自动驾驶汽车在哪里?

我们到了吗?政府、消费者和工程师都想知道，汽车世界距离生产全自动汽车还有多远5级车辆。

虽然一些专家表示，这类车辆可能在未来几年内上路，但它们仍是少数。大多数预测认为，真正的自动驾驶汽车至少还需要10年，甚至可能更久，因为它需要的颠覆性技术还没有发明出来。

这关系到汽车和科技行业价值数十亿美元的利润，以及无数人的生命。根据世界卫生组织的数据，全世界每年有超过100万人死于交通事故世界卫生组织不过，这类死亡在多大程度上可以完全归咎于驾驶员的失误，以及高科技汽车能在多大程度上避免这种死亡，还有待商榷。尽管如此，据报道，欧盟正计划批准销售4级汽车——那些在特定地理区域或特定环境下完全自动驾驶的汽车——作为到2050年实现零道路死亡的努力的一部分。

目前市场上还没有这样的汽车。4级技术应用于Waymo随意组合这是通用汽车(General Motors)子公司的一家出租车服务公司巡航以及其他几个项目，但都不是消费类汽车。第3级，当系统遇到问题时，要求驱动程序接管，目前可以在精选梅赛德斯车型在德国和少数国家本田的传说在日本。特斯拉和其他提供给消费者的高科技汽车上的高级驾驶辅助系统(ADAS)通常被归类为2级。

在所有道路情况下都能自动驾驶的5级车辆目前还不存在。此外，目前还不清楚这种情况何时会改变。各种预测五花八门。今年早些时候，Oculus VR咨询CTO约翰卡马克Stack Overflow联合创始人杰夫•阿特伍德他公开捐赠了1万美元的慈善捐款，赌到2030年，美国主要城市的乘客将可以在商业上使用level5，卡马克赌赢，阿特伍德赌输。特斯拉首席执行官埃隆·马斯克做出了几个语句预测特斯拉将达到5级，但尚未得到证实。

图1:驾驶自动化的不同阶段。来源:Synopsys对此

其中一个巨大的挑战是，一些非常复杂的系统需要作为一个单一的集成系统一起工作。由于这一系列先进技术都是新的，而且还在不断发展，这就更加困难了。

该公司嵌入式软件和解决方案高级总监Marc Serughetti表示:“如今，市场由电动汽车、ADAS驱动，朝着自动驾驶、互联互通和共享移动的方向发展Synopsys对此．“OEM面临的挑战是，既然这是消费者想要的，他们如何开始交付一款具备所有这些功能的产品?在过去，汽车行业的做法是，原始设备制造商说，‘这是一个新功能。让我加入一个新的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，他们不能再说，‘我需要这个功能。让我添加一个新的电子控制单元来实现这个功能。“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。”

那么，如何才能实现这一切呢?尤其是在如此多的产品处于不同的发展状态、不断创新和消费者需求的情况下?Serughetti说:“很多公司，比如丰田和其他公司，都把软件放在第一位。“这是一种首先考虑软件的心态，以及它如何影响产品和交付。对于硬件，有多个层次的含义。首先，您不能拥有与以前相同的体系结构。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/电子结构。这就是人们谈论中央计算、分区网关和域控制器的原因。这方面正在发生一场全面的演变，那就是支持软件。”

然而，将所有这些新部件组合在一起需要时间。Expedera营销副总裁保罗•卡拉祖巴(Paul Karazuba)认为，要实现完全自主，还有很多工作要做，首先要以更快、更节能的方式处理海量流数据。他说:“仅仅从硬件的角度来看，在汽车中部署L5所需的平台并不存在，目前的解决方案也无法实际扩展以满足L5的要求。”“L5将需要一定数量的人工智能处理。可能是1000到3000之间，这取决于你和谁谈话每秒运算次数(TOPS)处理能力。当今最先进的人工智能处理解决方案，人们可以在汽车上找到大约250 TOPS。

图2:人工智能在自动驾驶汽车中的作用。来源:Expedera

Karazuba说，在这个水平上，处理器消耗大约75瓦的功率，这就产生了重大的扩展问题。“如果你看一下所需的扩展，这些芯片将不得不在性能上扩展4到12倍，这意味着相关的功率扩展。75瓦的温度大约是你在主动冷却一个芯片之前可以运行的最高温度，而汽车制造商已经表示，他们不想主动冷却汽车中的电子设备，因为这很贵，而且会增加重量。”

权力约束
他说，即使有可能将现有的解决方案扩展到3,000个TOPS，这样做也会消耗当今电动汽车1%的电池。Karazuba表示，一种解决方法是将多个芯片放在一起，但这样做会产生空间和成本问题。

“对于今天的硅，你说的是数百美元，每个芯片可能接近1000美元，你会在一辆汽车上安装4个，或者12个。你也不能把一个已经相当大的芯片再扩大4倍或12倍。它将不得不进行分解处理，要么将处理转移到汽车内的多个地方，要么转移到像芯片模型这样的东西。”

这只是成本的一部分。所有这些新功能都需要动力，而电动汽车的动力来自电池。但电池技术每年仅以约5%至6%的速度进步，而对更快处理更多数据的需求正在爆炸式增长，随着汽车的自动驾驶能力越来越强，两者之间的差距也在扩大。

电池本身变化很大。它们很重，充电需要时间，而且能量储存有限。因此，目前可用的最佳解决方案是提高电子设备的效率，并简单地添加更多的电池来增加续航里程。这增加了成本，也增加了复杂性，因为电池需要冷却和妥善管理，它们需要得到保护和足够坚固，以承受10年或更长时间的恶劣道路和环境条件。虽然距离第5级驾驶似乎还有很长的路要走，但它们仍然是汽车能添加多少智能的限制因素之一，也是一个没有明显最佳选择的领域。

“电池模块变得越来越大，所以你试图在电池组中使用密度更高的电池，因为它们占用的空间更少，”福特汽车的高级工程师菲利克斯·韦德纳(Felix Weidner)说英飞凌．“棱柱状电池曾经是最容易包装的，尤其是在一开始，棱柱状电池被大量使用。但我们也经常看到袋式电池，特斯拉使用的是圆柱形电池。每个人都在试图优化体积能。但也有权衡。棱柱形电池有一个合适的外壳，你不需要那么多的设置。你需要更坚固的住房袋电池。那么现在你是用棱柱形电池来节省外壳，还是继续推动能量密度的极限?最重要的是，这些细胞内的化学成分也在不断变化。第一款宝马i3电池使用的是NMC电池(一种锂离子电池)，含有镍、锰和钴。 Now we’re talking about LiFePO (lithium-iron-phosphate). And then they’re trying to put less electrolyte in there without reducing the conductivity too much, and they are trying to adjust the anode by blending some silicon inside to increase the surface area of the anode. All of this is constantly changing, and that affects how you make your package.”

绘制太多的动力会限制任何车辆的行驶范围。但是一辆完全自动驾驶的汽车需要更多的动力，因为它需要处理大量的数据。该公司高级技术营销经理保罗•格雷科夫斯基表示:“如今进入汽车的复杂soc数量增长非常迅速Arteris IP．“我们现在看到的是平均23个，在不久的将来可能会上升到26个。这是第2级或第3级。我甚至无法想象要达到第五级需要付出什么代价。如果soc的数量翻倍，我也不会感到惊讶。这意味着我们必须非常小心耗电量，因为耗电量就是一切。”

集成问题
格雷科夫斯基表示，汽车行业需要解决的另一件事是车与车之间的通信，这样道路上的车辆就可以相互沟通位置和速度，并做出相应的调整。

David Fritz，混合和虚拟系统副总裁西门子PLM他认为，该行业将在2027年或2028年左右接近第5级。“为了证明开发和生产成本相对较低(每年1亿美元)的合理性，你希望得到最大的回报。我们多年来一直在谈论ECU的整合。现在他们说，‘我们要制造一个芯片。然而，它将取代12块电路板，47个离散集成电路，17个soc，所有这些都将整合为一个。他说，现在我们正处于开始有良好财务意义的阶段。你不用再和12个不同的软件供应商合作，12个不同的硬件供应商合作，所有这些头疼的问题都消失了。这时它开始在方法论、开发、团队规模和能力方面变得有益。这将朝着垂直整合的方向发展。”

但纵向整合和ECU整合不会一蹴而就。与此同时，随着这些活动的发展，ecu的数量可能会继续增加。Fritz表示，对于2024年款车型，ecu的数量预计将与今天相同，或略高。

他指出:“整车厂需要后退半步。“他们需要说，‘我要添加这个功能，这将需要另一个ECU。但接下来的步骤是将其他四个ecu集成到那个ecu中。“这是一种进化的方法，因为人们非常害怕与他们习惯的东西有如此大的不同。他们如何才能在仅仅一两步的时间内就达到这个目标，并且不进一步落后于领先者?”

根据6月份的一份报告，即使实现4级自动驾驶也可能需要“对现有技术进行大规模重组”白皮书从Rambus而且西门子．完全自动驾驶可能会涉及汽车以太网、车对一切(V2X)连接和域控制器单元。为这些系统和其他系统提供动力的芯片必须在车辆的整个寿命周期内安全、可靠。

但是制造这样的芯片说起来容易做起来难。根据该论文，“与其他商业硅设计相比，汽车用例中的芯片面临着更高的环境挑战，比如温度、湿度和振动造成的物理虐待。因此，健壮的、故障安全的和/或故障操作系统在汽车设计中至关重要。安全和保障是通过多种工程活动和实践来实现的。”作者认为，工程师们必须假设硅会发生故障，因此必须设计和验证即使发生故障也能正常工作的产品。在某些情况下，一个可能的解决方案是使用专为汽车环境制造的CMOS节点。

当然，没有专家可以预测未来，在不久的将来，一项重大的技术创新总是有可能大大改变时间线。这样的时机也取决于如何在SAE制定的指导方针中定义5级自动驾驶。例如，一辆理论上有能力在人类绘制的任何道路上自动驾驶，但只在大城市内运行的车辆，是否符合5级车辆的标准?或者那真的是4级飞行器?

前路坎坷
无论这种技术如何分类，必须在试验区域之外运行的车辆都存在一定的技术挑战。“要想让自动驾驶汽车普及，而不仅仅是在最初的试点城市，就需要更多价格合理的传感器技术，以及更先进的软件和计算能力，”福特汽车合作总监罗伯特•戴(Robert Day)表示手臂的汽车和物联网业务线。“在将自动驾驶推向大众市场时，汽车行业面临的主要挑战之一是在车辆的功率、成本和热约束下提供所需的计算性能。此外，随着车辆架构的发展，开发人员面临着日益复杂的代码。”

这在很大程度上取决于不同系统对飞行器功能的重要性。“随着这些计算系统变得更加集中，需要对运行在这些系统上的软件的不同临界级别进行额外的保护，”Day说。“还有一个组件有助于部署全自动驾驶汽车，这限制了车辆运行的操作设计域(ODD)。通过限制地理、环境条件(雨、雪、雾等)和车辆运行的速度，它降低了车辆必须处理的情况的复杂性，因此可以更快地在道路上部署无人驾驶汽车。”

公司解决方案和生态系统高级集团总监Frank Schirrmeister说节奏他说，他预计未来几年将出现一款使用现有技术、按照卡马克和阿特伍德打赌的指导方针运行的汽车。不过，他预测，这种汽车的基础设施要到2030年才会出现，而消费者可能要等到几年后才会愿意采用这种自动驾驶技术。Schirrmeister指出，Cadence的一份报告显示，尽管消费者普遍认为超连接将对他们的生活产生积极影响，但许多人不喜欢完全自动驾驶和一些较低水平的自动驾驶相关的某些功能。

Schirrmeister说:“当它变成关于控制的东西时，消费者会有些犹豫。“人们希望能够拥有残疾人的自主权。他们只是想要建议。他们不希望汽车完全为他们做事。因此，主流应用可能需要更长的时间，我所看到的现实数字是在2030年或2040年。”

主流应用还需要解决基础设施问题。Arteris IP的格雷科夫斯基表示，非常“智能”的汽车需要同样智能的城市为这些汽车提供必要的信息。“这将远远不只是一辆自动思考的汽车。整个城市都在和汽车对话，汽车也在和城市对话。”

结论
最终，汽车要想真正实现自动驾驶，还需要做出重大改变。

Synopsys公司的Serughetti说:“你将需要在计算能力和功能方面非常强大的芯片，比如人工智能支持和其他高级功能。”“这将需要软件的改变，因为现在你有了所有这些计算元素，你想要利用这些计算能力，例如，你可能有一个分区架构。你说，‘我有一个不同的区域控制器，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上使用另一部分计算能力呢?’”

即便如此，实现自主的时间仍然不确定。构建一个复杂的系统已经足够困难了，但是当系统的功能需要集成并依赖于其他系统时，它就会变得更加困难。

- Ann Steffora Mutschler和Ed Sperling补充报道

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