汽車和物聯(lián)網(wǎng)IoT構(gòu)建一個時代：汽車電子與軟件架構(gòu)的10大趨勢預(yù)測
物聯(lián)網(wǎng)IoT的核心發(fā)展思路是將世間萬物電子化、數(shù)字化，汽車也不例外。慕尼黑工業(yè)大學(xué)信息學(xué)教授Manfred Broy說過，如果你現(xiàn)在買輛高端汽車的話，“它很可能包含了1億行軟件代碼”。這些軟件代碼又運(yùn)行在70-100個ECU(電子控制單元)上，這些ECU就在車內(nèi)形成連接網(wǎng)絡(luò)。實際上，汽車中的軟件在規(guī)模和復(fù)雜度上還在迅速成長，商業(yè)研究公司Frost&Sullivan預(yù)計，很快汽車內(nèi)的軟件代碼就要達(dá)到2-3億行的程度了。
換句話說，汽車已經(jīng)從硬件驅(qū)動的機(jī)械設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖?qū)動的電子設(shè)備，汽車本身已經(jīng)成為另一種形態(tài)的計算機(jī)。如今D級或大型車，軟件占據(jù)“整車含量”的10%，這個比例預(yù)計到2030年可達(dá)30%。行業(yè)的各層級參與者自然期望通過電子設(shè)備與軟件相關(guān)部分來獲取營收。這也是即將于11月19日在上海舉辦的Aspencore汽車電子論壇的時代背景。
原本提供軟件和數(shù)字技術(shù)的市場參與者屬于Tier 2、Tier 3級別，但在此役之后會躍居至Tier 1供應(yīng)商的位置。它們會走出僅提供功能、應(yīng)用的圈子，變得越來越重要。汽車制造商本身則將下潛到操作系統(tǒng)、硬件抽象、信號處理之類的領(lǐng)域，以增強(qiáng)其競爭力和差異化特性。而且，那些原本沒有從事過汽車相關(guān)業(yè)務(wù)的電子、電氣科技企業(yè)，也開始涉足這一領(lǐng)域，并期望分得一杯羹。這些趨勢現(xiàn)在正在發(fā)生。
原本傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)業(yè)鏈，包括了整車廠及各級供應(yīng)商，結(jié)構(gòu)就像是個縱向一體化的金字塔。但隨著上述趨勢的到來，汽車產(chǎn)業(yè)格局正在向橫向分工化、平面化轉(zhuǎn)變——縱向的高度顯著降低，不同企業(yè)分別制造自己擅長的產(chǎn)品：軟件與數(shù)字技術(shù)提供商躍居Tier 1就是這種趨勢的特別寫照。這個時候，我們大概有必要重新思考汽車的架構(gòu)，以及行業(yè)的趨勢。
來源：McKinsey&Company
總體來說，隨這種趨勢變化，汽車架構(gòu)會變成基于通用計算平臺的、面向服務(wù)的架構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)。更多的市場參與者并不主要通過汽車或汽車硬件來賺錢，而通過提供服務(wù)及汽車產(chǎn)業(yè)本身來賺錢。
汽車市場的差異化主要將不再是傳統(tǒng)的機(jī)械硬件，而在軟件及電子技術(shù)驅(qū)動的用戶界面、體驗方式等層面。開發(fā)者還會提供新的連接解決方案、高級分析和操作系統(tǒng)。麥肯錫在去年的一份報告中，總結(jié)了未來的多層級車載及后端結(jié)構(gòu)，如上圖所示。其中包含了娛樂系統(tǒng)的革新、自動駕駛能力、基于“故障仍保持工作(fail-operational)”系統(tǒng)的智能安全(safety)功能等。上層數(shù)字棧(stack)會下潛，和智能傳感器之類的硬件做融合;這些棧也會發(fā)生橫向融合，產(chǎn)生新的層級以后，持續(xù)將新的結(jié)構(gòu)融入到SOA中去。
架構(gòu)變化衍生了很多新的技術(shù)趨勢與熱點。比如說，網(wǎng)絡(luò)安全(Cyber Security)方面的需求，會從以往單純的訪問控制策略，轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭诤闲桶踩薄槍W(wǎng)絡(luò)攻擊進(jìn)行防護(hù)、檢測、響應(yīng)甚至預(yù)測，這已經(jīng)是傳統(tǒng)信息技術(shù)架構(gòu)中完整的網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)了。我們前不久拜訪是德科技時，就已經(jīng)看到在汽車電子相關(guān)測試中，網(wǎng)絡(luò)安全測試單獨列項，畢竟汽車的網(wǎng)絡(luò)安全已經(jīng)與人身安全直接掛鉤——這一點甚至可能對信息安全行業(yè)布局產(chǎn)生革命。
再比如模塊化的SOA與OTA(over-the-air)更新會成為維護(hù)復(fù)雜軟件的剛需，并且催生基于需求的新功能(function-on-demand)這種業(yè)務(wù)模式;娛樂系統(tǒng)，以及ADAS的某些組成部分，會變得“應(yīng)用化(appified)”，因為第三方應(yīng)用開發(fā)者開始提供車載內(nèi)容了;新型智能傳感器和應(yīng)用產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，市場參與者需要找到高效處理這些數(shù)據(jù)的方案;高度自動駕駛(HAD)技術(shù)則要求功能聚合、更高算力，以及高度整合……
這里我們只是不成系統(tǒng)地點出了汽車電子化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化帶來的其中一部分市場及技術(shù)趨勢轉(zhuǎn)變。麥肯錫在去年的《重新思考汽車軟件與電子設(shè)備架構(gòu)》報告中，針對未來的架構(gòu)變化做出了一些預(yù)測，可供更為系統(tǒng)的參考，摘錄如下：
1. ECU電子控制單元加速集成融合(consolidation)
這個趨勢我們在以往的汽車行業(yè)相關(guān)報道中曾不止一次地提到過。增加特定功能不再需要特定ECU，行業(yè)整體轉(zhuǎn)向汽車ECU架構(gòu)的合并集成。首先大部分功能會集中在一個統(tǒng)一的域控制器中，部分地取代現(xiàn)如今的分布式ECU格局。尤其對于ADAS、HAD功能相關(guān)的棧而言，這種集成會成為重要趨勢。
來源：(R)Evolution of the E/E Architectures, ISSN: 1946-4614
隨著自動駕駛的發(fā)展，軟件的虛擬化以及對硬件的進(jìn)一步抽象，也會成為必然。其具體表現(xiàn)形式比較多樣。其中一個場景是，不同硬件集合為棧(stack)，這些棧按照延遲和可靠性的不同需求提供服務(wù)——比如高性能棧用來支持HAD、ADAS功能，而時間驅(qū)動(time-driven)的低延遲棧則用以支持基本的安全(safety)特性。還有個典型的場景，ECU整體虛擬為超級計算機(jī)，以實現(xiàn)智能節(jié)點計算網(wǎng)絡(luò)。這些都需要硬件抽象和虛擬化技術(shù)的參與。
2. 不同棧的標(biāo)準(zhǔn)化
不同硬件集合而成的棧，產(chǎn)生汽車不同功能的分立。什么意思呢?功能今后會取決于關(guān)鍵需求，而不是按照汽車硬件物理層面的功能域來簡單劃分(這本質(zhì)上也是虛擬化的體現(xiàn))。麥肯錫提出，下面4個棧會成為未來汽車的重要組成概念。
時間驅(qū)動棧(Time-driven stack)。在這個棧中，ECU直接連接到傳感器或執(zhí)行器上，系統(tǒng)需要支持實時的需求，保證低延遲;資源調(diào)度是基于時間的。這個棧涵蓋的系統(tǒng)，要達(dá)到最高的汽車安全完整性等級(Automotive Safety Integrity Level)級別;
事件與時間驅(qū)動棧(Event- and time-driven stack)。這個棧涵蓋了高性能安全應(yīng)用，比如說支持ADAS和HAD的。應(yīng)用和外設(shè)被操作系統(tǒng)區(qū)隔開，應(yīng)用基于時間進(jìn)行調(diào)度。應(yīng)用內(nèi)部，資源調(diào)度可基于時間或者優(yōu)先級。操作環(huán)境要確保安全性要求較高的(safety-critical)應(yīng)用，跑在獨立的容器(container)上，和其他應(yīng)用是隔離的。目前比較典型的例子是AUTOSAR。
事件驅(qū)動棧(Event-driven stack)。這個棧主要是車載娛樂系統(tǒng)，它的安全(safety)要求并不高。這些應(yīng)用也需要與外設(shè)隔離開，資源調(diào)度基于事件。這個棧包含了一些可視化和使用比較多的功能，應(yīng)用在用戶和汽車的交互方面，比如Android、QNX、Automotive Grade Linux等。
基于云的棧(Cloud-based stack)。這個棧是從車外訪問車內(nèi)數(shù)據(jù)與功能，相關(guān)于通訊，，應(yīng)用安全檢測(safety and security)，以及建立訪問接口等。
實際上已經(jīng)有部分汽車供應(yīng)商，或者市場參與者開始針對這些棧做投入。比如說，針對高性能應(yīng)用的AI和感知，這屬于事件驅(qū)動棧，有供應(yīng)商正與汽車制造商一起開發(fā)計算平臺;時間驅(qū)動的例子，如AUTOSAR、JASPAR正在支持這些棧的標(biāo)準(zhǔn)化。
3. 擴(kuò)展的中間件層(middleware layer)對硬件做抽象
汽車本身正進(jìn)化為移動計算平臺，那么中間件層(middleware layer)可以讓汽車的重配置，及相應(yīng)的軟件升級、安裝成為可能。當(dāng)前每個ECU內(nèi)的中間件，跨單元進(jìn)行通訊——而未來的中間件能夠鏈接域控制器，來實現(xiàn)功能的訪問。
在ECU硬件之上執(zhí)行操作時，中間件層起到硬件抽象和虛擬化的作用，也就能夠?qū)崿F(xiàn)前文提到的SOA，以及分布式計算。現(xiàn)有的行業(yè)參與者事實上正在嘗試這種更具靈活性的架構(gòu)。比如說AUTOSAR的自適應(yīng)平臺，就是一個支持中間件、復(fù)雜操作系統(tǒng)和多核處理器的動態(tài)系統(tǒng)。
4. 中短期來看，傳感器數(shù)量會飆升
未來2-3代汽車中，汽車制造商會安裝某些具備相似功能的多個傳感器，主要是為了確保安全性(safety)，并且是以多重保障的形式，比如說毫米波雷達(dá)、LIDAR、攝像頭。所以傳感器的市場需求量在這一時期會發(fā)生一次跳躍。尤其針對自動駕駛技術(shù)，LIDAR激光雷達(dá)用于物體分析與定位，在SAE定義的L4自動駕駛等級中，每輛車需要4-5個LIDAR傳感器，實現(xiàn)近360°可視化。
不過就長期來看，情況可能比較復(fù)雜。根據(jù)不同國家地區(qū)的監(jiān)管政策，解決方案的技術(shù)成熟度，傳感器單純從基數(shù)上來說，增加或減少都是不一定的。比如說，監(jiān)管可能強(qiáng)制要求汽車進(jìn)行司機(jī)監(jiān)控，那么傳感器數(shù)量自然會進(jìn)一步飆升，比如動作傳感器，以及測心率、疲勞程度的健康監(jiān)控系統(tǒng)，甚至臉部識別、虹膜追蹤。
但傳感器數(shù)量增加會導(dǎo)致物料成本增加，通過改進(jìn)技術(shù)降低成本會成為一個長期趨勢。比如說類似攝像頭+雷達(dá)的融合式解決方案預(yù)計會統(tǒng)治市場，集成方案是有助于減少傳感器數(shù)量的;更高級的算法、機(jī)器學(xué)習(xí)都能夠加強(qiáng)傳感器性能和可靠性，那么具備相似功能的多傳感器方案會逐漸消失;更高級的單個傳感器也會替代過往的組合傳感器解決方案。所以長期來看，車載傳感器數(shù)量減少也是有可能的。
5. 傳感器變得更智能
未來的系統(tǒng)架構(gòu)會要求智能和集成傳感器，去管理用于自動駕駛的海量數(shù)據(jù)。一些比較高級的功能，比如說傳感器融合、3D定位當(dāng)然還是需要在中央計算平臺進(jìn)行的。但更多傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理、過濾和快速響應(yīng)，還是會在更偏邊緣的位置進(jìn)行，甚至是在傳感器內(nèi)部直接完成。
由于傳感器生成數(shù)據(jù)的海量性，智能會從ECU分擔(dān)出一部分給傳感器，傳感器自己去執(zhí)行那些要求極低延遲，同時計算性能要求不高的預(yù)處理。與此同時，智能傳感器可以對它們自己進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，為確保傳感器在任何情況下都能正確工作，會有新型的傳感器清理應(yīng)用，比如除塵、除冰之類的能力;多傳感器的冗余設(shè)計，則能夠增加傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性(safety)。
6. 供電與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的冗余設(shè)計
對安全(safety)要求比較高，以及其他一些關(guān)鍵型應(yīng)用，對可靠性要求是很高的。他們需要完整的冗余設(shè)計，包括數(shù)據(jù)傳輸和電力供應(yīng)。電動車技術(shù)、中央計算機(jī)，以及對電力需求很大的分布式計算網(wǎng)絡(luò)，都必須有相應(yīng)的冗余電源管理網(wǎng)絡(luò)方案。比如支持線控轉(zhuǎn)向的“故障仍保持工作(fail-operational)”系統(tǒng)，各種HAD功能都需要冗余系統(tǒng)設(shè)計，這對于現(xiàn)在的fail-safe monitoring故障安全監(jiān)控實施方案而言，在架構(gòu)層面上會有更高的要求。
7. 車載以太網(wǎng)會成為汽車骨干網(wǎng)絡(luò)
作為業(yè)界共識，而且是已經(jīng)在開展工作的一個趨勢，這一點幾乎已經(jīng)無需贅言。至少現(xiàn)在的車載網(wǎng)絡(luò)是無法滿足高帶寬數(shù)據(jù)傳輸需求的。HAD的數(shù)據(jù)速率和冗余設(shè)計要求，連接環(huán)境的安全性(safety and security)，以及跨行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議間的傳輸需求，都讓車載以太網(wǎng)成為必選項——尤其對冗余中央數(shù)據(jù)總線。
采用以太網(wǎng)解決方案，可以確?？缬蛲ㄓ嵖煽浚黾影?/span>AVB(audio-video bridging)、TSN(time-sensitive networks)等擴(kuò)展，滿足實時性要求。LIN、CAN之類的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)依然會存在，不過僅針對閉合的更低層級的網(wǎng)絡(luò)。FlexRay、MOST之類的技術(shù)很可能被車載以太網(wǎng)及其擴(kuò)展AVB、TSN所取代。
8. 為功能安全與HAD考慮，OEM廠商會嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)連接，但針對第三方數(shù)據(jù)訪問仍會開放接口
OEM廠商的后端，必定是車載網(wǎng)關(guān)傳輸安全關(guān)鍵型(safety-critical)數(shù)據(jù)的唯一出路。針對第三方數(shù)據(jù)訪問，也需要提供接口，除非監(jiān)管政策不允許這么做。車載娛樂系統(tǒng)前面就已經(jīng)提到可能會“應(yīng)用化”，這個過程會浮現(xiàn)出新的接口，讓內(nèi)容和應(yīng)用供應(yīng)商部署內(nèi)容——這個過程OEM廠商一定還是會有各種限制標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)如今的板載診斷端口，一定程度會被遠(yuǎn)程通訊解決方案替代。這種物理維護(hù)訪問端口已經(jīng)不再必須。OEM廠商針對某些特定的場景，比如汽車丟失追蹤，在后端提供數(shù)據(jù)端口。
9. 本地信息上云，具備大數(shù)據(jù)價值
非敏感數(shù)據(jù)(非隱私與安全相關(guān)數(shù)據(jù))未來會更多地在云上處理。隨著數(shù)據(jù)量的增加，數(shù)據(jù)分析會變得很重要，這些數(shù)據(jù)畢竟能夠給出很大的價值。無論是自動駕駛還是其他的數(shù)字化創(chuàng)新，這主要取決于市場參與者之間如何做數(shù)據(jù)共享與分析。
不過目前尚不清楚，這件事該如何執(zhí)行，以及究竟由誰來做。有傳統(tǒng)供應(yīng)商和市場參與者已經(jīng)開始構(gòu)建融合型的汽車平臺，能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)做處理。
10.汽車也像手機(jī)一樣，可定期升級系統(tǒng)
本地的板載測試系統(tǒng)，能夠自動檢查功能與集成更新。這種更新能夠?qū)崿F(xiàn)生命周期管理，以及汽車現(xiàn)有功能特性的加強(qiáng)或者解鎖。所有的ECU都和傳感器、執(zhí)行器收發(fā)數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)之后能夠支持一些創(chuàng)新型的應(yīng)用場景，比如基于汽車參數(shù)的路徑計算。
OTA更新對于HAD而言也是基本能力。OTA更新可以帶來新功能、加固網(wǎng)絡(luò)安全性，汽車制造商要部署功能和軟件也更快。實際前面提到的汽車架構(gòu)重大變化——OTA都是其驅(qū)動力。與此同時，OTA更新也要求具備端到端的網(wǎng)絡(luò)安全特性，從車外的云到車?yán)锏腅CU的整個通路。這套安全解決方案仍待設(shè)計完善，未來究竟由誰來做，怎么做都是值得觀察的。技術(shù)層面，OEM廠目前正與相應(yīng)技術(shù)供應(yīng)商緊密合作。連接和OTA平臺都是需要解決的問題。
另外，要讓汽車得到像智能手機(jī)一樣的可升級特性，中間需要解決成交合同、監(jiān)管需求，以及網(wǎng)絡(luò)安全與隱私方面擔(dān)憂的諸多問題。未來監(jiān)管機(jī)構(gòu)很可能強(qiáng)迫軟件維護(hù)確保汽車設(shè)計的安全性完整性。
雖然汽車行業(yè)目前整體處在過渡期，所以市場環(huán)境充滿不確定性，但在軟件和電子設(shè)備架構(gòu)方面的發(fā)展，依舊是無可質(zhì)疑的。這樣的變遷未來還會有更多的動作和事件發(fā)生，比如汽車制造商理應(yīng)創(chuàng)立行業(yè)聯(lián)盟，對汽車架構(gòu)做標(biāo)準(zhǔn)化;數(shù)字技術(shù)供應(yīng)商會帶來云平臺;還有原本的市場參與者可能會開發(fā)開源的汽車棧和軟件功能;汽車制造商則推出連接更為復(fù)雜的自動駕駛汽車。
汽車行業(yè)的各層級參與者總結(jié)策略性轉(zhuǎn)變可能會有下面這些：
汽車開發(fā)周期，與汽車功能開發(fā)周期，會切分開。因為無論從技術(shù)還是從組織的角度來看，未來部署汽車功能都會是件難度大得多的事情，畢竟軟件即將成為汽車主宰。
定義好軟件和電子設(shè)備開發(fā)的目標(biāo)附加價值。OEM廠商必須真正理解自家的差異化特性在哪里，以及針對該差異化特性如何做全盤控制。另外就是明確定義自家軟件和電子設(shè)備開發(fā)的附加價值邊界在哪里，這樣才能真正搞清楚哪些商品或內(nèi)容并非核心競爭力，而僅能與合作伙伴或供應(yīng)商共同交付。
給軟件定價，尋找新的業(yè)務(wù)模型。軟件在汽車中成為重要的獨立個體后，OEM廠需要思考用戶單獨購買軟件的流程和機(jī)制問題。各層級供應(yīng)商在此也扮演重要角色，他們也需要針對其軟件和系統(tǒng)標(biāo)定清晰的業(yè)務(wù)價值，這也是未來利潤增長點的一部分。另外，尤其對于供應(yīng)商而言，分析在新架構(gòu)中，哪些汽車新特性是具備真正價值的，就能對其進(jìn)行貨幣化操作——那么針對軟件和電子系統(tǒng)的銷售，需要采用新的業(yè)務(wù)模型，不管是產(chǎn)品、服務(wù)還是某種全新的方案。
圍繞新的電子設(shè)備架構(gòu)，做專門的機(jī)構(gòu)設(shè)置變更。包括OEM廠和供應(yīng)商，都應(yīng)該針對汽車相關(guān)電子話題做不同的機(jī)構(gòu)設(shè)置。因為未來新的層級架構(gòu)，要求打破現(xiàn)有的“垂直”組織結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而采用“橫向”組織機(jī)構(gòu)單元?？偟哪繕?biāo)，是為其自家軟件和電子開發(fā)團(tuán)隊提供專門的能力和技術(shù)。
上述趨勢的更細(xì)致探討，可以在11月19日于上海長榮桂冠酒店舉辦的汽車電子論壇上獲得。點擊本文文末的閱讀原文鏈接，即刻參與。重新思考汽車軟件與電子設(shè)備結(jié)構(gòu)，這又是個擴(kuò)展到原汽車行業(yè)之外的話題，并且將持續(xù)在未來至少十年時間里發(fā)揮作用。
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