软件定义的车辆

汽车很久以前就不再是纯粹的机械系统。但随着越来越多的零部件实现电气化，尤其是动力传动系统实现电气化，汽车正成为软件定义的汽车。

有些人认为这样的汽车是有轮子的电脑。但随着这些系统的不断发展，增加了更多的辅助和半自主功能，这种比较看起来越来越简单。

“这实际上不是一台带轮子的电脑。这是一个轮子上的数据中心，”解决方案营销高级集团总监Frank Schirrmeister说节奏．“在那个数据中心，我有特定领域的计算——不仅仅是纯处理，还有npu加速的领域，图形加速的领域，等等。”

由于大多数主要部件都由软件控制，汽车制造商可以在探索新的收入选择的同时简化他们的产品线。与此同时，消费者在如何购买和配置汽车方面将有更多的选择和更大的灵活性。

许多主要是机械的车辆今天仍在路上行驶。在它们最纯粹的形式中，唯一的电子元素是那些必须是电的东西——典型的是灯和收音机。但即使有了无线电，老式的控制也是机械的。

电动选择已经有一段时间了，比如电动门锁和电动窗户。但汽车的内部结构仍然顽固地停留在机械上，直到现在，在环境需求和经济效益的推动下，电动汽车正成为汽车的未来。

电动汽车
汽车大致可以分为三个部分，传动系统(或动力系统)，车身和悬挂系统，以及信息娱乐系统。最近，另一个类别开始发挥作用，不完全适合这些其他类别-先进的驾驶辅助系统(ADAS)，可改善驾驶体验及提高车辆的安全性。

图1:未来汽车中许多电气化系统的风格化说明。来源:导师

其中，信息娱乐是最容易电气化的，机械无线电控制早已被电子控制所取代。主动悬架并没有取代机械悬架，但已经将其改变为一种可以电动调节的形式。动力传动系统一直是最难完全电动化的部分，但这一方向的趋势是明确无误的。

显然，一些电动汽车已经上市，而特斯拉只经营电动汽车。然而，由于缺乏充电选择、充电所需的时间以及充满电后汽车的行驶距离，人们对电动汽车的接受程度受到了限制。随着基础设施的发展，电动汽车将成为更受欢迎的选择，在某种程度上，可能是唯一的选择。

然而，电气化的过程并不仅仅是用简单的电气等价物取代机械系统。每个组件都有广泛的参数，可以通过软件进行调整。从驱动扭矩到机器视觉算法，再到信息娱乐系统，都可以通过软件设置进行调整或重新配置。

汽车制造商认为有两个趋势推动了这一变化。一是不断需要将汽车排放降低到更低的水平。由于担心温室气体对环境的影响，相关法规最终对汽车的要求将超过机械发动机。

虽然发电的方式通常也会导致二氧化碳的释放，但可再生能源的日益普及意味着这种情况将随着时间的推移而改善。而且，至少，这是发电厂要解决的问题，而不再是汽车制造商的问题。

此外，人们正在重新思考如何使用汽车。年轻人不太可能想要拥有一辆汽车，尤其是当他们生活在人口密集的城市环境中。随着越来越少的人购买汽车，转而选择公共交通或拼车服务，汽车制造商的收入开始减少。整车厂正在想方设法用新的收入来源来替代这些收入。

车辆的操作部件
现代内燃机可以通过软件控制的设置非常有限。Cadence设计IP营销总监Tom Wong表示:“使用内燃机，你看到的就是你得到的。“活塞或曲轴并没有太多用处。我们没有化油器了。我们有燃油喷射。所以可以通过电子方式控制的基本上是燃油喷射系统。”

其余的汽车也有一些电子选择。Wong说:“主动悬架在某种程度上是由微控制器控制的，你的ABS也是如此。“当你使用无级变速传输时，你就有了计算机控制。”

软件在这里的作用变得非常明显大众对排放系统的欺骗．该公司使用软件通过检测何时可能发生测试来规避排放法规，然后改变操作以确保测试通过。

黄指出，在一级方程式赛车中，这是完全不同的事情。“一切都是电子的，一切都是电脑控制的，”他说。“这就是为什么你看着方向盘，看到的都是按钮。”但他也澄清说，其中许多功能不太可能应用到商用车上，因为客户不会强烈感受到它们的影响，因此成本难以承受。“作为司机，你看到了什么?”你可以看到燃油经济性，你可以看到加速，你可以看到车内良好的温度控制，以及自适应空调。当你控制主动悬架时你会有更好的操控性。除此之外，他们没有太多可以实时操作的东西，所以你真的能感受到不同。”

与目前的情况相比，电动汽车将——事实上已经——比机械汽车的可调性强得多。但对于购买了汽车并每天驾驶它的用户来说，这其中的很大一部分是不可见的。汽车上的许多功能，包括那些司机没有购买的功能，都将保留下来，只需要等待一些电信号就可以启动它们。

这可以为汽车制造商提供巨大的效率。他们可以在每辆车上提供相同的传动系统，依靠快速的软件更新来实现购买的功能。IESD汽车市场开发总监Doug Burcicki表示:“将这些车辆和动力系统组合在一起所需的物理特性将变得更加标准化。导师，西门子业务。原始设备制造商将不再拥有8到9个平台，在全球范围内支持30到40种不同的车型，而是只有大约3个平台。这些平台大部分将基于通用部件，只有轴距和宽度是主要变化。”

如今，汽车上的许多ADAS功能都更加注重算法。它们包括:

• 自适应巡航控制
• 车道偏离警告
• 盲点侦探
• 电子或基于摄像头的“镜子”
• 360°视角
• 自动停车
• 道路噪声取消

他们甚至会冒险进入超现实主义。正如王所描述的那样，一旦人们可以通过控制声音来抑制道路噪音，就可以玩其他的技巧，比如让扬声器在砰地关上一扇轻的、叮当作响的门时发出声音，就像关上一扇沉重的、昂贵的门一样。车门本身并没有改变，但根据关门的声音，司机感觉他或她拥有了一辆更高端的汽车。

不过，采用软件路线而不是硬件芯片确实涉及一些权衡。宝马汽车事业部执行董事Gene Warzecha表示:“具有所需功能的集成电路如果体积小、能自我监控且噪音低，就会增加价值。马克西姆集成．“然而，IC的开发周期是一到两年，因此很难知道正确的功能组合将是什么。获胜的路线图需要提供小型、安全、安静的解决方案，并猜测客户未来的需求是什么。另一方面，附加的软件内容也暗含很大的变数SoC，这意味着更大的动力。此外，SoC供应商能够通过采用最新的工艺几何结构和尽可能低的电源电压来抵消他们自己的一些功率。与传感器/模块解决方案所需的猜谜游戏相比，获胜的SoC电源路线图推动了架构和工艺能力的极限。”

保持最新
与所有这些功能配套的是一个丰富的通信通道，可以将运营数据发送到云端，并方便下载娱乐和驾驶辅助服务。这就提高了安全的重要性。OTA的联合创始人兼CTO Jason Oberg表示:“OTA更新和ADAS系统的可靠性是我们所看到的两个最高安全优先级龟岛的逻辑．

这种通信渠道对于提供软件更新也很重要，而这种更新目前在大多数汽车上都不可能实现。“对于内燃机来说，在它出厂后，没有太多东西可以调整，”Wong说。

对于电动传动系统，更新可以修复错误，提供插头安全补丁，微调操作参数，并允许功能升级或“租用”临时功能。微调可能是基于从整个车队收集的分析数据。

Burcicki说:“今天你的电池充电效率或续航里程比三年前提高了近10%。”“这是通过特斯拉定期持续的空中更新来实现的，因为他们分析了路上所有车辆的所有数据。他们还修改了控制电池组充放电的算法。每次他们这样做，他们就会做得更好，路上的每辆车都比他们买的时候有更大的续航里程。”特斯拉甚至在飓风逼近的范围内延长了车辆的电池寿命，以帮助人们逃生。

数据管理将成为车辆管理和开发的一个更重要方面。的营销主管Simon Rance说:“过去(传统的)内部开发周期专注于‘模型年’，但现在正在转变和利用敏捷方法，这将推动持续的软件开发。ClioSoft．“这将导致软件在车辆出厂后很长一段时间内仍被部署到车辆上。这种转变类似于我们从手机到智能手机的转变。智能手机开发需要敏捷的方法，这需要强大的设计数据管理。”

与此同时，“出租”功能可能带来新的收入来源，这是目前无法开发的。黄说:“很长一段时间以来，我们一直在大众媒体上听到z世代不买车的消息。”这让该行业担心收入可能会下降。“汽车制造商将这视为一种赚更多钱的方式，因此他们希望汽车配备多种选项。”

Burcicki强调了这一点。他说:“短期内，没有任何汽车制造商会在自动驾驶汽车上赚钱，但他们仍然有投资者和股东要感谢。”“任何想要看到自动驾驶汽车的CEO都必须在这段时间内盈利。因此，他们正试图找出现在可以利用的技术，以及如何从中受益，尽管真正的回报可能还需要十多年。”

租赁功能将创造新的机会。Burcicki提到了一个可能的“滑稽模式”的例子，在一段时间内，汽车可以被调整为更像赛车，以便周末在赛道上比赛。也可能恰恰相反。Mentor UltraSoc业务部门的高级战略总监Aileen Ryan说:“如果你的儿子或女儿开着你的车出去，你想限制他们的性能，你可以使用软件开关来做到这一点。”“这将是一个暂时的事情，因为你明天早上什么时候可以进入你的车，你希望车回到你想要的驾驶方式。”

这里的机械类比是，每一辆配备V8发动机的内燃汽车，只有部分活塞被激活。一辆四汽缸汽车只会留下四个未使用的汽缸。如果司机要去度假，需要额外的动力来牵引拖车，他们可以“租用”另外四个汽缸一周，完成后关闭它们。机械上不切实际的东西在电气上变得站得住脚。

在欧洲境内自驾提供了其他机会。他说:“在欧洲，我们有能力跨境开车，当我们这样做的时候，可能会出现不同的立法情况。”“例如，当你越过边境时，不同的速度限制可能会生效。这意味着能够自动理解，‘哦，5分钟前我还在法国，但现在我在德国，因此我可以使用一些额外的功能，或者我可以不使用一些功能，因为我在不同的法律管辖范围内。’”

在其他情况下，这可以实现售后功能升级。“购车者可能不想打开所有可用选项，”Wong解释道。“你可以买一辆没有自动紧急制动的汽车，但硬件已经能够做到这一点。也许6个月后，他们会给你发邮件说，‘只要500美元，我们就能启用自动紧急制动。你感兴趣吗?’”

信息娱乐系统可能是最大的收入来源。Wong说:“一辆基本款汽车可能与其他车辆拥有相同的信息娱乐系统，但你可能有机会进行软件升级，以获得更高保真度的声音，车内有更多的扬声器，或更多调谐扬声器，或车内有环绕立体声。”更有希望的是后座娱乐设施的出租。不管你买的是什么，汽车制造商作为收费者都要抽成。

Burcicki表示:“这些公司通过软件实现的首要目标是通过无线更新和销售车辆后产生的增量收入。”

整个更新概念中的一个问题是这些更新将如何与功能安全考虑因素交互。“这些更新是如何影响功能安全的，这是一个很大的悬而未决的问题，”库尔特·舒勒(Kurt Shuler)说Arteris IP．“每次更新都完全重做安全分析可行吗?”

在这一切实现之前，这是一个需要关注的领域。

对安全的需求
有了这样一个沟通的渠道，黑客的幽灵就来了，这样的攻击太出名了(图a沟里的吉普车)．Tortuga Logic的Oberg表示:“OTA有广泛的安全需求，因为更新是从云基础设施推送到汽车本身，在飞行中保护这些数据非常重要。”“然而，OTA通常会将安全性带到硬件级别，以确保更新可以安全地加载到端点。”安全性不仅对确保通信安全至关重要，而且对保护车辆的完整性也至关重要。必须检查下载的任何代码，以确保它来自合法的来源。这包括任何可能改变的设置。你不希望在高速公路上踩着半挂车后面的油门时，“荒唐模式”突然神秘地出现。

“当我不得不升级ECU或更新操作系统时，这可能需要一些时间，”特斯拉汽车软件和安全解决方案架构师克里斯·克拉克(Chris Clark)说Synopsys对此．“我们必须执行健全和验证检查。但我的关键基础设施是什么?我能否验证该软件确实是为这种特定的车辆设计的?我可能需要更新密钥，如果我的车上没有专用处理器来生成大密钥，这可能需要一些时间。”

但这些能力可能会随着时间的推移而提高。Clark说:“当我们看到组织转向集中计算、更强大的计算平台或虚拟化时，情况就会发生变化。”“现在它可以热插拔了。我可以更快地验证和回滚。”

这也提出了什么时候应该进行这些更新的问题。它们会被限制在停车的时候吗?完全关掉了?也许一夜之间?计算机操作系统往往是由操作系统制造商在操作系统制造商方便的情况下更新的，希望数据不会在这个过程中丢失。这对车辆是行不通的。

还有一个问题是，如果更新安装失败会发生什么。故障转移变得非常重要，这样以前的版本才能保持完整。在运行新版本时，甚至可能需要保留以前的版本。如果后来在新版本中发现了错误，那么可能需要恢复到以前的版本，直到有新的(改进的)更新可用。

保安与安全之间有着密切的联系。Oberg表示:“对于ADAS系统来说，许多安全要求都与功能安全交织在一起。“至关重要的是，ADAS系统的运行符合预期，无论是意外的环境影响还是来自对手的恶意意图。”

这些考虑不仅仅是业内人士的讨论。组织正在积极地定义标准和法规。一个新的标准，ISO 21434，正在开发中，作为与众所周知的安全标准相关的安全伴侣ISO 26262．联合国还提出了两项规定，一项是针对网络安全一个是OTA更新．这些文件在指导车辆通信安全如何发展方面非常重要。

结论
还有一个非常实际的沟通问题。如果飞行器超出了蜂窝信号范围会发生什么?有很多地区没有蜂窝服务，而有了5G，这些差距是否能得到弥补还完全不清楚。那么，如果通信停止，飞行器会发生什么?有一个值得注意的租车的例子通过手机连接追踪到了司机。在司机离开覆盖区域时，汽车只是停了下来，无法重新启动。

这种情况对城市居民来说可能是罕见的极端情况，但对农村居民来说，这是日常现实。未来的汽车将需要平衡通信需求和在通信不可能时保持运行的需求。

最终，软件的使用将永远改变汽车行业。原始设备制造商将能够实现更高的效率，同时开辟新的收入来源。司机将体验到更大的灵活性，在购买完成后很长一段时间内，车辆仍可配置。在制造和运营过程中对车辆进行配置的能力将彻底改变制造或拥有车辆的体验。