世紀機遇！ AI和無人駕駛需求下的未來汽車電子架構

chinco

圖1 一款豪華轎車的EE架構

這是一款中級豪華轎車的電子電器架構, 如圖1所示, 是一種平行的、由不同帶寬和信號傳輸標準 （protocol） 并通過網關（Gateway）連接而成的網絡， 這里有CAN（controller area network）、FlexRay、MOST、LIN、LVDS（Low voltage differential signaling），甚至模擬信號的直接連接。
車載電子網絡已經有上萬個信號在不同傳輸標準 （protocol）下收發，不同形式的軟件在不同的上百個的電子控制模塊運行，軟件的規模已經超過100 Mio.行，如何把控這樣的復雜體系，有效地驗證其整體功能和安全， 還同時要把研發和整車成本控制在一定的范圍內，這是主機廠現在面臨的一個巨大挑戰。
讓我們回顧一下個人電腦（Personal Computer）的發展歷程，自1981年8月IBM發明PC以來， 電腦的硬件架構是基本固定的和可擴展的（scalable）， 有CPU、GPU， 有PCI-Bus，有端口USB、VGA、HDMI，還有工作內存、硬盤或SSD； 軟件方面，有一個操作系統，有不同的應用軟件，而連接這些PC的網絡，是以太網（Ethernet） 。

圖2 IBM PC5150

這里作者指出，汽車的電子模塊對比PC，有如下的巨大區別：

圖3 汽車電子模塊與PC的對比

面對車聯網（V2X） 、駕駛輔助系統ADAS（advanced driver assistance system） 、整車電氣化（electrification） 、以及未來無人駕駛（autonomous driving）的市場，現有汽車的電子電器架構已經不能滿足未來的需求了。大量的數據 （雷達、激光雷達、攝像頭、以及其它各種傳感器的信號，還有V2X的信號）需要接收、處理、并發出相應的指令到執行機構。
對此，筆者提出如下三個觀點：
第一：開發和制定一個標準的、可擴展的汽車用電腦，把它稱為iPC（車載電腦）
iPC如同一個高性能的、可擴展的PC，擁有標準的CPU （central processing unit）、GPU （graphic processing unit） 、SoC（system on chip），和其它可擴展的AI芯片，比如NPU （neuronal network processing unit） 。在2000年，我還在德國戴姆勒集團負責動力總成電子系統，和同事們研討未來汽車電子時，就有了iPC想法的雛形 。
iPC的操作系統可以統一，比如Linux。iPC的網絡端口主要是以太網（Ethernet），帶寬1Gbps至100Gbps，集成了未來的5G移動網絡， 以及I/O端口。這是屬于PC和服務器制造公司、創新科技公司的一次世紀機遇！也是汽車電子行業重新洗牌的時刻！
第二：制定和實施汽車以太網（automotive ethernet）
以太網在互聯網、個人電腦、工業自動化已經有了廣泛的應用。未來的中國制造2025、或者德國工業4.0，物聯網（internet of things），它們都有一個共同的載體Ethernet！汽車網絡之所以至今少有應用以太網（少數在多媒體的應用除外），其中一個主要障礙就是以太網的實時性 （real time capability） 。
以太網一般要等待先傳輸的一個信號包 （package）投遞到達，才能傳輸第二個信號包，這樣，對發動機、轉向或制動系統的控制信號，是不能滿足要求的。為了使以太網能夠實時控制（time trigged），IEEE802.3制定標準，可以發送快遞信號包（express package），它可以先暫停在傳輸中的信號包，讓快遞信號包實時送達后，再傳送暫停了的信號包，以解決發動機、轉向、制動系統的實時控制問題。另外，如果利用PoE（Power over Ethernet），可實現不外加線束、直接驅動一些執行器。
第三：開發獨立于硬件的應用軟件
現有五花八門的車載電子控制模塊，因為它們來自不同的Tie1，有不同的硬件、不同的操作系統，更有不同的應用軟件，這對于OEM來講，是一個極高成本的、大風險的、十分復雜的集成和驗證工作。
如果有了車載電腦iPC，有了iPC的統一的操作系統，就能給與軟件科技公司一次巨大的機遇，開發獨立于硬件的應用軟件，如同App，可以在不同的硬件環境下正常運行, 客戶甚至可以依據個人需求付費下載（new business model）， 也使OEM可以簡單地集成、驗證、再用（re-use） 。我的一些德國汽車主機廠（BBAP）的同行們，同樣希望有獨立于硬件的應用軟件，便于進一步開發、再應用（re-use），甚至便于切換Tie1。

圖4 開發獨立于硬件的應用軟件（汽車車載App）

圖 5 基于iPC的汽車電子以太網

總結
汽車電子的未來架構將是車載以太網（automotive ethernet） 。
作者在這里提出三個觀點：
1） 標準化、可擴展的車載電腦iPC
2） 統一的操作系統 （比如Linux）
3） 獨立于硬件的應用軟件
這將是未來汽車發展的趨勢，給與PC、服務器制造商和科技創新公司，以及獨立的軟件科技公司帶來了嶄新的商機 。打破系統Tie1的壟斷，正是中國零部件企業的世紀機遇！
預測到2025年， 以太網在汽車電子的滲透率將超過50%， 而它帶來的不僅是技術的跨越，也是降低成本、輕量化和汽車個性化（iPC的App， 軟件更新OTA）， 車聯網V2X，無人駕駛（routing & map via cloud）的新突破。
作者劉曉毅博士（觀昱機電技術（CostKey-Solutions.com）創始人），德國戴姆勒集團（奔馳汽車）21年的資深汽車技術經驗（動力總成電子控制系統系列開發和商務車電子架構設計、整車企劃、成本工程、新工藝開發、變速箱生產等部門高級經理），主導過奔馳汽車重卡16擋自動化變速箱系列開發、動力總成零部件和空客大型結構件的新工藝開發、電動商務車整車和成本企劃、商務車及轎車的多項降低成本重點項目（PKO/OPTIMA，CTX， CORE）。長城汽車技術中心擔任高層技術管理，為長城汽車集團組建了中國車企第一個全建制的成本工程體系、方法和流程，并使它融入了集團的整個產品過程。

來源：蓋世汽車

深圳奧立科www.aureke.com/，www.aureke.1688.com/；深圳辰馳電子www.chinco.co/