转向软件定义车辆

据报道，苹果公司正在开发一款软件定义的汽车。但雷诺(Renault)、现代(Hyundai)、通用汽车(General Motors)以及几乎所有公司都是如此。

sdv的一些好处包括提高舒适度、便利性、安全性、可靠性以及远程软件和固件更新。预防性和预测性维护以及远程诊断可以更方便地通过空中进行，而车辆的行为将更接近于计算机。这些变化带来了许多好处。但它们也增加了与安全相关的软件崩溃、远程网络威胁的风险，并显著增加了设计复杂性。

根据汽车行业的设想，SDV包括车载软件，用于管理车辆内的所有主要操作，从驾驶员交互到信息娱乐系统和其他仪器、ecu、ADAS、传感器控制和通信。此外，该软件还可处理车载网络和通信、嵌入式操作系统以及无线更新。

“软件定义汽车将经历一场架构上的变革，”福特汽车美洲地区汽车业务高级副总裁Lars Ullrich表示英飞凌科技．“今天，我们有一个领域架构，包括信息娱乐、ADAS、车辆运动和车身控制。在不久的将来，它将迁移到一个集中的ECU，它将控制信息娱乐、ADAS和车辆运动。在此过程中，将部署许多mcu。最终，sdv将拥有一台车载计算机来管理从燃油效率到传感器、安全、安保、信息娱乐、OTA、诊断等一切。”

汽车行业要发展到实现这一愿景还需要时间，市场预测也各不相同。海峡研究公司将汽车软件市场定位于580亿美元到2030年，CAGR为14.8%。与此同时，Precedence Research预测，市场可能会受到冲击1070亿美元到那时，年复合增长率将达到17.4%。由于包括电子控制单元(ecu)、传感器、电力电子设备和其他电子元件在内的软件需要芯片和硬件才能运行，麦肯锡公司(McKinsey & Co.)预测，到2030年，软件和硬件内容的合并收入可能达到4690亿美元。

为了充分利用未来的SDV市场，oem和技术公司正在进行前所未有的合作。由于这些合作，汽车可能越来越像轮子上的数据中心。

“虽然没有大规模的大型数据中心，但由于正在开发的异构系统，车辆正在获得更多的外观和感觉。Rambus．“他们都在试图与彼此交谈。软件定义的方面是，你已经有了移动你的硬件，所以你应该可以根据你想要的外观和感觉来定制它。你可以在流媒体服务之类的东西上看到这种配置文件。为什么不应该是这样呢?从软件定义的角度来看，情况应该是这样的，基于需求和一天中的时间，以及你当时的心情或任何你需要的东西，你应该能够自定义汽车内部的外观，你正在播放的音乐类型，你正在观看的视频类型，甚至是feed的类型和引起你注意的东西。在某些方面，这将类似于自动定制主页的方式。”

其他人也同意。雷诺集团指出，软件定义汽车正在开辟新的前景，将节省研发成本，并产生新的收入来源，特别是新的联网服务。雷诺预计，其首款完全由软件定义的汽车将于2026年以雷诺品牌上市。该汽车正在与谷歌、高通(Qualcomm)和其他合作伙伴共同开发。

雷诺表示，高通正在与雷诺合作，共同开发基于骁龙数字底盘的集中式电子架构的高性能计算平台，其中包括SoC、低级软件以及车载服务和应用程序。与谷歌的合作包括一个基于android的SDV平台，以及支持SDV数字孪生的云软件。

可靠性的改进
减少故障的预测性维护和提升驾驶体验的车载服务都是首要目标，在这方面雷诺并不孤单。通用汽车正在开发其Ultifi平台，该平台集成了云、基于红帽Linux操作系统的车载操作系统，以及包括硬件模块和线路的车载硬件网络。

该公司嵌入式软件解决方案和软件高级总监Marc Serughetti表示:“如今，市场是由电动汽车驱动的Synopsys对此．“我们知道它是由ADAS驱动的自动驾驶。我们知道，这是由互联互通、共享出行之类的东西驱动的。鉴于这是消费者想要的，OEM面临的挑战是如何开始交付一款能够实现所有这些功能的产品。在过去，OEM会说，‘这是一个新功能，让我加入一个新硬件来解决这个功能。但在这些新趋势下，你不能这样做。它已经不管用了。所以他们不能说，‘我需要这个功能，让我加入一个新的电子控制单元，它将具有这个功能。“它无法工作，因为这些功能不能独立工作。它们相互联系，相互依存。另一方面是消费者的需求。他们了解自己的手机。 They get updates, and upgrades. That’s what they want in their car. The OEMs are trying to determine the best way to provide this to the customer.”

然而，做到这一切说起来容易做起来难。Serughetti说:“实现这一目标的方法是在软件中解决大量的功能。”“这对硬件也有影响。首先要有一种心态，即首先考虑软件，以及它如何影响产品和交付。”

在硬件方面，Serughetti指出了三个层次的含义。“首先，你不能拥有与以前相同的架构。你不能有一个架构，所有这些ecu都分布在各地，每个都有自己的功能。你需要改变汽车的电气/电子架构，这与中央计算、区域网关、域控制器和今天讨论的类似内容有关。那边正在发生一场全面的进化。这是为了支持软件。”

半导体方面的第二个问题是需要什么类型的芯片。“你将需要非常强大的芯片来支持人工智能，”他说。“第三是软件，因为现在有所有这些计算元素，你想要利用这些计算能力。例如，在分区架构中，您可能有一个不同的区域控制器，并且需要进行计算。为什么不能使用其中一个区域架构提供的计算能力呢?如果我不能从中得到足够的信息，为什么我不能在汽车上使用另一部分的计算能力呢?软件驱动的方法正在同时影响电子产品的硬件和软件，这是有影响的。你可以在每一个方面进行详细介绍。你可以说，从软件的角度来看，这在操作系统方面意味着什么?在这方面，原始设备制造商开始意识到他们需要拥有自己的操作系统——不仅仅是实时操作系统，而是完整的基础设施。 The software-driven car is changing the way people are looking at the architecture. They are looking at what type of semiconductors and SoCs are needed to support that, and the software that runs on top of it.”

通用汽车SDV产品管理总监Gary Cygan表示，通用汽车将于今年推出Ultifi平台，通过为客户提供新技术和新功能，为未来的软件定义汽车提供支持，该平台也为第三方开发者提供了基础。

另外，现代汽车集团与开发“Sonatus Digital Dynamic Software-Defined Vehicle Platform”的Sonatus公司共同开发了中央通信单元(CCU)控制器。CCU将用于现代和起亚车型，作为现代计划过渡到sdv的一部分。Sonatus CTO Yu Fang表示，计算、存储和网络正在融合，软件定义车辆已经成为运行许多ecu的小型数据中心。许多车辆包含超过1亿行代码。支持这种软件更新的成本可能很大。Sonatus Digital Dynamics平台采用了一种积极主动的方法，可以通过利用车辆数据动态配置自身，然后通过添加功能和修复问题进行响应，而无需更新软件。

软件依赖的风险
操作系统不再仅仅适用于桌面、移动设备或网络。Windows、Linux、黑莓QNX、青山软件、iOS和安卓系统现在在汽车的各个区域使用。随着sdv发挥越来越大的作用，关键问题将是软件定义的车辆有多安全、故障转移需求是什么以及这些系统有多安全。

在设计sdv时，有许多需要考虑的问题和挑战。它们包括系统架构、安全性和安全性。oem还必须考虑车载网络、电源、散热、存储、内存、带宽要求，以及最重要的，如何防止故障。

图1:oem需要为SDV开发SDV生命周期管理。来源:黑莓QNX

随着向SDV的转变，原始设备制造商将需要开发SDV生命周期管理。如图1所示，从开发开始，软件将经历原型设计、道路测试、生产和模型改进。通过OTA更新，可以远程修复一些问题。虽然看起来很简单，但这个过程可能很复杂，出错可能会造成伤害。因此，具有故障安全操作至关重要。

一个概念是使用管理程序，比如由黑莓QNX和Green Hills Software开发的管理程序。软件可以被划分，关键软件可以被隔离。如果某个区域出现了问题，无论是由软件故障还是勒索软件攻击引起的，基本软件都会继续实时运行，并保持车辆在安全模式下运行。

除此之外，soc也将继续发展。“越来越多的功能将由汽车内部的软件和芯片来完成，”宝马汽车解决方案营销集团总监罗伯特•施魏格(Robert Schweiger)表示节奏．“对于每一个功能，GPU并不总是最高效的处理器。其中一些高性能gpu会消耗大量电力，产生热量，甚至可能需要液体冷却。热管理在汽车系统设计中很重要，但也可能非常昂贵。低成本、低功耗芯片将会出现。它们不仅会降低整个系统的温度，提高可靠性，而且电动汽车的续航里程也会得到改善。”

汽车行业非常重视安全问题。解决这些问题的标准包括UN R155、ISO/SAE 21434、ISO 26262和用于嵌入式边缘的可伸缩开放架构(SOAFEE)。UN R155和ISO/SAE 21434都解决了网络安全问题。从明年开始，2024年和未来车型的销售将要求它们满足规格中规定的所有网络安全标准。

“汽车正在成为联网汽车，而联网汽车将演变成自动驾驶汽车，”马腾·布朗(Maarten Bron)表示Riscure．“汽车不仅需要安全，也需要安全。从技术的角度来看，人们可能会认为汽车安全的基本单位是ECU。对于攻击者来说，破坏ECU的安全性有多难?”

这个问题的答案可能取决于ecu是由谁在哪里制造的。在现代汽车中，有超过100个ecu，其中一些来自不同的制造商，拥有不同的供应链。

“ISO 21434和UN R155等标准和法规旨在满足车辆安全所需的先决条件，”Bron说。“这不仅仅是单个组件，而是关注整个组件生命周期，包括设计流程、供应链、生产流程、部件退役，甚至是公司文化。最终的结果是一个安全的ECU, Riscure帮助红色团队确定这些ECU是否符合适用的安全标准。”

联合国欧洲经济委员会(UNECE)指出，由于数字化，今天的汽车包含多达150个ecu和1亿行代码。到2030年，这一数字将达到3亿行。为了提高安全性，联合国欧洲经委会的世界车辆法规协调论坛设立了四个不同的学科:

• 车辆网络风险管理;
• 车辆价值链的安全和风险缓解;
• 实施对网络攻击的检测和响应;而且
• 建立安全的软件更新，包括引入OTA车载软件的法律基础。

与SAE国际(前身为汽车工程师协会)和国际标准化组织(ISO)一起成立了UN R155和ISO/SAE 21434。UN R155是一项具有特定指令的法规，而ISO/SAE 21434是一项为开发人员建立工程基线的标准。

ISO 26262汽车安全标准已问世多年。如今，许多公司正在帮助原始设备制造商获得认证，以确保符合这些安全标准。

“由于SDV设计中软件的攻击足迹更大，功能更丰富，功能安全至关重要，”该公司解决方案和业务开发副总裁Frank Schirrmeister说Arteris IP．“要正确设计日益复杂的汽车芯片，可能具有挑战性。只要有一点出了问题，就会危及功能安全。例如，在SoC中，处理器架构可能包括多核以支持故障安全模式。在这样的soc中，冗余处理器块需要连接到其他mcu和内存块。这些块之间的连接需要无错误和可靠。使用弹性技术用于片上网络(NoC)互连IP，用户可以获得ISO 26262认证，以提高可靠性和安全性。”

的SOAFEE标准是相对较新的。2021年，Arm推出了面向嵌入式边缘的可扩展开放架构(SOAFEE)，这是整个汽车供应链的特殊兴趣小组。这包括芯片供应商、软件供应商、系统集成商、云服务提供商和原始设备制造商。该组织现在有50多名成员。

SOAFEE是一个由汽车制造商、半导体供应商、开源和独立软件供应商以及云技术领导者定义的开放架构。其目标是为混合关键的汽车应用提供增强的云原生架构。

“随着汽车行业向sdv发展，该行业需要克服以软件为中心的未来所带来的挑战。手臂．“新汽车应用的开发需要快速、无缝且功能安全。SOAFEE，它建立在卡西尼号项目以及来自Arm的SystemReady，将在边缘实现基于标准的云原生体验，帮助汽车行业向前发展。”

确保可靠性
为了提高安全性和安全性，汽车行业将需要依靠建模和仿真来确保车辆的软件和硬件设计没有错误和可靠。这在芯片设计中更为明显。在芯片制造之前，需要测试数百万行代码。纠正错误的代价是非常昂贵的。芯片设计人员一直面临着需要多少测试和如何缩短制造时间的斗争。

“仿真/建模使软件和硬件架构及其交互的快速SDV开发成为可能，”David Fritz说，该公司混合和虚拟系统副总裁西门子数字工业软件．“但对于sdv来说，还有一个更令人信服的用例，很少有人考虑过。想象一下，有一个黄金版的复杂数字双胞胎，就像一辆汽车和它所有的ecu。现在想象一下，每个工程师都有一个数字双胞胎的副本，用来开发、调试和测试软件。”

如果硬件团队或另一个软件团队对黄金数字双胞胎进行了更改，那么SOAFEE等云原生软件会自动将更新推送到所有开发数字双胞胎，就像OTA更新会在物理汽车中发生一样。然后，您不仅有一个灵活的SDV架构，而且还有一个软件定义的开发环境，用于为一个非常大的软件团队开发和验证SDV。所有这一切都是由数字双胞胎技术实现的。”

结论
很难想象一辆现代汽车由1亿多行代码运行，更不用说3亿行代码了。挑战将是开发安全、可靠的软件程序。

尽管如此，由于市场潜力，几乎所有的原始设备制造商至少都在探索sdv。科技公司和原始设备制造商正在各地合作开发未来的软件密集型汽车。原始设备制造商需要把汽车开发当作一台超级计算机来对待。标准符合性、建模和仿真、安全和安全考虑、新传感器的实施、ecu和ADAS的创新，以及汽车供应链的变化将增加更多的复杂性，但它们也将提供更大的灵活性。

“如果我们在这些自动驾驶汽车上花费大量时间，就有机会拥有另一个屏幕，”Rambus的Woo说。“过去你的生活中有三个屏幕。现在有了第四个屏幕，也许它成为了另一个屏幕的机会。即使在今天，你也可以在手机和平板电脑之间切换服务，无缝地继续观看电影。你会认为同样的事情也会发生在汽车上。如果我是一名乘客，我正在看电影，我看到了最精彩的部分，我们回到家，我想做的第一件事就是看完我一直在看的东西。从某种程度上讲，该行业已经在为此打下了一些基础。另一方面，也确实会有我们还没有想到的更大的用例，因为它是一种新型的交通工具。”

-Ann Mutschler对本文也有贡献。