為了打造新一代的電子電氣架構(gòu)，工程師面臨的挑戰(zhàn)絕不止如何將圖中所示的20個(gè)子系統(tǒng)整合起來(lái)。

如今，如果提起汽車(chē)互聯(lián)、電氣化與無(wú)人駕駛汽車(chē)革命，似乎每個(gè)人都能多少聊上幾句看法。但事實(shí)上，這場(chǎng)如火如荼的汽車(chē)革命背后，還有一個(gè)同樣值得關(guān)注但關(guān)注度明顯較低的領(lǐng)域：下一代電子電氣架構(gòu)(EEA)的研發(fā)?，F(xiàn)階段，人們普遍認(rèn)為，為了處理未來(lái)汽車(chē)與卡車(chē)不斷增加的數(shù)據(jù)處理要求，目前主要廠商正在研發(fā)中的可拓展型電子電氣架構(gòu)至關(guān)重要。

電子電氣架構(gòu)一直算的上一種革命性技術(shù)，有關(guān)這種架構(gòu)的重要反思已經(jīng)持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間，大約有超過(guò)30年了?；仡欉^(guò)去，汽車(chē)電子電氣架構(gòu)距今最近的一次真正變革出現(xiàn)在1983年：那年，博世(Bosch)集團(tuán)推出了CAN(控制器局域網(wǎng))協(xié)議。當(dāng)時(shí)，首款采用CAN總線的車(chē)型為1986款BMW860轎跑。此后之后，CAN總線一直在車(chē)輛的電子電氣架構(gòu)中發(fā)揮重要作用。作為一種集中式網(wǎng)絡(luò)，CAN總線可以廣播車(chē)輛的全部數(shù)據(jù)流，允許車(chē)內(nèi)的各種控制器和傳感器相互溝通。

CAN總線的出現(xiàn)改善了當(dāng)時(shí)電子電氣架構(gòu)的效率與互操作性。另外，這種總線還顯著降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，而復(fù)雜度降低又意味著可以減少布線數(shù)量。在這種情況下，CAN總線不僅可協(xié)助車(chē)輛實(shí)現(xiàn)最高減重45kg公斤，還能節(jié)約珍貴的安裝空間。

“CAN與LAN(局域網(wǎng))技術(shù)都非常穩(wěn)定，這可讓我們的設(shè)計(jì)擁有更高的靈活度?！备Ｌ?Ford)電氣化動(dòng)力總成工程總監(jiān)Kevin Layden表示，“不過(guò)，雖然如今CAN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始承擔(dān)更多功能，但由于未來(lái)車(chē)輛的傳感器數(shù)據(jù)將比現(xiàn)在多很多，因此CAN總線可能也無(wú)法滿足需求。”

Layden與其他專家表示，CAN總線架構(gòu)的帶寬和吞吐量均相對(duì)有限，難以應(yīng)對(duì)未來(lái)車(chē)輛在數(shù)據(jù)流處理、網(wǎng)絡(luò)安全及“終極”機(jī)器學(xué)習(xí)方面的需求。

博世(Bosch)汽車(chē)電子北美總裁Tim Frazier表示，“目前，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中大量傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要融合，這對(duì)微處理器的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理功能提出了更高要求，目前市面上專為汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的微處理器很難勝任這樣的任務(wù)?！?/p>

采埃孚公司的Andy Whydell將這種強(qiáng)勁的中央汽車(chē)處理器比作“汽車(chē)界的智能手機(jī)”，而廠商與一級(jí)供應(yīng)商均可以自行定制各種應(yīng)用程序。

專家在與《汽車(chē)工程》交流時(shí)表示，未來(lái)，CAN總線將繼續(xù)留在電子電氣架構(gòu)的子網(wǎng)中。不過(guò)，與CAN總線相比，正在快速發(fā)展的以太網(wǎng)可以提供比前者高1000倍的帶寬。采埃孚(ZF TRW)全球設(shè)計(jì)總監(jiān)Andy Whydell表示，以太網(wǎng)也被稱為IEEE 802.3協(xié)議，“這種技術(shù)的穩(wěn)定表現(xiàn)已經(jīng)得到充分驗(yàn)證，幾乎每個(gè)家庭、每部電腦都在使用以太網(wǎng)。正因如此，以太網(wǎng)開(kāi)始更多在汽車(chē)主動(dòng)安全等對(duì)速度與容量有較高要求的應(yīng)用中發(fā)揮作用?！?br/>

Whydell認(rèn)為，未來(lái)，以太網(wǎng)將主要成為一種輔助技術(shù)，“與CAN總線并行工作?！彼忉屨f(shuō)，“如果你對(duì)帶寬要求不高，那就沒(méi)必要升級(jí)到以太網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)镃AN總線的成本要更低一些。此外，如果配合CAN總線使用，以太網(wǎng)總線就不會(huì)被一些優(yōu)先級(jí)不高的指令阻塞，比如簡(jiǎn)單調(diào)整一下座椅等。這樣一來(lái)，我們就可以讓以太網(wǎng)單純負(fù)責(zé)一些更關(guān)鍵的安全系統(tǒng)，然后將一些與駕乘舒適度有關(guān)的功能交給CAN總線處理。”

與許多專家一樣，Whydell也很看好以太網(wǎng)的發(fā)展。但他指出，除了以太網(wǎng)之外，還有一種FlexRay協(xié)議的速度也比CAN總線快，但成本也更高。

車(chē)輛對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的更高要求，是推動(dòng)下一代電子電氣架構(gòu)研發(fā)的主要?jiǎng)恿χ弧?/p>

大處理與集中控制

目前，汽車(chē)廠商一般會(huì)采用分布式汽車(chē)架構(gòu)。通用(GM)車(chē)輛系統(tǒng)工程執(zhí)行總監(jiān)Matt Schroeder解釋說(shuō)，在這種架構(gòu)下，大量ECU單元會(huì)相互協(xié)同工作，共同為駕駛員能提供各種功能。但這種架構(gòu)已經(jīng)快要“到達(dá)極限”了。

Schroeder指出，通用汽車(chē)公司正在開(kāi)發(fā)一個(gè)新的Global-B架構(gòu)，預(yù)計(jì)將于2019年完成。目前，公司“希望可以從更多角度入手，讓更多高級(jí)功能在這種分布式架構(gòu)下相互協(xié)同工作，保護(hù)消費(fèi)者免受網(wǎng)絡(luò)攻擊。”

Schroeder表示，未來(lái)，域控制器仍將是所有汽車(chē)架構(gòu)的基石，這點(diǎn)不會(huì)改變。他指出，分布式架構(gòu)“隨著車(chē)輛安全功能的增加，只會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜，但基本性質(zhì)并不會(huì)改變很大，然而客戶端的需求則已經(jīng)有了大幅提升?！?/p>

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)師希望可以利用1GB的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提供每秒1GB，甚至更高的處理速度。Schroeder表示：“從功能方面來(lái)說(shuō)，這就像是把功能強(qiáng)大的大型計(jì)算機(jī)改成適用汽車(chē)的規(guī)格，而后再安裝到汽車(chē)上。”

在2016年的SAE全球汽車(chē)電子大會(huì)上，在“云”寬帶數(shù)據(jù)通信的協(xié)助下，利用強(qiáng)勁的中央處理器滿足新的數(shù)據(jù)處理需求，一直是工程師們探討的熱門(mén)話題。德?tīng)柛?Delphi)首席技術(shù)官Jeff Owens稱，這種趨勢(shì)“既是一種進(jìn)化，也是一種革命。”從進(jìn)化方面來(lái)說(shuō)，架構(gòu)的進(jìn)化主要是因?yàn)樘囟I(lǐng)域內(nèi)一些應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)提出了更高要求。比如，基于現(xiàn)有架構(gòu)的混動(dòng)車(chē)型可能就需要更多。

從革命方面來(lái)說(shuō)，架構(gòu)的革命主要體現(xiàn)在利用Owens所說(shuō)的“über brain”多域控制器，重新思考整個(gè)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。他表示，über brain可以承擔(dān)多個(gè)ECU單元的工作，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜度、成本與質(zhì)量。目前，德?tīng)柛?、采埃孚、博世等供?yīng)商的量產(chǎn)產(chǎn)品中均有此類硬件設(shè)備。

大眾-奧迪也有意打造新的電子電氣架構(gòu)。目前，這家公司正在開(kāi)展一項(xiàng)Z-Fast(即Zed Faust)項(xiàng)目，旨在重新探索旗下主動(dòng)安全領(lǐng)域中的電子電氣架構(gòu)，包括車(chē)輛雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺(jué)系統(tǒng)、駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)及各種相關(guān)傳感器與執(zhí)行器等。這些功能都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是需要高速的數(shù)據(jù)處理。在這種背景之下，奧迪開(kāi)始設(shè)計(jì)一種全新架構(gòu)，在多域控制器中引入一款“可承擔(dān)重負(fù)荷的”中央處理器，負(fù)責(zé)各個(gè)子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)與決策任務(wù)。

據(jù)悉，2014年，這款Z-Fast緊湊型主板將會(huì)登陸一款?yuàn)W迪A8自動(dòng)駕駛概念車(chē)并與公眾見(jiàn)面。具體來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)采用了英偉達(dá)(Nvidia)的K1芯片與192核GPU，可處理幾十個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)輸入，從而根據(jù)當(dāng)時(shí)的道路與交通狀況計(jì)算車(chē)輛的安全導(dǎo)航行駛信息。據(jù)了解，這款下一代汽車(chē)中央處理器的硬件整合度與可拓展性均將有所提升，預(yù)計(jì)將于2019年進(jìn)入量產(chǎn)階段。

Owens表示，“奧迪希望自己的架構(gòu)不會(huì)被未來(lái)淘汰。”他解釋說(shuō)，未來(lái)，由于主要的數(shù)據(jù)處理工作均將交由中央處理器進(jìn)行，傳感器的前端處理任務(wù)將會(huì)顯著減輕，其中包括“飛行時(shí)間(time-of-flight)”與熱管理系統(tǒng)的計(jì)算等，因此工程師就不需要為每一個(gè)傳感器單獨(dú)配備高端微處理器。這樣一來(lái)，未來(lái)汽車(chē)傳感器占用的空間將顯著縮小，且成本也會(huì)有所下降。

盡管目前部分系統(tǒng)可以支持升級(jí)，但這些系統(tǒng)通常都存在存儲(chǔ)空間不足的問(wèn)題，因此在升級(jí)前必須先卸載部分舊的內(nèi)容。由于多域處理器可以提供足夠的內(nèi)存和處理速度，因此奧迪在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都可以沒(méi)有負(fù)擔(dān)地增加更多功能。Owens認(rèn)為，“對(duì)于一些真正具有前瞻性思維的廠商，中央汽車(chē)控制器將成為一種未來(lái)之選?！?/p>

博世集團(tuán)的電子電氣架構(gòu)技術(shù)戰(zhàn)略圖。

可重構(gòu)設(shè)計(jì)

下一代電子電氣架構(gòu)工程師表示，他們的目標(biāo)是打造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺(tái)。用通用汽車(chē)Schroeder的話說(shuō)，“這種架構(gòu)很容易擴(kuò)大或縮小，可以滿足產(chǎn)品線上各類產(chǎn)品對(duì)功能與成本的不同要求。要知道，打造每一個(gè)架構(gòu)的成本都非常高昂。”

加州大學(xué)伯克利分校著名的電子電氣與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Alberto Vincentelli博士也同意這種說(shuō)法。在SAE汽車(chē)電子大會(huì)的專家討論環(huán)節(jié)中，Vincentelli博士表示，“為了不斷滿足新的需求，現(xiàn)代架構(gòu)最重要的特點(diǎn)在于其靈活性和可重構(gòu)性。當(dāng)你開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)新的架構(gòu)時(shí)，要記得這個(gè)架構(gòu)應(yīng)該可以在其整個(gè)使用壽命中適應(yīng)各種巨大的改變?！盫incentelli博士表示，“設(shè)計(jì)是一個(gè)問(wèn)題，但更重要的是適應(yīng)能力?！?/p>

從汽車(chē)整合來(lái)說(shuō)，誰(shuí)在中央處理器方面更有決定權(quán)呢，是一級(jí)供應(yīng)商還是汽車(chē)廠商？“這很難說(shuō)?！辈砂ｆ诘腤hydell如是回答。

“我們已經(jīng)有一些產(chǎn)品，而我把這些產(chǎn)品稱為‘汽車(chē)屆的智能手機(jī)’。”Whydell表示，“這和你手機(jī)里的處理器很相似，主要體現(xiàn)在你可以自己選擇要給自己的手機(jī)安裝哪些應(yīng)用程序。類似地，我們可以說(shuō)采埃孚將提供處理器，而廠商則能決定到底要選哪些‘應(yīng)用程序’。他們可以從我們這里購(gòu)買(mǎi)所需的功能，也可以自己研發(fā)或讓一些專業(yè)的軟件公司進(jìn)行開(kāi)發(fā)?！?br/>

AUTOSAR(汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu))聯(lián)盟的主要目標(biāo)之一，是在系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)之間提供更大的靈活性。AUTOSAR Adaptive平臺(tái)經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)，可為工程師提供更多靈活的架構(gòu)，預(yù)計(jì)將于今年完成搭建。這個(gè)平臺(tái)可以為一些更復(fù)雜的系統(tǒng)提供一個(gè)軟件框架，協(xié)助工程師利用以太網(wǎng)增加帶寬。

需要說(shuō)明的是，這并不是要取代AUTOSAR。該架構(gòu)預(yù)計(jì)將最先用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)方面的應(yīng)用。此外，這種架構(gòu)還可以協(xié)助標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)，與更多互聯(lián)功能與圖像處理功能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫整合，從而助力汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。通用汽車(chē)的Schroeder表示，AUTOSAR 4.x將成為通用新一代Global-B電子電氣架構(gòu)的基礎(chǔ)。

博世北美副總裁Tim Frazier認(rèn)為，需要從目前的域架構(gòu)轉(zhuǎn)移到多域架構(gòu)配置，這將有助于減少20%的布線量。

對(duì)博世而言，架構(gòu)的靈活性一直是公司所追求的重點(diǎn)之一。目前，博世的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種下一代電子電氣架構(gòu)解決方案，以滿足客戶的各種要求。Tim Frazier表示，“這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展非常迅速?！盕razier認(rèn)為，在模塊化設(shè)計(jì)思路與1GB以太網(wǎng)的推動(dòng)下，未來(lái)的電子電氣架構(gòu)將從目前的分布式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為跨域結(jié)構(gòu)(APAS、動(dòng)力總成、車(chē)身和信息娛樂(lè)系統(tǒng))。

Frazier斷言，“多域架構(gòu)才是未來(lái)之選?！彼麍?jiān)信，從目前的域架構(gòu)(見(jiàn)圖表)轉(zhuǎn)化多域架構(gòu)可以減少15-20%的布線用量。

在“云”端

在2016年SAE全球汽車(chē)電子大會(huì)(SAE Convergence)上的主題演講中，英特爾(Intel)物聯(lián)網(wǎng)解決方案集團(tuán)與交通運(yùn)輸解決方案部副總裁Elliot Garbus提問(wèn)說(shuō)，“目前，我們?cè)谠破脚_(tái)與汽車(chē)之的技術(shù)處于一種‘分裂狀態(tài)’，我們是否需要一個(gè)新的革命性架構(gòu)？又或者我們能否在目前所用的架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)？”

“云平臺(tái)”無(wú)法完成實(shí)時(shí)計(jì)算。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，Garbus認(rèn)為將出現(xiàn)一種新的架構(gòu)模型，可以普遍實(shí)現(xiàn)“可靠、實(shí)時(shí)的無(wú)線連接。”但他認(rèn)為，這種架構(gòu)不會(huì)很快到來(lái)，甚至在5G環(huán)境下也不行。

Garbus解釋說(shuō)，“未來(lái)，汽車(chē)的計(jì)算能力將繼續(xù)增加，達(dá)到能夠進(jìn)行自動(dòng)操作的水平，而云計(jì)算則主要負(fù)責(zé)一些非實(shí)時(shí)活動(dòng)及近實(shí)時(shí)的協(xié)調(diào)工作，比如判斷周?chē)煌顩r與天氣變化等?！贝送猓?chē)輛的安全功能將在很大程度上借助FOTA(空中固件升級(jí))與SOTA(空中軟件升級(jí))來(lái)實(shí)現(xiàn)。

無(wú)論選擇何種安全攻擊手段，黑客攻擊的宗旨總是尋找薄弱環(huán)節(jié)入手。由于這些環(huán)節(jié)將出現(xiàn)變化，因而威脅模型也會(huì)發(fā)生變化。Garbus表示，“這就需要一種系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)中必須整體考慮車(chē)輛中的所有硬件和軟件，甚至還要考慮云端的因素?！?/p>