软件定义的汽车

汽车架构正越来越多地由软件驱动，这一转变简化了升级，使汽车更容易添加新功能。

所有这一切都得益于汽车功能和特征的日益数字化，从机械设计转向电气设计，以及越来越多地从模拟数据转向数字数据。这使得原始设备制造商能够在最初购买汽车几年后增加或追加销售功能，例如自动驾驶功能。它还允许汽车制造商随着安全要求和连接协议的变化，在汽车的生命周期内保持车辆的最新状态。

但要让一辆汽车真正实现软件定义，整个汽车平台的硬件和架构都必须设计得符合软件定义的要求。而这并不是今天汽车的制造方式。

“这意味着大多数原始设备制造商都在采用中央计算架构，”ibm自动化和ADAS soc高级总监David Fritz表示西门子数字工业软件．“这可以是异质的，也可以是同质的。这部分并不重要，只要它是一个架构——一个软件架构，一个硬件架构——因为这让OEM可以说，‘我要让我的客户下载一个新的应用程序，可以完全改变他们的驾驶体验。’”

其他人也指出了类似的趋势。“你有了这个移动你的硬件，”Steven Woo说，他是哈佛大学的杰出发明家Rambus．“应该是这样，你可以根据你想要的外观和感觉来定制它，类似于流媒体服务等方面的配置文件。为什么不能这样呢?”

这些功能已经在会议和贸易展览中得到了展示。“在CES上，你可以看到汽车的概念，”Woo说。“其中一辆车的内外都布满了led灯。不同的司机可以拥有相当于游戏中的化身或皮肤。你可以根据自己的心情定制它，你可能有一个特定的预设。从软件定义的角度来看，它应该是这样的，基于需求、一天中的时间和你的心情，或者任何你当时需要的东西，你可以自定义内部的样子，以及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。就像主页在某些方面几乎是自动定制的一样，这些事情很可能会发生。”

弗里茨说，一位德国高管向他展示了一辆汽车，并说:“这就是我们的愿景。“当他点火时，里面所有的灯都亮了，你听到了。”斯科蒂向柯克船长汇报。“这就像乘坐星际飞船企业号。他说，‘想象一下人们下载这种体验。也许我不想演《星际迷航》也许我想成为神奇女侠，或者我想有一次复仇者联盟的经历。我希望能够选择我的经验，让车辆自己适应。他说，汽车“外壳”的支撑将成为一个区别。要么是这样，要么是托杯。”

要实现这一切，需要对整个车辆系统采取分层的方法。“这包括硬件堆栈，也就是汽车和引擎，等等，”福特半导体事业部产品营销总监Marc Swinnen说有限元分析软件．“在这之上是控制激光雷达、雷达、引擎的硅堆栈，这些硅驱动硬件。然后，在此之上是一个操作系统，许多原始设备制造商正在构建该系统来管理车辆中的所有操作。此外，还有一个应用程序堆栈，在其之上还有一个软件堆栈，汽车将通过这些应用程序进行接口连接。所以这是一个更传统的电子系统模型，汽车只是这个堆栈中的硬件层。”

定义软件定义的体系结构
软件定义的汽车是一个很好的标签，但它究竟意味着什么?微软嵌入式软件解决方案和系统高级总监Marc Serughetti说:“在一天结束的时候，我们必须回到起点，看看它到底意味着什么，然后它如何影响系统，以及为什么它会在那里。Synopsys对此．“归根结底，这都是OEM想要为汽车带来的功能。今天，汽车市场是由电动汽车驱动的。它是由ADAS该公司正朝着自动驾驶方向发展。我们知道这是由互联互通、共享移动等驱动的。OEM面临的挑战是，既然这些都是消费者想要的东西，你如何开始交付一款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，‘这是一个新功能。让我加入一个新的硬件来解决这个功能。这些新趋势不允许这样做。它不再起作用了，因为这些函数不是独立工作的。它们是相互联系的。另一个方面是，想要先进功能的消费者知道他们的手机可以得到更新和升级，这也是他们想要的。”

这是原始设备制造商和一级制造商背后的一个重要驱动因素，他们现在在思考这一切对他们意味着什么，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:“实现这一目标的方法是在软件中解决大量的功能。”“汽车生态系统中的许多公司都在谈论‘软件优先’的战略，以及它对产品和交付的影响。在硬件方面，有很多影响。首先，您不能拥有与以前相同的架构。你不可能有这样一个架构，所有的ecu都分布在各个地方，每个ecu都有自己的功能。不，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/区域网关域控制器之类的东西。这方面正在发生一场全面的演变，那就是支持软件。”

第二个难题是需要什么类型的芯片。“你将需要在计算方面非常强大的芯片，就你能做的事情而言，以及人工智能支持。第三个方面是软件。现在，因为有这么多的计算元素，你想要利用这些计算能力，例如，如果考虑一个区域架构，你说，'我有不同的区域控制器，我正在尝试做一个计算。为什么我不能使用这些区域架构提供的计算能力，如果我没有足够的计算能力，为什么我不能在汽车中使用另一部分计算能力?“整个软件驱动的方法也在影响电子系统，这意味着硬件和软件一起。这也有影响。从软件的角度来看，这在操作系统方面意味着什么?这就是我们开始看到原始设备制造商认识到有必要拥有自己的操作系统的地方。我们说的不仅仅是实时操作系统。他们说的是完整的基础设施。”

功能和安全问题
微软解决方案和生态系统高级部门主管Frank Schirrmeister表示，这引发了一系列新问题节奏．“软件能用吗?”足够安全吗?安全、舒适和便利是这些东西真正的驱动力，汽车似乎正在成为有生命的物体。汽车正在成为一个不断发展的硬件/软件平台。纵观整个行业，汽车基本上是一个物联网设备，成为一个消费中心。所有这一切的基础是软件和硬件的优雅解耦，同时软件改进并行运行——几乎就像一个敏捷的开发环境。”

虽然向软件定义汽车的转变包括下一代汽车架构的外观，但它们也决定了汽车的功能方向。

“我们现在正在远离分布式方法，即汽车中的每个功能都有自己的ECU，它们都分布在汽车周围，有更多的微控制器，你不知道该怎么做，”福特汽车合作伙伴、汽车和物联网业务线主管罗伯特·戴(Robert Day)指出手臂．“这开始转变为一种叫做域架构的东西，汽车中的每个域都有自己的计算，然后它有自己的ecu连接到它。一个用于ADAS，一个用于机舱娱乐等等。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。这就是我们今天在域控制器领域所处的位置。”

图1:软件定义车辆的复杂性不断上升。来源:手臂

下一个转变将会是更加分区化，每个区域都有自己的分区控制器。所以汽车的每个角落都有不同的传感器，它们将输入一个分区控制器。区域控制器会把信息从它的区域传递到一个大的中央计算机。

Day说:“我们已经从领域发展到区域，每个区域与一个大型计算单元对话，然后这个大型计算单元，即汽车中的高性能计算单元，通常被称为‘车轮上的数据中心’，将利用来自不同区域的信息执行任何必要的功能。”“这是我们可以实现软件定义功能的地方，因为这个大型中央计算机没有特定的工作要做。它做任何运行在它上面的软件告诉它要做的事情。这样你就可以开始在大型中央计算单元上引入软件定义的功能。”

销售
这就是架构变得有趣的地方。戴说:“如果一切都是软件定义的，那么这个东西看起来就更像你的手机或电脑，因为它经常同时运行不同的应用程序。”“此外，这些软件应用程序正在定义汽车的运行方式。这是软件定义的车辆。因为原始设备制造商可以制造一辆由软件来完成功能的汽车，你将在它上面运行。你可以使用相同的平台，为高端车辆提供优质功能，为低端车辆提供不那么优质的功能，而计算可以保持不变。从架构上讲，这可能意味着开发人员一开始可能会选择过度配置硬件，因为软件定义功能的另一个关键因素是它们也可以升级——有点像你的手机或电脑。所以从汽车离开经销店到你卖掉它，它并不是一成不变的。它实际上成熟了，升级了，变得更好了，或者进化了。”

他指出，这一点在消费电子产品领域很好地理解。“作为用户，我们现在已经非常习惯了，因为这就是我们在个人设备世界所做的事情。为什么车子会有什么不同呢?由于您并不真正知道可能会在上面运行哪些应用程序，也不知道这些应用程序会对性能产生什么影响，这意味着您可能希望在一开始就过度配置该中心。你会说，‘我希望这些硬件在汽车的生命周期内仍然有效地工作。“假设是五年。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程序，比如更高级的ADAS功能。我们仍将使用现有的传感器，因为我们将在汽车上安装所有这些不同的传感器，但未来它的实际功能可能会比现在更先进。’”

Cadence的Schirrmeister指出，为了实现这一切，车辆必须连接无线更新。“但如果升级不起作用，你真的不想像弄坏手机一样弄坏你的车。这意味着很多事情都必须以非常详细和安全的方式考虑。但你也可以做出与安全相关的更新，比如更好的识别障碍的算法等，因为这些都不是静态的。这将需要由复杂性驱动的组织变革。这也改变了人们的心态。汽车正在进一步消费化，消费者世界的电视、游戏机、手机等各种升级，从这个意义上说，汽车也在消费化，成为交通枢纽之一。它是用户交互的端点之一，问题是要在那里投入多少消费者体验。但这绝对是消费化。”

供应链中断
Elektrobit软件架构主管Moritz Neukirchner指出，向软件定义车辆转变的另一个方面是价值创造。“你认为汽车的创新在哪里?我们主要关注的是通过软件进行创新，在汽车领域取得进步，无论是在功能层面，比如如何开发应用程序或ADAS系统，还是如何实际构建和维护软件。车辆是如何整合的?以前，我们把盒子放在一起，然后用电线连接起来。我们现在非常关注将软件组件放在一起，将它们集成为软件部件，能够单独更新这些组件，而不是替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制，不太关注购买盒子或线束，而是更关注如何将功能组合在一起，如何从逻辑角度构建功能，因为它是由软件驱动的。”

纽基什内尔说，所有这些都必须事先考虑到安全、安全、自主、信息娱乐等，以及维护和保持创新的生命周期得到很好的控制。“原始设备制造商现在在软件领域拥有更多的所有权。基本上每个OEM都能看到这种情况。每个人都在创建自己的，有时甚至是一个法律实体，来开发软件。否则，OEM内部的大型组织单位将获得软件平台的所有权。我们还看到了一个趋势，一些原始设备制造商希望增加他们的IP和软件，他们希望了解如何进行软件集成，而不是从一级供应商那里购买盒子。我们还发现，在汽车操作系统领域，有一种趋势是直接从中间件供应商那里采购，而不是从一级供应商那里采购，因此汽车供应链在这里被打乱了。”

汽车原始设备制造商希望能够预测潜在的问题，特别是确保中央计算不会出现故障或以任何方式受到损害。这正在改变原始设备制造商的思维，进而改变整个供应链。

Arm 's Day指出，这使得系统中的责任发生了一些变化。“这不是一个硬件模块必须如何表现的问题。而是软件在上面的行为。例如，你可以有一个硬件平台，这个硬件平台有足够的性能来运行信息娱乐系统和ADAS系统。它实际上是一个软件定义，关于这些东西如何运行。假设我需要这些东西彼此独立，即使它们运行在同一个硬件系统上。这可能意味着我需要引入一个管理程序来分离它们，并且不受干扰。但是我还需要能够轻松地加载和卸载我的软件工作负载。它看起来像什么?这是软件架构与硬件架构的权衡。 You’re still going to have to have the reliability, the auto qualification certification, etc., for the hardware system, but how it functions and what it’s going to be will be defined by software. That’s the big shift here. You’re going to have to make sure this will still run reliably. You still may want to put elements of redundancy into it, either within the SoCs themselves or with multiple SoCs. But there’s an interesting potential here in that you can actually shift applications around.”

图2:完全可升级的车辆。来源:手臂

未来
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:“复杂性正在增加，而与此同时，设计工程师的开发效率并没有真正提高。”“工程师正在考虑这项艰巨的任务，现在还必须考虑如何将所有这些协同工作，包括如何在800万英里的行驶中进行测试。从这个角度来看，这对开发方法有影响——不仅是在软件和集成方面，而且在SoC架构方面，从定义SoC的角度来看。工程团队必须包括对性能和动力架构的早期探索。正因为如此，半导体开发商、一级供应商和原始设备制造商之间的合作变得越来越重要。每个人都在关注需要什么样的SoC。OEM是否需要自己制造?他们是和半导体公司合作制造的吗?”

这里的挑战是用例——驱动SoC性能的工作或工作负载。“我如何尽早验证或探索，以在SoC中实现正确的性能?这是架构如何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车辆级架构，”Serughetti解释道。“合作元素不能被低估。在此之前，许多开发都是独立完成的。现在，在生态系统内协作完成开发是非常重要的，并且协作需要有支持协作的基础设施。如何交换数据?如何将更多的内容转化为您正在做的事情的可执行规范?今天的系统更加复杂。你不能通过电子表格来做。 You cannot just do it in the mind of one person, thinking ‘Oh, that’s how it’s going to work.’ You really must have a collaboration platform for that type of activity. That’s something in the day-to-day activity of the people looking at electronics, who are going to be affected by this change towards a software-defined approach.”

公司首席营销官Michal Siwinski说Arteris IP他认为，从根本上讲，汽车开发将由软件定义。但他指出，软件和硬件的比例仍在划分中。“在芯片的背景下，芯片可能会改变(软件定义车辆的)一些情况。记住，电源管理曾经是硅的一部分。然后它从硅中分离出来，成为一个单独的芯片。现在，当我们进入芯片时，内存可能是5nm，数字内容可能是4nm，模拟可能是28nm, MEMS可能是130nm，谁知道天线会在哪个工艺中-突然之间，它又回到了对片上系统的异构重新计算。一些从芯片中走出来的部分可能会回到这个更大的芯片中，因为你仍然想要接近和优化。同样地，一些纯粹由软件或软件驱动的东西，实际上可能会在硬件中找到它们的方式，因为在仍然由软件控制的情况下，你有更好的控制。时间会证明一切。”