世紀機遇！ AI和無(wú)人駕駛需求下的未來(lái)汽車(chē)電子架構

　　這是一款中級豪華轎車(chē)的電子電器架構, 如圖1所示, 是一種平行的、由不同帶寬和信號傳輸標準 (protocol) 并通過(guò)網(wǎng)關(guān)(Gateway)連接而成的網(wǎng)絡(luò )， 這里有CAN(controller area network)、FlexRay、MOST、LIN、LVDS(Low voltage differential signaling)，甚至模擬信號的直接連接。

　　車(chē)載電子網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)有上萬(wàn)個(gè)信號在不同傳輸標準 (protocol)下收發(fā)，不同形式的軟件在不同的上百個(gè)的電子控制模塊運行，軟件的規模已經(jīng)超過(guò)100 Mio.行，如何把控這樣的復雜體系，有效地驗證其整體功能和安全， 還同時(shí)要把研發(fā)和整車(chē)成本控制在一定的范圍內，這是主機廠(chǎng)現在面臨的一個(gè)巨大挑戰。

　　讓我們回顧一下個(gè)人電腦(Personal Computer)的發(fā)展歷程，自1981年8月IBM發(fā)明PC以來(lái)， 電腦的硬件架構是基本固定的和可擴展的(scalable)， 有CPU、GPU， 有PCI-Bus，有端口USB、VGA、HDMI，還有工作內存、硬盤(pán)或SSD; 軟件方面，有一個(gè)操作系統，有不同的應用軟件，而連接這些PC的網(wǎng)絡(luò )，是以太網(wǎng)(Ethernet) 。

　　圖2 IBM PC5150

　　這里作者指出，汽車(chē)的電子模塊對比PC，有如下的巨大區別：

　　圖3 汽車(chē)電子模塊與PC的對比

　　面對車(chē)聯(lián)網(wǎng)(V2X) 、駕駛輔助系統ADAS(advanced driver assistance system) 、整車(chē)電氣化(electrification) 、以及未來(lái)無(wú)人駕駛(autonomous driving)的市場(chǎng)，現有汽車(chē)的電子電器架構已經(jīng)不能滿(mǎn)足未來(lái)的需求了。大量的數據 (雷達、激光雷達、攝像頭、以及其它各種傳感器的信號，還有V2X的信號)需要接收、處理、并發(fā)出相應的指令到執行機構。

　　對此，筆者提出如下三個(gè)觀(guān)點(diǎn)：

　　第一：開(kāi)發(fā)和制定一個(gè)標準的、可擴展的汽車(chē)用電腦，把它稱(chēng)為iPC(車(chē)載電腦)

　　iPC如同一個(gè)高性能的、可擴展的PC，擁有標準的CPU (central processing unit)、GPU (graphic processing unit) 、SoC(system on chip)，和其它可擴展的AI芯片，比如NPU (neuronal network processing unit) 。在2000年，我還在德國戴姆勒集團負責動(dòng)力總成電子系統，和同事們研討未來(lái)汽車(chē)電子時(shí)，就有了iPC想法的雛形 。

　　iPC的操作系統可以統一，比如Linux。iPC的網(wǎng)絡(luò )端口主要是以太網(wǎng)(Ethernet)，帶寬1Gbps至100Gbps，集成了未來(lái)的5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )， 以及I/O端口。這是屬于PC和服務(wù)器制造公司、創(chuàng )新科技公司的一次世紀機遇!也是汽車(chē)電子行業(yè)重新洗牌的時(shí)刻!

　　第二：制定和實(shí)施汽車(chē)以太網(wǎng)(automotive ethernet)

　　以太網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人電腦、工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)有了廣泛的應用。未來(lái)的中國制造2025、或者德國工業(yè)4.0，物聯(lián)網(wǎng)(internet of things)，它們都有一個(gè)共同的載體Ethernet!汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )之所以至今少有應用以太網(wǎng)(少數在多媒體的應用除外)，其中一個(gè)主要障礙就是以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性 (real time capability) 。

　　以太網(wǎng)一般要等待先傳輸的一個(gè)信號包 (package)投遞到達，才能傳輸第二個(gè)信號包，這樣，對發(fā)動(dòng)機、轉向或制動(dòng)系統的控制信號，是不能滿(mǎn)足要求的。為了使以太網(wǎng)能夠實(shí)時(shí)控制(time trigged)，IEEE802.3制定標準，可以發(fā)送快遞信號包(express package)，它可以先暫停在傳輸中的信號包，讓快遞信號包實(shí)時(shí)送達后，再傳送暫停了的信號包，以解決發(fā)動(dòng)機、轉向、制動(dòng)系統的實(shí)時(shí)控制問(wèn)題。另外，如果利用PoE(Power over Ethernet)，可實(shí)現不外加線(xiàn)束、直接驅動(dòng)一些執行器。

　　第三：開(kāi)發(fā)獨立于硬件的應用軟件

　　現有五花八門(mén)的車(chē)載電子控制模塊，因為它們來(lái)自不同的Tie1，有不同的硬件、不同的操作系統，更有不同的應用軟件，這對于OEM來(lái)講，是一個(gè)極高成本的、大風(fēng)險的、十分復雜的集成和驗證工作。

　　如果有了車(chē)載電腦iPC，有了iPC的統一的操作系統，就能給與軟件科技公司一次巨大的機遇，開(kāi)發(fā)獨立于硬件的應用軟件，如同App，可以在不同的硬件環(huán)境下正常運行, 客戶(hù)甚至可以依據個(gè)人需求付費下載(new business model)， 也使OEM可以簡(jiǎn)單地集成、驗證、再用(re-use) 。我的一些德國汽車(chē)主機廠(chǎng)(BBAP)的同行們，同樣希望有獨立于硬件的應用軟件，便于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)、再應用(re-use)，甚至便于切換Tie1。

　　圖4 開(kāi)發(fā)獨立于硬件的應用軟件(汽車(chē)車(chē)載App)

　　圖 5 基于iPC的汽車(chē)電子以太網(wǎng)

　　總結

　　汽車(chē)電子的未來(lái)架構將是車(chē)載以太網(wǎng)(automotive ethernet) 。

　　作者在這里提出三個(gè)觀(guān)點(diǎn)：

　　1) 標準化、可擴展的車(chē)載電腦iPC

　　2) 統一的操作系統 (比如Linux)

　　3) 獨立于硬件的應用軟件

　　這將是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的趨勢，給與PC、服務(wù)器制造商和科技創(chuàng )新公司，以及獨立的軟件科技公司帶來(lái)了嶄新的商機 。打破系統Tie1的壟斷，正是中國零部件企業(yè)的世紀機遇!

　　預測到2025年， 以太網(wǎng)在汽車(chē)電子的滲透率將超過(guò)50%， 而它帶來(lái)的不僅是技術(shù)的跨越，也是降低成本、輕量化和汽車(chē)個(gè)性化(iPC的App， 軟件更新OTA)， 車(chē)聯(lián)網(wǎng)V2X，無(wú)人駕駛(routing & map via cloud)的新突破。