汽車電子電氣架構(gòu)進(jìn)化的終極目標(biāo)是什么？答案就在這里~

隨著人們對汽車性能要求的不斷提高，越來越多的汽車電子/電氣（E/E）架構(gòu)系統(tǒng)被集成到汽車中，成為智能交通、自動(dòng)駕駛、智能城市等更廣泛生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。汽車行業(yè)自動(dòng)化水平的大幅提升，也為汽車E/E架構(gòu)的發(fā)展帶來若干關(guān)鍵機(jī)遇。市場研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)表明，2018年汽車電子/電氣架構(gòu)市場的價(jià)值為632億美元，預(yù)計(jì)在2018年到2026年期間將以9.9%的復(fù)合年增長率增長。這一增長主要?dú)w功于汽車、聯(lián)網(wǎng)汽車以及自動(dòng)駕駛的電氣化程度的不斷提高。此外，ADAS、DMS、HMI、V2X技術(shù)中攝像頭、傳感器應(yīng)用的增加對汽車電子/電子架構(gòu)市場也產(chǎn)生了積極影響。

01

三大汽車E/E架構(gòu)及演進(jìn)史

在討論汽車E/E架構(gòu)如何演進(jìn)之前，我們先來看一下過去幾十年中汽車電氣體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展歷程。

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1886年

奔馳發(fā)明了世界上第一輛三輪汽車，此時(shí)的汽車根本談不上有什么E/E架構(gòu)，完全是機(jī)械操作。直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)制造商開始提供真空管收音機(jī)時(shí)，第一批汽車電氣部件才問世。即使到了20世紀(jì)50年代，汽車內(nèi)也只有很少的電氣設(shè)備，幾乎沒有什么電子設(shè)備。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，越來越多的電子電氣系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用到汽車中。

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1991年

世界上首款基于CAN總線的奔馳500E正式量產(chǎn)，這款車型采用了CAN總線系統(tǒng)，車內(nèi)各ECU之間的傳輸速率為83.3~500kbit/s，用于發(fā)動(dòng)機(jī)信號傳輸的CAN總線速度達(dá)到500kbit/s。至此E/E架構(gòu)才真正駛?cè)氚l(fā)展的快車道。

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2007年

德爾福首次提出了E/E架構(gòu)這一概念，并對發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、車窗控制、車載娛樂系統(tǒng)等一切需要電子控制的軟硬件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。此時(shí)的E/E架構(gòu)從根本上解決了汽車電子系統(tǒng)的通信和效率問題，汽車的性能、舒適性、安全性變得越來越好。

圖1：汽車E/E架構(gòu)演進(jìn)路線圖

隨著時(shí)間的推移，由于技術(shù)的進(jìn)步和消費(fèi)趨勢的發(fā)展，汽車變得更加復(fù)雜。在汽車歷史的大部分時(shí)間里，機(jī)械系統(tǒng)一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但電氣和電子系統(tǒng)的占比和復(fù)雜程度也在穩(wěn)步提高。如今，大多數(shù)車輛功能都是由電子部件和基本的E/E架構(gòu)來輔助或啟用的。發(fā)動(dòng)機(jī)管理、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、信息娛樂以及其他舒適和便利功能都依賴于電氣和電子系統(tǒng)。嵌入式軟件也開始在車輛功能中發(fā)揮主導(dǎo)作用?，F(xiàn)代汽車中幾乎包含數(shù)百萬行代碼，這些代碼構(gòu)成了從最先進(jìn)的信息娛樂、被動(dòng)安全功能到自動(dòng)門鎖等各種應(yīng)用程序。毫不夸張地說，自動(dòng)駕駛技術(shù)是推動(dòng)汽車E/E架構(gòu)高速發(fā)展的功臣。正是因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%87%AA%E5%8A%A8%E9%A9%BE%E9%A9%B6%E6%B1%BD%E8%BD%A6/">自動(dòng)駕駛汽車的不斷創(chuàng)新，汽車原始設(shè)備制造商（OEM）開始大量引入新一代汽車E/E架構(gòu)，其中的緣由很大程度上源于快速增長的計(jì)算能力對傳統(tǒng)ECU的處理能力帶來了挑戰(zhàn)。比如，在2018年的時(shí)候，汽車需要在一眨眼的功夫傳輸15000條數(shù)據(jù)。

而到了2020年，僅僅過了兩年，這個(gè)數(shù)據(jù)量就躍升至10萬條。更多的功能意味著比以往任何時(shí)候都需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)傳輸能力。隨著汽車逐漸成為一臺(tái)超級計(jì)算機(jī)，傳統(tǒng)的汽車架構(gòu)不再有效，它的架構(gòu)或基礎(chǔ)需要徹底改變。此時(shí)，只有基于集中計(jì)算的E/E架構(gòu)才能更有效地支持快速攀升的數(shù)據(jù)量和計(jì)算能力。此外，駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和V2X技術(shù)的日益普及也為汽車E/E體系結(jié)構(gòu)市場的增長提供了助力。從博世的定義來看，如今的汽車E/E架構(gòu)正在從分布式ECU架構(gòu)向域集中方向進(jìn)化，并最終向著中央集中架構(gòu)方向發(fā)展。分階段演進(jìn)路徑表現(xiàn)為：分布式架構(gòu)將從模塊化向集成化方向發(fā)展、域集中架構(gòu)將從域控制集中式向跨域融合方向發(fā)展、中央集中架構(gòu)將從車載電腦（中央計(jì)算平臺(tái)）向車-云計(jì)算（車端計(jì)算主要用于車內(nèi)部的實(shí)時(shí)處理，而云計(jì)算作為車端計(jì)算的補(bǔ)充）方向發(fā)展。

圖2 ：三大汽車E/E架構(gòu)以及演進(jìn)路線圖（根據(jù)博世資料編輯繪制）

02

汽車E/E架構(gòu)如何升級？

汽車E/E架構(gòu)通常指整車電子電氣系統(tǒng)的總布置方案，即將汽車?yán)锏母黝悅鞲衅鳌?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%A4%84%E7%90%86%E5%99%A8/">處理器、線束連接、電子電氣分配系統(tǒng)和軟硬件整合在一起，以實(shí)現(xiàn)整車的功能、運(yùn)算、動(dòng)力及能量的分配。汽車E/E架構(gòu)升級主要體現(xiàn)在硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)、通信架構(gòu)等三個(gè)方面。

硬件架構(gòu)升級

硬件架構(gòu)升級首先有利于提升算力利用率，減少算力設(shè)計(jì)總需求。其次，還有利于數(shù)據(jù)統(tǒng)一交互，實(shí)現(xiàn)整車功能協(xié)同。再就是能有效縮短線束，降低故障率，減輕車輛的質(zhì)量。傳統(tǒng)汽車的功能簡單，與外界的交互較少，采用分布式ECU，控制芯片為MCU/MPU。如今的智能網(wǎng)聯(lián)汽車，不僅需要與人實(shí)現(xiàn)交互，還必須與外界環(huán)境甚至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行交互，有海量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)需要處理，對車輛中央計(jì)算平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理能力提出了極高的要求。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，汽車硬件架構(gòu)升級勢在必行。根據(jù)采用的架構(gòu)，目前主流的硬件升級路徑可分為三種：分布式架構(gòu)將從模塊化向集成化發(fā)展，域集中架構(gòu)將從域控制集中向跨域融合方向發(fā)展，中央集中式架構(gòu)將從車載電腦向車-云計(jì)算方向發(fā)展。

軟件架構(gòu)升級

隨著汽車電子應(yīng)用需求日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)汽車軟件系統(tǒng)的缺陷逐漸暴露。2003年，促進(jìn)ECU軟件標(biāo)準(zhǔn)化的AutoSAR聯(lián)盟成立，其聯(lián)盟主導(dǎo)者是以主機(jī)廠/傳統(tǒng)Tier 1級供應(yīng)商為核心的陣營。AutoSAR可提供標(biāo)準(zhǔn)的ECU接口定義，模塊化設(shè)計(jì)，促使軟硬件解耦分層，實(shí)現(xiàn)軟硬件設(shè)計(jì)分離。軟件的開發(fā)更易于管理，方便移植、裁剪和維護(hù)?，F(xiàn)在，Classic AutoSAR架構(gòu)逐步向Classic AutoSAR和Adaptive AutoSAR 混合式方向發(fā)展。它帶來的好處包括：可實(shí)現(xiàn)軟件/固件OTA升級、軟件架構(gòu)的軟實(shí)時(shí)、操作系統(tǒng)可移植。

通信架構(gòu)升級

現(xiàn)在的汽車中采用的傳感器、控制器和接口越來越多，自動(dòng)駕駛也需要海量的數(shù)據(jù)用于實(shí)時(shí)分析決策。比如，一個(gè)LiDAR模塊就會(huì)產(chǎn)生約70Mbps的數(shù)據(jù)流量，一個(gè)攝像頭將產(chǎn)生約40Mbps的數(shù)據(jù)流量，一個(gè)Radar模塊也有約0.1Mbps的數(shù)據(jù)流量產(chǎn)生。通常，L2級自動(dòng)駕駛將使用8個(gè)RADAR和3個(gè)攝像頭，車內(nèi)通信最大吞吐速率超過120Mbps，全自動(dòng)駕駛對吞吐速率的要求會(huì)更高。

當(dāng)車輛使用的LIN/CAN總線向以太網(wǎng)方向發(fā)展時(shí)，就很好地解決了車內(nèi)外通信所需的高速傳輸、低延時(shí)等性能需求，同時(shí)還能減少安裝、測試成本。根據(jù)Broadcom和博世的市場調(diào)查數(shù)據(jù)，達(dá)到同等性能條件下，通過使用非屏蔽雙絞線（UTP）的以太網(wǎng)電纜和更小的緊湊型連接器，車輛的電氣連接成本最多可降低80％，線纜重量最多可減輕30％。

03

E/E架構(gòu)升級中的主要力量

在汽車電子架構(gòu)升級的過程中，活躍著眾多推手，他們從不同層面上為這一進(jìn)程提供著加速度。

半導(dǎo)體廠商

半導(dǎo)體器件是汽車電氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。在E/E結(jié)構(gòu)中，這些微小的芯片可以在傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和車輛執(zhí)行器系統(tǒng)等領(lǐng)域找到。博世半導(dǎo)體將它們比作是系統(tǒng)感官和肌肉的一部分。

以博世為例，其汽車電子產(chǎn)品就非常廣泛，近些年更是推出大量用于電動(dòng)汽車逆變器、用碳化硅（SiC）制成的極為高效的功率半導(dǎo)體，以及用于特別高性能、經(jīng)濟(jì)高效的雷達(dá)、激光雷達(dá)和駕駛員輔助系統(tǒng)視頻傳感器的集成電路。

其實(shí)，早在20世紀(jì)70年代，博世就已經(jīng)憑借其開發(fā)的基于電子產(chǎn)品的解決方案成為汽車行業(yè)創(chuàng)新的重要推動(dòng)力。比如人盡皆知的ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，就是博世在1978年發(fā)明的，并因此引發(fā)了一場汽車的數(shù)字革命。

在汽車E/E架構(gòu)演進(jìn)過程中，其中一個(gè)趨勢是將域整合到一個(gè)集中的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，它們不再是具有多個(gè)離散ECU的系統(tǒng)，而是全部封裝在一個(gè)集中的域控制中。此模型需要無比強(qiáng)大的軟件功能，以及更多的代碼重用和遠(yuǎn)程管理。據(jù)悉，博世目前約有3萬名專家正在參與開發(fā)新的軟件解決方案。

圖3：博世推薦的汽車E/E架構(gòu)演進(jìn)路線圖（圖源：博世）

特斯拉

在汽車行業(yè)，特斯拉是一個(gè)后起之秀，但是其很多創(chuàng)新的理念和“前衛(wèi)”的做法，對推動(dòng)行業(yè)變革起到了很關(guān)鍵的作用。廣受關(guān)注的特斯拉Model3的E/E硬件架構(gòu)已經(jīng)是中央集中式架構(gòu)，硬件模塊主要包括自動(dòng)駕駛及娛樂控制模塊（CCM，為FSD等芯片組成）和3個(gè)車身區(qū)控制器 BCMFRONT/LEFT/RIGHT等。CCM是整車最高決策者，接管所有輔助駕駛相關(guān)的傳感器，例如攝像頭、毫米波雷達(dá)等，并管理各核心控制器。前車身控制器主要負(fù)責(zé)執(zhí)行自動(dòng)駕駛模塊、座艙模塊、壓縮機(jī)及車前燈等。右車身控制器負(fù)責(zé)氣囊控制、12個(gè)超聲波泊車?yán)走_(dá)、熱管理、扭矩控制等。左車身控制器負(fù)責(zé)內(nèi)部燈光、后電機(jī)控制、充電模塊等。

圖4：特斯拉Model 3采用了先進(jìn)的中央集中式E/E架構(gòu)（圖源：佐思車研）

國內(nèi)造車新勢力

在很長一段時(shí)間內(nèi)，研發(fā)汽車E/E架構(gòu)屬于Tier 1的專業(yè)范疇，而現(xiàn)在情況正在發(fā)生變化。隨著以華為公司為代表的國內(nèi)一批造車新勢力宣布進(jìn)入汽車行業(yè)以來，越來越多的企業(yè)開始介入這一領(lǐng)域，開展對新一代汽車E/E架構(gòu)的研發(fā)。他們的進(jìn)入對原有的汽車產(chǎn)業(yè)鏈格局帶來了一定的沖擊。華為提出的E/E架構(gòu)是基于計(jì)算和通信的CC架構(gòu)，由智能座艙、整車控制、智能駕駛三大域控制器構(gòu)成，屬于跨域融合架構(gòu)方案。

在今年4月份的上海汽車展上，從華為展臺(tái)上“把數(shù)字世界帶入每一輛車”這句話中足以看出他的起點(diǎn)還是很高的，在智能駕駛、智能座艙、智能網(wǎng)聯(lián)、智能電動(dòng)和智能車云等五個(gè)方面，華為都有了軟硬件技術(shù)方案。

圖5：華為基于計(jì)算和通信的汽車CC架構(gòu)（圖源：華為）

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E/E架構(gòu)演進(jìn)的終極目標(biāo)：讓汽車成為軟件定義的數(shù)字平臺(tái)

消費(fèi)者對汽車安全和軟件功能的需求正以前所未有的速度增長。軟件支持能力的增加影響了信息娛樂、用戶體驗(yàn)、主動(dòng)安全和車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等，并為最終的全自動(dòng)駕駛鋪平道路。隨著對軟件功能的需求增長，對算力的需求也相應(yīng)增加。就像最新的iPhone需要增加更多的算力來運(yùn)行所有新的應(yīng)用程序一樣，我們也需要給汽車增加更多的算力才能實(shí)現(xiàn)最新的功能?，F(xiàn)在，車輛中的軟件、電子設(shè)備和控制單元的數(shù)量正以前所未有的速度增長。車輛中的大多數(shù)新功能都是基于軟件創(chuàng)建的，例如ADAS、動(dòng)力系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)等。

尤其是當(dāng)汽車的功能范圍從實(shí)時(shí)安全系統(tǒng)向交互式應(yīng)用程序擴(kuò)展時(shí)，汽車就逐漸成為一個(gè)軟件主導(dǎo)的系統(tǒng)。為此，在汽車行業(yè)普遍存在這樣一個(gè)觀點(diǎn)：

未來的汽車將是一個(gè)軟件定義的數(shù)字平臺(tái)。除了全自動(dòng)駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、信息娛樂系統(tǒng)等這些我們能想到的新需求，這種體系結(jié)構(gòu)還允許通過空中傳送（OTA）將新軟件代碼分發(fā)到車輛來實(shí)現(xiàn)各種新功能。

特斯拉是軟件定義汽車的典型例子。與當(dāng)今市場上的其他傳統(tǒng)車企不同，特斯拉從一張白紙起步，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款由軟件控制并在集中計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行的汽車。眼下，特斯拉的汽車基本上被認(rèn)為是一個(gè)軟件定義的汽車，因?yàn)閹缀跞魏涡鹿δ芑驅(qū)ΜF(xiàn)有功能的修改，它都可以通過無線發(fā)送軟件更新來實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在的汽車已經(jīng)演變成一個(gè)移動(dòng)的計(jì)算中心。就在當(dāng)下，一輛汽車已經(jīng)包含大約1億行軟件代碼。未來的汽車，只有擁有廣泛電子和軟件專業(yè)知識的公司，才有能力掌控全局。這對現(xiàn)有的汽車產(chǎn)業(yè)鏈而言，挑戰(zhàn)是空前的。然而，歷史車輪總是滾滾向前。既然認(rèn)識到這一點(diǎn)，那就趕緊入場吧！

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