世紀(jì)機(jī)遇！ AI和無(wú)人駕駛需求下的未來(lái)汽車電子架構(gòu)

　　這是一款中級(jí)豪華轎車的電子電器架構(gòu), 如圖1所示, 是一種平行的、由不同帶寬和信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn) (protocol) 并通過(guò)網(wǎng)關(guān)(Gateway)連接而成的網(wǎng)絡(luò)， 這里有CAN(controller area network)、FlexRay、MOST、LIN、LVDS(Low voltage differential signaling)，甚至模擬信號(hào)的直接連接。

　　車載電子網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有上萬(wàn)個(gè)信號(hào)在不同傳輸標(biāo)準(zhǔn) (protocol)下收發(fā)，不同形式的軟件在不同的上百個(gè)的電子控制模塊運(yùn)行，軟件的規(guī)模已經(jīng)超過(guò)100 Mio.行，如何把控這樣的復(fù)雜體系，有效地驗(yàn)證其整體功能和安全， 還同時(shí)要把研發(fā)和整車成本控制在一定的范圍內(nèi)，這是主機(jī)廠現(xiàn)在面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

　　讓我們回顧一下個(gè)人電腦(Personal Computer)的發(fā)展歷程，自1981年8月IBM發(fā)明PC以來(lái)， 電腦的硬件架構(gòu)是基本固定的和可擴(kuò)展的(scalable)， 有CPU、GPU， 有PCI-Bus，有端口USB、VGA、HDMI，還有工作內(nèi)存、硬盤或SSD; 軟件方面，有一個(gè)操作系統(tǒng)，有不同的應(yīng)用軟件，而連接這些PC的網(wǎng)絡(luò)，是以太網(wǎng)(Ethernet) 。

　　圖2 IBM PC5150

　　這里作者指出，汽車的電子模塊對(duì)比PC，有如下的巨大區(qū)別：

　　圖3 汽車電子模塊與PC的對(duì)比

　　面對(duì)車聯(lián)網(wǎng)(V2X) 、駕駛輔助系統(tǒng)ADAS(advanced driver assistance system) 、整車電氣化(electrification) 、以及未來(lái)無(wú)人駕駛(autonomous driving)的市場(chǎng)，現(xiàn)有汽車的電子電器架構(gòu)已經(jīng)不能滿足未來(lái)的需求了。大量的數(shù)據(jù) (雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭、以及其它各種傳感器的信號(hào)，還有V2X的信號(hào))需要接收、處理、并發(fā)出相應(yīng)的指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　對(duì)此，筆者提出如下三個(gè)觀點(diǎn)：

　　第一：開(kāi)發(fā)和制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、可擴(kuò)展的汽車用電腦，把它稱為iPC(車載電腦)

　　iPC如同一個(gè)高性能的、可擴(kuò)展的PC，擁有標(biāo)準(zhǔn)的CPU (central processing unit)、GPU (graphic processing unit) 、SoC(system on chip)，和其它可擴(kuò)展的AI芯片，比如NPU (neuronal network processing unit) 。在2000年，我還在德國(guó)戴姆勒集團(tuán)負(fù)責(zé)動(dòng)力總成電子系統(tǒng)，和同事們研討未來(lái)汽車電子時(shí)，就有了iPC想法的雛形 。

　　iPC的操作系統(tǒng)可以統(tǒng)一，比如Linux。iPC的網(wǎng)絡(luò)端口主要是以太網(wǎng)(Ethernet)，帶寬1Gbps至100Gbps，集成了未來(lái)的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)， 以及I/O端口。這是屬于PC和服務(wù)器制造公司、創(chuàng)新科技公司的一次世紀(jì)機(jī)遇!也是汽車電子行業(yè)重新洗牌的時(shí)刻!

　　第二：制定和實(shí)施汽車以太網(wǎng)(automotive ethernet)

　　以太網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人電腦、工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。未來(lái)的中國(guó)制造2025、或者德國(guó)工業(yè)4.0，物聯(lián)網(wǎng)(internet of things)，它們都有一個(gè)共同的載體Ethernet!汽車網(wǎng)絡(luò)之所以至今少有應(yīng)用以太網(wǎng)(少數(shù)在多媒體的應(yīng)用除外)，其中一個(gè)主要障礙就是以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性 (real time capability) 。

　　以太網(wǎng)一般要等待先傳輸?shù)囊粋€(gè)信號(hào)包 (package)投遞到達(dá)，才能傳輸?shù)诙€(gè)信號(hào)包，這樣，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向或制動(dòng)系統(tǒng)的控制信號(hào)，是不能滿足要求的。為了使以太網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)控制(time trigged)，IEEE802.3制定標(biāo)準(zhǔn)，可以發(fā)送快遞信號(hào)包(express package)，它可以先暫停在傳輸中的信號(hào)包，讓快遞信號(hào)包實(shí)時(shí)送達(dá)后，再傳送暫停了的信號(hào)包，以解決發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制問(wèn)題。另外，如果利用PoE(Power over Ethernet)，可實(shí)現(xiàn)不外加線束、直接驅(qū)動(dòng)一些執(zhí)行器。

　　第三：開(kāi)發(fā)獨(dú)立于硬件的應(yīng)用軟件

　　現(xiàn)有五花八門的車載電子控制模塊，因?yàn)樗鼈儊?lái)自不同的Tie1，有不同的硬件、不同的操作系統(tǒng)，更有不同的應(yīng)用軟件，這對(duì)于OEM來(lái)講，是一個(gè)極高成本的、大風(fēng)險(xiǎn)的、十分復(fù)雜的集成和驗(yàn)證工作。

　　如果有了車載電腦iPC，有了iPC的統(tǒng)一的操作系統(tǒng)，就能給與軟件科技公司一次巨大的機(jī)遇，開(kāi)發(fā)獨(dú)立于硬件的應(yīng)用軟件，如同App，可以在不同的硬件環(huán)境下正常運(yùn)行, 客戶甚至可以依據(jù)個(gè)人需求付費(fèi)下載(new business model)， 也使OEM可以簡(jiǎn)單地集成、驗(yàn)證、再用(re-use) 。我的一些德國(guó)汽車主機(jī)廠(BBAP)的同行們，同樣希望有獨(dú)立于硬件的應(yīng)用軟件，便于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、再應(yīng)用(re-use)，甚至便于切換Tie1。

　　圖4 開(kāi)發(fā)獨(dú)立于硬件的應(yīng)用軟件(汽車車載App)

　　圖 5 基于iPC的汽車電子以太網(wǎng)

　　總結(jié)

　　汽車電子的未來(lái)架構(gòu)將是車載以太網(wǎng)(automotive ethernet) 。

　　作者在這里提出三個(gè)觀點(diǎn)：

　　1) 標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展的車載電腦iPC

　　2) 統(tǒng)一的操作系統(tǒng) (比如Linux)

　　3) 獨(dú)立于硬件的應(yīng)用軟件

　　這將是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)，給與PC、服務(wù)器制造商和科技創(chuàng)新公司，以及獨(dú)立的軟件科技公司帶來(lái)了嶄新的商機(jī) 。打破系統(tǒng)Tie1的壟斷，正是中國(guó)零部件企業(yè)的世紀(jì)機(jī)遇!

　　預(yù)測(cè)到2025年， 以太網(wǎng)在汽車電子的滲透率將超過(guò)50%， 而它帶來(lái)的不僅是技術(shù)的跨越，也是降低成本、輕量化和汽車個(gè)性化(iPC的App， 軟件更新OTA)， 車聯(lián)網(wǎng)V2X，無(wú)人駕駛(routing & map via cloud)的新突破。