2020年07月16日 | AI和无人驾驶需求下的未来汽车电子结构分析

这是一款中级豪华轿车的电子电器架构， 如图1所示， 是一种平行的、由不同带宽和信号传输标准 （protocol） 并通过网关（Gateway）连接而成的网络， 这里有CAN（controller area network）、FlexRay、MOST、LIN、LVDS（Low voltage differenTIal signaling），甚至模拟信号的直接连接。

图1 一款豪华轿车的EE架构

车载电子网络已经有上万个信号在不同传输标准 （protocol）下收发，不同形式的软件在不同的上百个的电子控制模块运行，软件的规模已经超过100 Mio.行，如何把控这样的复杂体系，有效地验证其整体功能和安全， 还同时要把研发和整车成本控制在一定的范围内，这是主机厂现在面临的一个巨大挑战。

让我们回顾一下个人电脑（Personal Computer）的发展历程，自1981年8月IBM发明PC以来， 电脑的硬件架构是基本固定的和可扩展的（scalable）， 有CPU、GPU， 有PCI-Bus，有端口USB、VGA、HDMI，还有工作内存、硬盘或SSD； 软件方面，有一个操作系统，有不同的应用软件，而连接这些PC的网络，是以太网（Ethernet） 。

图2 IBM PC5150

这里作者指出，汽车的电子模块对比PC，有如下的巨大区别：

图3 汽车电子模块与PC的对比

面对车联网（V2X） 、驾驶辅助系统ADAS（advanced driver assistance system） 、整车电气化（electrificaTIon） 、以及未来无人驾驶（autonomous driving）的市场，现有汽车的电子电器架构已经不能满足未来的需求了。大量的数据 （雷达、激光雷达、摄像头、以及其它各种传感器的信号，还有V2X的信号）需要接收、处理、并发出相应的指令到执行机构。

对此，笔者提出如下三个观点：

第一：开发和制定一个标准的、可扩展的汽车用电脑，把它称为iPC（车载电脑）

iPC如同一个高性能的、可扩展的PC，拥有标准的CPU （central processing unit）、GPU （graphic processing unit） 、SoC（system on chip），和其它可扩展的AI芯片，比如NPU （neuronal network processing unit） 。在2000年，我还在德国戴姆勒集团负责动力总成电子系统，和同事们研讨未来汽车电子时，就有了iPC想法的雏形 。

iPC的操作系统可以统一，比如Linux。iPC的网络端口主要是以太网（Ethernet），带宽1Gbps至100Gbps，集成了未来的5G移动网络， 以及I/O端口。这是属于PC和服务器制造公司、创新科技公司的一次世纪机遇！也是汽车电子行业重新洗牌的时刻！

第二：制定和实施汽车以太网（automoTIve ethernet）

以太网在互联网、个人电脑、工业自动化已经有了广泛的应用。未来的中国制造2025、或者德国工业4.0，物联网（internet of things），它们都有一个共同的载体Ethernet！汽车网络之所以至今少有应用以太网（少数在多媒体的应用除外），其中一个主要障碍就是以太网的实时性 （real TIme capability） 。

以太网一般要等待先传输的一个信号包 （package）投递到达，才能传输第二个信号包，这样，对发动机、转向或制动系统的控制信号，是不能满足要求的。为了使以太网能够实时控制（time trigged），IEEE802.3制定标准，可以发送快递信号包（express package），它可以先暂停在传输中的信号包，让快递信号包实时送达后，再传送暂停了的信号包，以解决发动机、转向、制动系统的实时控制问题。另外，如果利用PoE（Power over Ethernet），可实现不外加线束、直接驱动一些执行器。

第三：开发独立于硬件的应用软件

现有五花八门的车载电子控制模块，因为它们来自不同的Tie1，有不同的硬件、不同的操作系统，更有不同的应用软件，这对于OEM来讲，是一个极高成本的、大风险的、十分复杂的集成和验证工作。

如果有了车载电脑iPC，有了iPC的统一的操作系统，就能给与软件科技公司一次巨大的机遇，开发独立于硬件的应用软件，如同App，可以在不同的硬件环境下正常运行， 客户甚至可以依据个人需求付费下载（new business model）， 也使OEM可以简单地集成、验证、再用（re-use） 。我的一些德国汽车主机厂（BBAP）的同行们，同样希望有独立于硬件的应用软件，便于进一步开发、再应用（re-use），甚至便于切换Tie1。

图4 开发独立于硬件的应用软件

图 5 基于iPC的汽车电子 总结

汽车电子的未来架构将是车载（automotive ethernet） 。

作者在这里提出三个观点：

1） 标准化、可扩展的车载电脑iPC

2） 统一的操作系统 （比如Linux）

3） 独立于硬件的应用软件

这将是未来汽车发展的趋势，给与PC、服务器制造商和科技创新公司，以及独立的软件科技公司带来了崭新的商机 。打破系统Tie1的垄断，正是中国零部件企业的世纪机遇！

预测到2025年， 以太网在汽车电子的渗透率将超过50%， 而它带来的不仅是技术的跨越，也是降低成本、轻量化和汽车个性化（iPC的App， 软件更新OTA）， 车联网V2X，无人驾驶（routing & map via cloud）的新突破。

作者刘晓毅博士（观昱机电技术（CostKey-Solutions.com）创始人），德国戴姆勒集团（奔驰汽车）21年的资深汽车技术经验（动力总成电子控制系统系列开发和商务车电子架构设计、整车企划、成本工程、新工艺开发、变速箱生产等部门高级经理），主导过奔驰汽车重卡16挡自动化变速箱系列开发、动力总成零部件和空客大型结构件的新工艺开发、电动商务车整车和成本企划、商务车及轿车的多项降低成本重点项目（PKO/OPTIMA，CTX， CORE）。长城汽车技术中心担任高层技术管理，为长城汽车集团组建了中国车企第一个全建制的成本工程体系、方法和流程，并使它融入了集团的整个产品过程。