車輛即平臺 軟件定義汽車方興未艾

打造夢想中的汽車不再僅僅圍繞著馬力和內(nèi)飾等因素。隨著電動汽車市場的加速發(fā)展和邊緣計算擴展了汽車連接的新功能，汽車行業(yè)正在經(jīng)歷一些重大變化。

軟件定義意味著利用其現(xiàn)有的硬件平臺，以及移動可能已經(jīng)編碼在硬件或ROM中的功能，并將它們帶入到標準化硬件上運行的軟件層。軟件層還增加了導(dǎo)入新功能的能力。消費者現(xiàn)在其實已經(jīng)正在使用軟件定義設(shè)備，例如智能手機便是，透過應(yīng)用商店連接到手機，并為手機提供不同的音訊串流能力。

至于軟件定義的車輛，包括了儀表板或ADAS系統(tǒng)。將所有這些能力都整合在一個軟件平臺上，即使硬件保持不變，OEM制造商或系統(tǒng)整合商與供應(yīng)鏈都可以輕松選擇和更改構(gòu)成該解決方案的軟件組件。

汽車開發(fā)面臨挑戰(zhàn)
要達成ADAS、IVI、電氣化動力系統(tǒng)與自動駕駛等目標，汽車程序的復(fù)雜性就越來越高，且各項功能必須同時運行。

 
圖一 : Arm亞太區(qū)車用市場資深總監(jiān)鄧志偉

隨著車輛的架構(gòu)與功能持續(xù)演化，系統(tǒng)的復(fù)雜度也越來越高。這些復(fù)雜化的發(fā)展也為驅(qū)使車用操作數(shù)件面對了全新的挑戰(zhàn)。Arm亞太區(qū)車用市場資深總監(jiān)鄧志偉指出，當(dāng)前汽車開發(fā)人員面臨的挑戰(zhàn)在于，若要達成先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI）、電氣化動力系統(tǒng)與自動駕駛等目標，程序的復(fù)雜性就將越來越高，且各項功能還必須同時運行，因此帶來了以下的挑戰(zhàn)：

對異質(zhì)運算的需求提高

車輛演進后增加的功能及所需的效能，需要由各種不同的算法所構(gòu)成的軟件來完成。而不同的算法，則需要不同型態(tài)的處理器來進行效能優(yōu)化。例如一般性的算法以CPU為主，GPU則是為了顯示與圖形算法而設(shè)計的處理器，至于影像相關(guān)的算法有ISP來增進效能，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法則有NPU來加速。整合這么多種處理器的架構(gòu)，也就成為異質(zhì)運算的架構(gòu)。為了達到異質(zhì)運算架構(gòu)的目標，不僅處理器IP設(shè)計的復(fù)雜度大幅增加，同時芯片及軟件整合設(shè)計的難度及挑戰(zhàn)也提高很多。

將硬件（與軟件）區(qū)隔開并虛擬化

傳統(tǒng)汽車開發(fā)模式的汽車制造商，是將每輛車上的電子控制單元（ECU）都搭載著仔細編碼過的軟件，而且針對硬件與軟件，往往也都經(jīng)歷過嚴格的安全評估。隨著功能域控制器、區(qū)域控制器（Zonal）以及集中式運算架構(gòu)的導(dǎo)入，現(xiàn)在車輛的硬件架構(gòu)已出現(xiàn)變化。底層硬件需要被虛擬化、抽象化，軟件人員則可以此架構(gòu)來開發(fā)具備可移植性、以及滿足不同功能安全要求的應(yīng)用與服務(wù)。同時，也能更容易的導(dǎo)入云原生開發(fā)的架構(gòu)。

關(guān)鍵的實時性與功能安全

在實時性與功能要求方面，傳統(tǒng)做法可能是將不同的IP或功能層層迭加，在關(guān)鍵的單元例如power train才會有功能性安全（Functional Safety）。但是當(dāng)所有的處理器被整合進一個更大且復(fù)雜的系統(tǒng)時，如何在整合的運算單元中處理不同子系統(tǒng)的功能安全與實時性要求，就需要透過新的運算及系統(tǒng)架構(gòu)來解決。

建立因應(yīng)保密及資安要求的架構(gòu)

資安的威脅層出不窮，車行安全更是不容妥協(xié)。因此開發(fā)人員需要保密的架構(gòu)，以確保車用信息得以安全的傳輸、儲存及處理。

為軟件的可移植性建立標準

透過打造云原生軟件的基礎(chǔ)架構(gòu)，解決在不同硬件平臺之間軟件可移植性的需求，可以確保在云端開發(fā)的軟件，能在不同的異質(zhì)邊緣平臺進行無縫、快速的部署。

軟件定義汽車的重要性

 
圖二 : 軟件在促成汽車演進歷程中所扮演的角色更形重要。

為了滿足在車用領(lǐng)域不斷演進的消費需求，運算也必須更為集中。而軟件在促成這些演進歷程中所扮演的角色也更形重要，進而影響了軟件的開發(fā)、部署及管理，這也意味著以降低成本、時間與復(fù)雜性而廣為人知的云端原生開發(fā)方式，比起傳統(tǒng)的形式更適合于現(xiàn)代化汽車應(yīng)用的開發(fā)。

至于軟件定義包括了全新的電機電子架構(gòu)、以及云原生軟件架構(gòu)。軟件定義之所以重要主要是因為以下原因：

可重組價值鏈

軟件定義將加速推動創(chuàng)新與效率，打破過去價值鏈中定義規(guī)格、提供硬件及服務(wù)的上下游順序。不但加快開發(fā)過程，也可以為價值鏈中所有的利益關(guān)系人帶來好處與機會。例如：

●車廠與Tier 1：隨著軟件開發(fā)的成本大幅降低，以及創(chuàng)新服務(wù)在售后的不斷推出，車廠能夠創(chuàng)造新的營收來源。
●生態(tài)系：IC設(shè)計與軟件供貨商可專注于產(chǎn)品差異化，且軟件定義也讓更多云端應(yīng)用開發(fā)者加入汽車創(chuàng)新行列。
●消費者：更滿意于客制化的汽車功能與使用經(jīng)驗。

降低成本

透過區(qū)域控制器與集中運算架構(gòu)，可以有效降低硬件的總成本以及軟件的維護成本。例如過去一部車里可能有超過100個MCU，透過集中運算架構(gòu)，則可能降低至10～20個左右，大幅降低硬件購置、布線的架設(shè)，與其他相關(guān)軟件維護的成本。

車輛本身即為服務(wù)平臺

如同智能手機的使用經(jīng)驗一樣，未來車輛本身即為服務(wù)平臺，透過軟件更新，用戶可不斷享有新的服務(wù)與體驗。每次的軟件升級，也都代表新的商機，車廠可持續(xù)掌握新的營收來源，以及與客戶更多的互動機會。

軟件更新更容易

透過云原生開放架構(gòu)，軟件可以開發(fā)得更快也更安全，也更順利地部署在邊緣平臺上，使軟件更新變得容易。

改善使用者經(jīng)驗

這點也是如同智能手機的使用經(jīng)驗，透過每次軟件升級與更新，即可帶來不同的功能、體驗、樂趣與便利，進而提升使用者的車載體驗與滿意度，車輛也可以使用得更久。

縮短開發(fā)流程

全新的硬件參考平臺（Reference hardware platform）能支持軟件定義工作負載的開發(fā)與測試。開發(fā)人員得以使用SOAFEE參考實作，針對包括座艙系統(tǒng)、先進駕駛輔助系統(tǒng)與自駕功能等各式應(yīng)用與服務(wù)，于商品化之前，可以在Arm架構(gòu)的芯片系統(tǒng)上進行汽車工作負載的探索與測試，加快產(chǎn)品開發(fā)流程。

硬件處理器優(yōu)化性能
汽車產(chǎn)業(yè)正朝向軟件定義汽車的轉(zhuǎn)型，應(yīng)對ECU（Eletronic Control Unit）整合、數(shù)據(jù)驅(qū)動型汽車服務(wù)、安全云端連接和服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)等方面問題，需要全新的汽車軟件開發(fā)方法。汽車制造商和Tier-1供貨商面臨的全新挑戰(zhàn)，包括了多租戶（multi-tenancy）、網(wǎng)絡(luò)管理、云端服務(wù)、功能安全與進階安全技術(shù)等。恩智浦半導(dǎo)體就透過S32G GoldVIP，來協(xié)助搭載S32G汽車網(wǎng)絡(luò)處理器的軟件定義汽車應(yīng)對實時和應(yīng)用程序開發(fā)挑戰(zhàn)。這種汽車整合平臺針對S32G處理器評估、軟件開發(fā)和快速原型設(shè)計工作提供多種價值主張。

透過實時使用案例和資源監(jiān)測，用戶可以快速觀察S32G的效能表現(xiàn)。藉由恩智浦預(yù)整合功能、開源軟件和第三方軟件，包括安全云端連接和無線更新服務(wù)，開發(fā)人員可以專注創(chuàng)造新型互聯(lián)汽車服務(wù)，而無須耗費時間構(gòu)建軟件基礎(chǔ)建設(shè)。

另外，基于SiC（碳化硅）的高效能功率模塊可最大限度延長現(xiàn)有電動汽車的行駛里程，加快充電速度。到目前為止，電動汽車仍需要一個專用高速訊號處理器才能控制先進的SiC功率半導(dǎo)體。意法半導(dǎo)體推出了新款車規(guī)MCU，新產(chǎn)品針對電動汽車和汽車集中式電氣架構(gòu)優(yōu)化了性能，有助于降低電動汽車成本，延長續(xù)航里程，加快充電速度。

ST的Stellar E MCU專為下一代軟件定義電動汽車而設(shè)計，在芯片上整合了高速控制回路處理電路，可以協(xié)助完成先進的電動汽車設(shè)計，同時確保電源管理具備很高的效能，為車輛生命周期管理提供軟件定義的靈活性。現(xiàn)在，只需一個MCU就能控制整個功率模塊，不僅簡化模塊設(shè)計、節(jié)省成本，還能更容易地達到汽車安全標準，也可以為電動汽車創(chuàng)造新的價值鏈。

結(jié)語
過去，車輛是由硬件和置于其上的軟件所定義的，但這樣的方式正在轉(zhuǎn)變。像特斯拉這樣的公司，就是透過軟件的構(gòu)建來制造新一代的汽車?？傮w而言，我們看到車輛運營中心和車輛軟件平臺的重要性正與日俱增。透過軟件定義，安全無線更新軟件功能讓車商可以改善其控制策略，提升汽車的行駛里程、性能和效能。