软件定义汽车：汽车架构越来越多地由软件驱动

导读：汽车架构越来越多地由软件定义，这种方法将精简开发并简化升级，但也增加了设计的复杂性。

但要使汽车真正实现软件定义，整个汽车平台的硬件和架构必须被重新设计。而目前的车辆并不是这样制造的。

西门子数字工业软件公司自动驾驶和ADAS SoC高级总监David Fritz说：“这意味着大多数OEM都选择了一个中央计算架构。这可以是异构或同构的。这部分并不重要，只要是一个架构（一个软件架构，一个硬件架构），因为这允许OEM说，‘我要让客户下载一个新的应用，可以完全改变他们的驾驶体验’。”

其他人指出了类似的趋势。Rambus的研究员和杰出的发明家Steven Woo说：“你已经有了这个移动的硬件，应该是这样的，你可以把它定制为你想要的外观和感觉，类似于流媒体服务等的配置文件。为什么不应该是这样呢？”

Woo说：“在CES上，你可以看到很多类似的未来概念汽车。有一辆车的内外都覆盖着LED。不同的司机可以拥有相当于游戏中的头像或皮肤。你可以根据你的心情定制它，你可能有一个特定的预设。从软件定义的角度来看，应该是这样的，根据需要和一天中的时间和你的心情，或者你在那一刻的任何需求，可以定制内部的外观，以及你正在播放的音乐类型、视频类型，甚至那些吸引你注意的东西。这些都是可能会发生的。”

Fritz说，德国的一位高管给他看了一辆车，说：“这是我们的愿景。当他启动车辆时，里面所有的灯都亮了，你会听到，像‘Scotty向Kirk船长汇报’，就像星际迷航一样。他说，‘想象一下人们下载这种体验。也许我不想在星际迷航中出现，也许我想成为神奇女侠，或者想有一个复仇者联盟的体验。我希望能够选择我的体验，并让车辆自己适应。车辆皮肤的支持将是一个差异化的因素。”

要做到这一点，需要对整个车辆系统进行分层处理。Ansys半导体业务部产品营销总监Marc Swinnen说：“这包括硬件堆栈，也就是汽车和引擎，等等。在这之上是控制 激光雷达、 雷达、引擎的芯片堆，这些 芯片驱动硬件。然后，在这之上是一个操作系统，今天许多OEM正在建立这个系统，以管理车辆中的所有操作。此外，还有一个应用堆栈，上面有一个软件堆栈，汽车将通过这些应用进行交互。因此，这是一个更传统的电子系统模型，而汽车只是该堆栈中的硬件层。”

一、界定软件定义的架构

软件定义的汽车是一个不错的标签，但它到底意味着什么？Synopsys嵌入式软件解决方案和系统高级总监Marc Serughetti说：“最终，我们必须回到原点，看看它到底意味着什么，然后它如何影响系统，以及它存在的理由。归根结底，这都是关于OEM想要在汽车中实现的功能。如今，电动车驱动着汽车市场。它受到ADAS的驱动，正朝着自动驾驶的方向发展。我们知道它是由网联、共享出行和类似的东西驱动的。OEM面临的挑战是，既然这些都是消费者想要的东西，如何开始交付一个能够实现所有这些功能的产品？在过去，汽车生态系统的发展方式是，新功能要加入一个新的硬件来解决这个功能。但新趋势不允许这种方法，它不再起作用了，因为这些功能不是独立工作的。它们是相互联系的。另一方面，希望拥有先进功能的消费者想要在汽车上也实现像手机那样的功能升级。”

这是OEM和Tier 1背后的一个巨大推动力，现在他们在质疑所有这些对他们意味着什么，他们将如何在未来脱颖而出，以及如何实现他们的目标。

Serughetti说：“实现这一目标的方式是通过在软件中实现这些功能。汽车生态系统中的很多公司都在谈论’软件优先‘战略，以及这对产品和交付的影响。把它带到硬件上，会有一些影响。首先，你不能是和以前一样的架构，你不能是还像以前那样ECU分散式的架构。你需要改变汽车的电子架构，这就是为什么人们在谈论中央计算机/zonal网关 域控制器之类的东西。在这些领域中正在发生彻底的变革，是为了支持软件。”

第二个难题是需要什么类型的芯片。“你将需要算力非常强大的芯片，还需要AI支持。第三是软件。现在，因为有这么多的计算元素，而且你想利用算力，例如，如果正在考虑zonal架构，你说，’我有不同的zonal控制器，而且我想做一个计算。为什么不能使用其中一个zonal架构提供的算力，如果没有足够的算力，为什么我不能使用车辆中另一部分的算力？整个软件驱动的方法也在影响着电子系统，这意味着硬件和软件一起。而这也有隐含意义。从软件的角度来看，这在操作系统方面意味着什么？我们开始看到OEM认识到需要有自己的操作系统。而且我们说的不只是RTOS。他们谈论的是完整的基础设施。”

二、功能和安全问题

Cadence解决方案和生态系统高级团队总监Frank Schirrmeister表示，这引起了一堆新问题。“软件能用吗？它够安全吗？安全性、舒适性和便利性正在真正推动着这些东西，汽车似乎正在成为有生命的物体。车辆正在成为一个不断发展的硬件/软件平台。纵观整个行业，车辆基本上是一个IoT设备，成为消费者的枢纽。所有这一切的基础是软件和硬件解耦的优雅，同时有软件改进并行运行，几乎像一个敏捷的开发环境。”

虽然这些向软件定义汽车的转变包括下一代车辆架构的样子，但它们也决定了车辆功能的走向。

Arm汽车和IoT业务线的汽车合作总监Robert Day指出：“我们现在正在从分布式的方法转变，在这种方法中，汽车中的每个功能都有自己的ECU，而且它们分散在车辆周围，微控制器多到你不知道该如何是好，这开始转变为一种叫做domain架构的东西，汽车中的每个域都有自己的计算，然后有自己的ECU与之连接。一个用于ADAS，一个用于车内娱乐，等等。这意味着更多的整合，但这是围绕功能的整合。每个功能都有自己的微处理器和一堆微控制器。这就是我们今天在这个domain控制器世界里的情况。”

图1: 软件定义的车辆中不断上升的复杂性（资料来源：Arm）

下一个转变将是进入更多的zonal，每个zone将有自己的zonal控制器。因此，汽车的每个角落将有不同的传感器，它们将被输入到一个zonal控制器。该zonal控制器将把其zonal的信息传递给一个大的中央计算机。

Day说：“我们已经从domain变成了zonal，每个zonal与一个大的计算机连接，这个大的计算元素（也就是通常被称为‘车轮上的数据中心’）然后将对来自不同zonal的信息做任何必要的处理。这就是我们可以实现软件定义功能的地方，因为这个大的中央计算机没有具体的工作要做。它做任何运行在它上面的软件告诉它要做的事情。这就是你将开始在大型中央计算单元上引入软件定义的功能。”

三、扩大销售

而这正是架构变得真正有趣的地方。Day说：“如果一切都由软件定义，这个东西看起来更像你的手机或电脑，就在上面运行不同的应用而言，往往是在同一时间。而且，这些软件应用正在定义车辆的功能。这就是软件定义的汽车。因为OEM可以让一辆汽车的功能是由软件完成的，你将在上面运行。你可以有相同的平台，为高端车提供高级功能，为低端车提供基本的功能，而算力可以保持不变。从架构上看，这可能意味着开发者可能会选择一开始就配置硬件冗余，因为软件定义功能的另一个关键是它们也可以升级（有点像你的手机或电脑）。因此，汽车从离开经销商到你卖掉它时并不是保持不变。它实际上会成熟、升级，或变得更好，不断演变的。”

他指出，这在消费类电子产品中得到了很好的理解。“作为用户，现在已经非常习惯了，因为这就是我们在个人设备领域中的做法。这对汽车来说又有什么不同呢？由于你并不真正知道哪些应用可能会在上面运行，或者这些应用会对性能产生什么影响，这意味着你可能想从一开始就对中央计算进行过度配置。你说，‘我希望这个硬件在汽车的使用寿命内一直可以有效工作‘。比方说是五年。你可以说，‘尽管我现在不一定需要所有的性能，但我们很有可能会有另一个应用，比如更先进的ADAS功能的出现。我们仍然会使用现有的传感器，因为我们将在车辆中安装各种不同的传感器，但它要实现的实际功能在未来可能会比现在更先进’。”

为了实现这一切，Cadence的Schirrmeister指出，车辆必须能够进行 OTA更新。“但是你真的不希望弄坏你的汽车，就像有时手机升级不成功就会出毛病一样。这意味着很多事情都必须以非常详细和安全的方式来考虑。但你也可以进行与安全有关的更新，比如更好的障碍物识别的算法等，因为这些都不是静态的。这些都需要在复杂性的驱动下进行组织变革。这也是在改变思维方式。汽车正在进一步消费化，消费者世界中的各种升级，如电视、游戏机、手机的升级，在这个意义上，汽车被消费化，也成为一种消费类产品。它是用户交互的终端之一，这是一个要在里面放多少消费者体验的问题。但这绝对是一种消费化。”

四、供应链的颠覆

Elektrobit的软件架构主管Moritz Neukirchner指出，向软件定义汽车转变的另一个方面是创造价值。“你认为汽车的创新是在哪里进行的？我们主要关注的是创新，通过软件在汽车领域取得进展，无论是在功能层面（如何开发应用或ADAS系统），还是在如何实际构建和维护软件。车辆是如何集成的？以前，我们是把盒子放在一起，用线束连接。现在我们非常关注把软件组件结合在一起，把它们作为软件部分进行集成，能够单独更新这些组件，而不是更换车辆中的单个盒子，这样整个开发实践就会发生变化。这种方式不太关注机械方面，不太注重购买盒子或线束，而是更注重如何把功能放在一起，如何从逻辑的角度构建功能，因为它是由软件驱动的。”

Neukirchner说，所有这些都必须预先考虑到安全、 信息安全、自动驾驶、信息娱乐等问题，同时还要考虑到维护和保持创新生命周期的良好控制。“OEM现在在软件方面拥有更多的所有权。基本上每个OEM都是这种情况。每家都在创建自己的、甚至有时是一个独立法人，来开发软件。否则就是OEM内部的大型部门正在掌握软件平台的所有权。我们还看到一个趋势，一些OEM想增加他们的IP和软件，他们想了解如何进行软件集成，而不是从Tier 1采购盒子。我们还看到在 汽车操作系统中，有一种趋势是直接从中间件供应商那里采购，而不是去找Tier 1，所以汽车供应链正在被颠覆。”

汽车OEM希望能够预测潜在的问题，特别是确保中央计算系统不会出现故障或受到任何影响。这正在改变OEM的思维，反过来也改变了整个供应链。

Arm的Day指出，这使系统中的责任发生了一些转移。“这不是关于这一个硬件模块必须如何表现的问题。关键在于软件在上面的行为。例如，你可以有一个硬件平台，而这个硬件平台有足够的性能来运行信息娱乐和ADAS系统。至于这些东西如何运行，实际上将由软件定义。假设我需要这些东西相互独立，即使它们在同一个硬件系统上运行。这可能意味着我需要引入一个hypervisor来隔离这些东西，使其不受干扰。但我也需要能够让我的软件工作负载轻松地在这些东西上运行和离开。这看起来像什么呢？这是一个软件架构与硬件架构的权衡。你仍然需要为硬件系统提供可靠性、认证等，但它的功能和内容将由软件来定义。这就是一个重大转变。你需要确保它能够可靠地运行。你可能仍然想把冗余元素放入其中，无论是在SoC本身还是与多个SoC。但这里有一个有趣的潜力，即实际上可以改变应用。”

五、未来前景

软件定义的方法也增加了系统的复杂性，并使工程团队的工作更加困难。

Synopsys的Serughetti说：“复杂性在增加，而与此同时，设计工程师的开发效率并没有真正提高。工程师看着这个艰巨的任务，现在还得考虑所有的东西是如何协同工作的，包括进行800万英里的实车测试。从这个角度来看，对开发方法有影响，不仅是软件和集成，而且在SoC架构方面，从定义SoC的角度来看。工程团队必须在非常早期的时候对架构进行性能和功耗方面的探索。正因为如此，芯片开发商、Tier 1和OEM之间的合作变得越来越重要。每个人都在研究需要什么类型的SoC。OEM需要自己造芯片吗？他们要与芯片供应商合作来定制芯片吗？”

在这里，挑战是用例，驱动SoC性能的工作或工作负载。Serughetti解释说：“我如何尽早验证或探索，以便在我的SoC中实现合适的性能？这是架构发挥作用的另一个方面，从SoC架构一直到不同计算元素之间的整车级的架构。合作元素不能被低估。以前，很多开发可以独立完成。现在至关重要的是，开发是在生态系统内协作完成的，而这种协作需要有基础设施来支持。你如何交换数据？你如何将你正在做的事更多地转移到一个可执行的规范？今天的系统更加复杂。你不能通过一个电子表格来做这件事。你真的必须有一个协作平台来开展。这是消费类电子行业的人们的日常活动，他们将受到这种向软件定义方法转变的影响。”

Arteris IP的CMO Michal Siwinski同意，从根本上说，汽车开发将是软件定义的。但他指出，软件和硬件的比例仍在界定之中。“在Chiplet的背景下，芯片可能会改变一些软件定义的汽车中发生的情况。记住，电源管理曾是芯片的一部分。然后它脱离成为一个独立的芯片。现在，随着我们进入chiplet，内存可能在5nm，数字内容可能在4nm，模拟可能在28nm，MEMS在130nm，谁知道天线会在哪个工艺中节点？突然间，它又回到了SoC的异构计算。一些离开芯片的部件可能会回到这个更大的芯片中，因为你仍然希望接近和优化。同样，一些纯软件的东西，或更多的软件驱动的东西，实际上可能会在硬件中找到他们的方式，因为你有更好的控制，同时仍然是软件控制的。时间会证明一切。”

参考文章：Software-Defined Cars — Ann Steffora Mutschler

来源： Astroys