要由氫、氦、冰粒和塵埃組成的原行星盤中，塵埃彼此沾黏聚集成長成愈來愈大的塵粒，最終形成一個固態核心；而後這個固態核心便能飛快地聚積固態和氣態物質，直到一顆巨行星誕生。

這個理論預期行星上不同元素所佔的比例比其母恆星還多，特別是氧元素。一旦巨行星形成之後，其大氣中的氧元素會與氫元素結合而形成水分子。然而，Madhusudhan等人的低水汽含量偵測結果，顯示行星形成過程中的化學組成顯然與理論預期的不相同，顯示核吸積理論必須予以修正，才能符合實際觀測結果。

資料來源：Hubble Finds Three Surprisingly Dry Exoplanets. HubbleSite [24 July,  2014]

轉載自 網路天文館

2012年系外行星界的最大新聞或許是從克卜勒太空望遠鏡（Kepler）釋出的觀測資料，發現銀河系中的地球級岩質系外行星相當普遍，很可能每顆恆星旁都至少有一顆這樣的岩質行星。但對於大一點、那些所謂的「熱木星（Hot Jupiters）」—與我們太陽系中的木星類似且非常靠近母恆星的氣體巨行星，有最新研究顯示：與那些小型的岩質行星相較之下，這些熱木星或許是稀有品種。

由於熱木星質量大且靠近母恆星，對母恆星的重力擾動比較容易偵測得到，因此事實上天文學家最先發現的系外行星就是熱木星，這種偵測方式稱為「徑向速度法（radial velocity method）」；後來才因克卜勒任務的關係而陸續偵測到小型岩質行星。加州理工學院（Caltech）天文學家John Johnson等人，分析克卜勒太空望遠鏡的觀測資料後卻發現：木星級的大型氣態行星並沒比地球級的小型岩質行星容易偵測到。

克卜勒太空望遠鏡是以「凌日法（transit）」來偵測系外行星，也就是行星經過恆星前方時，會使恆星亮度稍微下降的現象。不過，Johnson等人小心分析比較克卜勒所偵測到的熱木星凌日資料，與地面望遠鏡以徑向速度法偵測到熱木星的發現率，結果發現克卜勒資料中所發現的熱木星比例低到不可思議的地步。

對於這個異常現象可能的解釋之一，是這些熱木星必須在特定的恆星周圍才能成長。當一顆恆星形成後，其誕生地殘餘的氣體塵埃雲中所含有的重元素比例有的高、有的低。有個理論認為：重元素含量（即所謂的「金屬豐度，metallicity」）較高的恆星比較容易形成類似木星的氣體巨行星。

Johnson表示：徑向速度法所搜尋的恆星絕大部分都在太陽附近。我們可能恰好處在銀河系一個金屬豐度比較高的部分，因此在太陽鄰近區域搜尋到的熱木星比較多。相對的，克卜勒任務所偵測的恆星範圍廣泛，並不侷限在太陽鄰近區域，由此可知，熱木星的數量可能並不如先前認為的那樣普遍。

Johnson等人目前計畫嘗試要在克卜勒任務觀測的天區進行系外行星金屬豐度的測量，看看它們的金屬豐度是否比較低。測量結果或許就可以解釋為何克卜勒任務所發現的熱木星級系外行星比預期中還少的狀況，並證實我們太陽系是否真的恰好處在銀河系中金屬豐度比較高的區域。更甚者，如果木星級系外行星真的比認為的還要稀少，那麼我們的太陽系或許就是個「不正常」的行星系統。

資料來源：Where are the giants? NASA JPL [August 08, 2012]

轉載自 網路天文館