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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）架構系統(tǒng)被集成到汽車中，成為智能交通、自動駕駛、智能城市等更廣泛生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。汽車行業(yè)自動化水平的大幅提升，也為汽車E/E架構的發(fā)展帶來若干關鍵機遇。市場研究機構的數(shù)據(jù)表明，2018年汽車電子/電氣架構市場的價值為632億美元，預計在2018年到2026年期間將以9.9%的復合年增長率增長。這一增長主要歸功于汽車、聯(lián)網(wǎng)汽車以及自動駕駛的電氣化程度的不斷提高。此外，ADAS、DMS、HMI、V2X技術中攝像頭、傳感器應用的增加對汽車電子/電子架構市場也產(chǎn)生了積極影響。
01
三大汽車E/E架構及演進史
在討論汽車E/E架構如何演進之前，我們先來看一下過去幾十年中汽車電氣體系結構系統(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，此時的汽車根本談不上有什么E/E架構，完全是機械操作。直到20世紀30年代，當制造商開始提供真空管收音機時，第一批汽車電氣部件才問世。即使到了20世紀50年代，汽車內(nèi)也只有很少的電氣設備，幾乎沒有什么電子設備。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)動機信號傳輸的CAN總線速度達到500kbit/s。至此E/E架構才真正駛入發(fā)展的快車道。
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2007年
德爾福首次提出了E/E架構這一概念，并對發(fā)動機系統(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行系統(tǒng)設計和優(yōu)化。此時的E/E架構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架構演進路線圖
隨著時間的推移，由于技術的進步和消費趨勢的發(fā)展，汽車變得更加復雜。在汽車歷史的大部分時間里，機械系統(tǒng)一直占據(jù)主導地位，但電氣和電子系統(tǒng)的占比和復雜程度也在穩(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架構來輔助或啟用的。發(fā)動機管理、制動、轉向、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)揮主導作用?，F(xiàn)代汽車中幾乎包含數(shù)百萬行代碼，這些代碼構成了從最先進的信息娛樂、被動安全功能到自動門鎖等各種應用程序。毫不夸張地說，自動駕駛技術是推動汽車E/E架構高速發(fā)展的功臣。正是因為自動駕駛汽車的不斷創(chuàng)新，汽車原始設備制造商（OEM）開始大量引入新一代汽車E/E架構，其中的緣由很大程度上源于快速增長的計算能力對傳統(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候都需要更強大的計算能力和數(shù)據(jù)傳輸能力。隨著汽車逐漸成為一臺超級計算機，傳統(tǒng)的汽車架構不再有效，它的架構或基礎需要徹底改變。此時，只有基于集中計算的E/E架構才能更有效地支持快速攀升的數(shù)據(jù)量和計算能力。此外，駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和V2X技術的日益普及也為汽車E/E體系結構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架構正在從分布式ECU架構向域集中方向進化，并最終向著中央集中架構方向發(fā)展。分階段演進路徑表現(xiàn)為：分布式架構將從模塊化向集成化方向發(fā)展、域集中架構將從域控制集中式向跨域融合方向發(fā)展、中央集中架構將從車載電腦（中央計算平臺）向車-云計算（車端計算主要用于車內(nèi)部的實時處理，而云計算作為車端計算的補充）方向發(fā)展。
圖2 ：三大汽車E/E架構以及演進路線圖（根據(jù)博世資料編輯繪制）
02
汽車E/E架構如何升級？
汽車E/E架構通常指整車電子電氣系統(tǒng)的總布置方案，即將汽車里的各類傳感器、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，以實現(xiàn)整車的功能、運算、動力及能量的分配。汽車E/E架構升級主要體現(xiàn)在硬件架構、軟件架構、通信架構等三個方面。
硬件架構升級
硬件架構升級首先有利于提升算力利用率，減少算力設計總需求。其次，還有利于數(shù)據(jù)統(tǒng)一交互，實現(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，不僅需要與人實現(xiàn)交互，還必須與外界環(huán)境甚至數(shù)據(jù)中心進行交互，有海量的非結構化數(shù)據(jù)需要處理，對車輛中央計算平臺的數(shù)據(jù)處理能力提出了極高的要求。為了應對這些挑戰(zhàn)，汽車硬件架構升級勢在必行。根據(jù)采用的架構，目前主流的硬件升級路徑可分為三種：分布式架構將從模塊化向集成化發(fā)展，域集中架構將從域控制集中向跨域融合方向發(fā)展，中央集中式架構將從車載電腦向車-云計算方向發(fā)展。
軟件架構升級
隨著汽車電子應用需求日趨復雜，傳統(tǒng)汽車軟件系統(tǒng)的缺陷逐漸暴露。2003年，促進ECU軟件標準化的AutoSAR聯(lián)盟成立，其聯(lián)盟主導者是以主機廠/傳統(tǒng)Tier 1級供應商為核心的陣營。AutoSAR可提供標準的ECU接口定義，模塊化設計，促使軟硬件解耦分層，實現(xiàn)軟硬件設計分離。軟件的開發(fā)更易于管理，方便移植、裁剪和維護。現(xiàn)在，Classic AutoSAR架構逐步向Classic AutoSAR和Adaptive AutoSAR 混合式方向發(fā)展。它帶來的好處包括：可實現(xiàn)軟件/固件OTA升級、軟件架構的軟實時、操作系統(tǒng)可移植。
通信架構升級
現(xiàn)在的汽車中采用的傳感器、控制器和接口越來越多，自動駕駛也需要海量的數(shù)據(jù)用于實時分析決策。比如，一個LiDAR模塊就會產(chǎn)生約70Mbps的數(shù)據(jù)流量，一個攝像頭將產(chǎn)生約40Mbps的數(shù)據(jù)流量，一個Radar模塊也有約0.1Mbps的數(shù)據(jù)流量產(chǎn)生。通常，L2級自動駕駛將使用8個RADAR和3個攝像頭，車內(nèi)通信最大吞吐速率超過120Mbps，全自動駕駛對吞吐速率的要求會更高。
當車輛使用的LIN/CAN總線向以太網(wǎng)方向發(fā)展時，就很好地解決了車內(nèi)外通信所需的高速傳輸、低延時等性能需求，同時還能減少安裝、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架構升級中的主要力量
在汽車電子架構升級的過程中，活躍著眾多推手，他們從不同層面上為這一進程提供著加速度。
半導體廠商
半導體器件是汽車電氣系統(tǒng)中的關鍵部件。在E/E結構中，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)等領域找到。博世半導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汽車逆變器、用碳化硅（SiC）制成的極為高效的功率半導體，以及用于特別高性能、經(jīng)濟高效的雷達、激光雷達和駕駛員輔助系統(tǒng)視頻傳感器的集成電路。
其實，早在20世紀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)新的重要推動力。比如人盡皆知的ABS防抱死制動系統(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架構演進過程中，其中一個趨勢是將域整合到一個集中的計算機體系結構中，它們不再是具有多個離散ECU的系統(tǒng)，而是全部封裝在一個集中的域控制中。此模型需要無比強大的軟件功能，以及更多的代碼重用和遠程管理。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架構演進路線圖（圖源：博世）
在汽車行業(yè)，特斯拉是一個后起之秀，但是其很多創(chuàng)新的理念和“前衛(wèi)”的做法，對推動行業(yè)變革起到了很關鍵的作用。廣受關注的特斯拉Model3的E/E硬件架構已經(jīng)是中央集中式架構，硬件模塊主要包括自動駕駛及娛樂控制模塊（CCM，為FSD等芯片組成）和3個車身區(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的傳感器，例如攝像頭、毫米波雷達等，并管理各核心控制器。前車身控制器主要負責執(zhí)行自動駕駛模塊、座艙模塊、壓縮機及車前燈等。右車身控制器負責氣囊控制、12個超聲波泊車雷達、熱管理、扭矩控制等。左車身控制器負責內(nèi)部燈光、后電機控制、充電模塊等。
圖4：特斯拉Model 3采用了先進的中央集中式E/E架構（圖源：佐思車研）
國內(nèi)造車新勢力
在很長一段時間內(nèi)，研發(fā)汽車E/E架構屬于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入汽車行業(yè)以來，越來越多的企業(yè)開始介入這一領域，開展對新一代汽車E/E架構的研發(fā)。他們的進入對原有的汽車產(chǎn)業(yè)鏈格局帶來了一定的沖擊。華為提出的E/E架構是基于計算和通信的CC架構，由智能座艙、整車控制、智能駕駛三大域控制器構成，屬于跨域融合架構方案。
在今年4月份的上海汽車展上，從華為展臺上“把數(shù)字世界帶入每一輛車”這句話中足以看出他的起點還是很高的，在智能駕駛、智能座艙、智能網(wǎng)聯(lián)、智能電動和智能車云等五個方面，華為都有了軟硬件技術方案。
圖5：華為基于計算和通信的汽車CC架構（圖源：華為）
04
E/E架構演進的終極目標：讓汽車成為軟件定義的數(shù)字平臺
消費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、主動安全和車聯(lián)網(wǎng)服務等，并為最終的全自動駕駛鋪平道路。隨著對軟件功能的需求增長，對算力的需求也相應增加。就像最新的iPhone需要增加更多的算力來運行所有新的應用程序一樣，我們也需要給汽車增加更多的算力才能實現(xiàn)最新的功能?，F(xiàn)在，車輛中的軟件、電子設備和控制單元的數(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、動力系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)等。
尤其是當汽車的功能范圍從實時安全系統(tǒng)向交互式應用程序擴展時，汽車就逐漸成為一個軟件主導的系統(tǒng)。為此，在汽車行業(yè)普遍存在這樣一個觀點：
未來的汽車將是一個軟件定義的數(shù)字平臺。除了全自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、信息娛樂系統(tǒng)等這些我們能想到的新需求，這種體系結構還允許通過空中傳送（OTA）將新軟件代碼分發(fā)到車輛來實現(xiàn)各種新功能。
特斯拉是軟件定義汽車的典型例子。與當今市場上的其他傳統(tǒng)車企不同，特斯拉從一張白紙起步，其目標是設計一款由軟件控制并在集中計算平臺上運行的汽車。眼下，特斯拉的汽車基本上被認為是一個軟件定義的汽車，因為幾乎任何新功能或對現(xiàn)有功能的修改，它都可以通過無線發(fā)送軟件更新來實現(xiàn)。
現(xiàn)在的汽車已經(jīng)演變成一個移動的計算中心。就在當下，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。既然認識到這一點，那就趕緊入場吧！
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