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

如今，如果提起汽車互聯(lián)、電氣化與無人駕駛汽車革命，似乎每個人都能多少聊上幾句看法。但事實上，這場如火如荼的汽車革命背后，還有一個同樣值得關注但關注度明顯較低的領域：下一代電子電氣架構(EEA)的研發(fā)?，F(xiàn)階段，人們普遍認為，為了處理未來汽車與卡車不斷增加的數(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至關重要。

電子電氣架構一直算的上一種革命性技術，有關這種架構的重要反思已經(jīng)持續(xù)了很長時間，大約有超過30年了?；仡欉^去，汽車電子電氣架構距今最近的一次真正變革出現(xiàn)在1983年：那年，博世(Bosch)集團推出了CAN(控制器局域網(wǎng))協(xié)議。當時，首款采用CAN總線的車型為1986款BMW860轎跑。此后之后，CAN總線一直在車輛的電子電氣架構中發(fā)揮重要作用。作為一種集中式網(wǎng)絡，CAN總線可以廣播車輛的全部數(shù)據(jù)流，允許車內(nèi)的各種控制器和傳感器相互溝通。

CAN總線的出現(xiàn)改善了當時電子電氣架構的效率與互操作性。另外，這種總線還顯著降低了系統(tǒng)的復雜度，而復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)助車輛實現(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))技術都非常穩(wěn)定，這可讓我們的設計擁有更高的靈活度?！备Ｌ?Ford)電氣化動力總成工程總監(jiān)Kevin Layden表示，“不過，雖然如今CAN網(wǎng)絡已經(jīng)開始承擔更多功能，但由于未來車輛的傳感器數(shù)據(jù)將比現(xiàn)在多很多，因此CAN總線可能也無法滿足需求?！?/p>

Layden與其他專家表示，CAN總線架構的帶寬和吞吐量均相對有限，難以應對未來車輛在數(shù)據(jù)流處理、網(wǎng)絡安全及“終極”機器學習方面的需求。

博世(Bosch)汽車電子北美總裁Tim Frazier表示，“目前，自動駕駛系統(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應用而設計的微處理器很難勝任這樣的任務?！?/p>

采埃孚公司的Andy Whydell將這種強勁的中央汽車處理器比作“汽車界的智能手機”，而廠商與一級供應商均可以自行定制各種應用程序。

專家在與《汽車工程》交流時表示，未來，CAN總線將繼續(xù)留在電子電氣架構的子網(wǎng)中。不過，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)全球設計總監(jiān)Andy Whydell表示，以太網(wǎng)也被稱為IEEE 802.3協(xié)議，“這種技術的穩(wěn)定表現(xiàn)已經(jīng)得到充分驗證，幾乎每個家庭、每部電腦都在使用以太網(wǎng)。正因如此，以太網(wǎng)開始更多在汽車主動安全等對速度與容量有較高要求的應用中發(fā)揮作用。”

Whydell認為，未來，以太網(wǎng)將主要成為一種輔助技術，“與CAN總線并行工作?！彼忉屨f，“如果你對帶寬要求不高，那就沒必要升級到以太網(wǎng)絡，因為CAN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)總線就不會被一些優(yōu)先級不高的指令阻塞，比如簡單調整一下座椅等。這樣一來，我們就可以讓以太網(wǎng)單純負責一些更關鍵的安全系統(tǒng)，然后將一些與駕乘舒適度有關的功能交給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。

車輛對系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的更高要求，是推動下一代電子電氣架構研發(fā)的主要動力之一。

大處理與集中控制

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

Schroeder指出，通用汽車公司正在開發(fā)一個新的Global-B架構，預計將于2019年完成。目前，公司“希望可以從更多角度入手，讓更多高級功能在這種分布式架構下相互協(xié)同工作，保護消費者免受網(wǎng)絡攻擊?！?/p>

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

自動駕駛系統(tǒng)設計師希望可以利用1GB的實時以太網(wǎng)提供每秒1GB，甚至更高的處理速度。Schroeder表示：“從功能方面來說，這就像是把功能強大的大型計算機改成適用汽車的規(guī)格，而后再安裝到汽車上?！?/p>

在2016年的SAE全球汽車電子大會上，在“云”寬帶數(shù)據(jù)通信的協(xié)助下，利用強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話題。德爾福(Delphi)首席技術官Jeff Owens稱，這種趨勢“既是一種進化，也是一種革命?！睆倪M化方面來說，架構的進化主要是因為特定領域內(nèi)一些應用程序對數(shù)據(jù)提出了更高要求。比如，基于現(xiàn)有架構的混動車型可能就需要更多。

從革命方面來說，架構的革命主要體現(xiàn)在利用Owens所說的“über brain”多域控制器，重新思考整個架構的設計。他表示，über brain可以承擔多個ECU單元的工作，從而降低系統(tǒng)的復雜度、成本與質量。目前，德爾福、采埃孚、博世等供應商的量產(chǎn)產(chǎn)品中均有此類硬件設備。

大眾-奧迪也有意打造新的電子電氣架構。目前，這家公司正在開展一項Z-Fast(即Zed Faust)項目，旨在重新探索旗下主動安全領域中的電子電氣架構，包括車輛雷達、激光雷達、視覺系統(tǒng)、駕駛員狀態(tài)監(jiān)測及各種相關傳感器與執(zhí)行器等。這些功能都有一個共同點，那就是需要高速的數(shù)據(jù)處理。在這種背景之下，奧迪開始設計一種全新架構，在多域控制器中引入一款“可承擔重負荷的”中央處理器，負責各個子系統(tǒng)間的協(xié)調與決策任務。

據(jù)悉，2014年，這款Z-Fast緊湊型主板將會登陸一款奧迪A8自動駕駛概念車并與公眾見面。具體來說，該系統(tǒng)采用了英偉達(Nvidia)的K1芯片與192核GPU，可處理幾十個傳感器的數(shù)據(jù)輸入，從而根據(jù)當時的道路與交通狀況計算車輛的安全導航行駛信息。據(jù)了解，這款下一代汽車中央處理器的硬件整合度與可拓展性均將有所提升，預計將于2019年進入量產(chǎn)階段。

Owens表示，“奧迪希望自己的架構不會被未來淘汰?！彼忉屨f，未來，由于主要的數(shù)據(jù)處理工作均將交由中央處理器進行，傳感器的前端處理任務將會顯著減輕，其中包括“飛行時間(time-of-flight)”與熱管理系統(tǒng)的計算等，因此工程師就不需要為每一個傳感器單獨配備高端微處理器。這樣一來，未來汽車傳感器占用的空間將顯著縮小，且成本也會有所下降。

盡管目前部分系統(tǒng)可以支持升級，但這些系統(tǒng)通常都存在存儲空間不足的問題，因此在升級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，因此奧迪在未來很長一段時間內(nèi)都可以沒有負擔地增加更多功能。Owens認為，“對于一些真正具有前瞻性思維的廠商，中央汽車控制器將成為一種未來之選?！?/p>

博世集團的電子電氣架構技術戰(zhàn)略圖。

可重構設計

下一代電子電氣架構工程師表示，他們的目標是打造一個標準化硬件平臺。用通用汽車Schroeder的話說，“這種架構很容易擴大或縮小，可以滿足產(chǎn)品線上各類產(chǎn)品對功能與成本的不同要求。要知道，打造每一個架構的成本都非常高昂?！?/p>

加州大學伯克利分校著名的電子電氣與計算機科學教授Alberto Vincentelli博士也同意這種說法。在SAE汽車電子大會的專家討論環(huán)節(jié)中，Vincentelli博士表示，“為了不斷滿足新的需求，現(xiàn)代架構最重要的特點在于其靈活性和可重構性。當你開始設計一個新的架構時，要記得這個架構應該可以在其整個使用壽命中適應各種巨大的改變?！盫incentelli博士表示，“設計是一個問題，但更重要的是適應能力?！?/p>

從汽車整合來說，誰在中央處理器方面更有決定權呢，是一級供應商還是汽車廠商？“這很難說。”采埃孚的Whydell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‘汽車屆的智能手機’?！盬hydell表示，“這和你手機里的處理器很相似，主要體現(xiàn)在你可以自己選擇要給自己的手機安裝哪些應用程序。類似地，我們可以說采埃孚將提供處理器，而廠商則能決定到底要選哪些‘應用程序’。他們可以從我們這里購買所需的功能，也可以自己研發(fā)或讓一些專業(yè)的軟件公司進行開發(fā)。”

AUTOSAR(汽車開放系統(tǒng)架構)聯(lián)盟的主要目標之一，是在系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)之間提供更大的靈活性。AUTOSAR Adaptive平臺經(jīng)過專門設計，可為工程師提供更多靈活的架構，預計將于今年完成搭建。這個平臺可以為一些更復雜的系統(tǒng)提供一個軟件框架，協(xié)助工程師利用以太網(wǎng)增加帶寬。

需要說明的是，這并不是要取代AUTOSAR。該架構預計將最先用于高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)方面的應用。此外，這種架構還可以協(xié)助標準操作系統(tǒng)，與更多互聯(lián)功能與圖像處理功能實現(xiàn)無縫整合，從而助力汽車信息娛樂系統(tǒng)的開發(fā)。通用汽車的Schroeder表示，AUTOSAR 4.x將成為通用新一代Global-B電子電氣架構的基礎。

博世北美副總裁Tim Frazier認為，需要從目前的域架構轉移到多域架構配置，這將有助于減少20%的布線量。

對博世而言，架構的靈活性一直是公司所追求的重點之一。目前，博世的設計團隊已經(jīng)開發(fā)了多種下一代電子電氣架構解決方案，以滿足客戶的各種要求。Tim Frazier表示，“這項技術的進展非常迅速。”Frazier認為，在模塊化設計思路與1GB以太網(wǎng)的推動下，未來的電子電氣架構將從目前的分布式結構轉為跨域結構(APAS、動力總成、車身和信息娛樂系統(tǒng))。

Frazier斷言，“多域架構才是未來之選?！彼麍孕牛瑥哪壳暗挠蚣軜?見圖表)轉化多域架構可以減少15-20%的布線用量。

在“云”端

在2016年SAE全球汽車電子大會(SAE Convergence)上的主題演講中，英特爾(Intel)物聯(lián)網(wǎng)解決方案集團與交通運輸解決方案部副總裁Elliot Garbus提問說，“目前，我們在云平臺與汽車之的技術處于一種‘分裂狀態(tài)’，我們是否需要一個新的革命性架構？又或者我們能否在目前所用的架構中實現(xiàn)我們的目標？”

“云平臺”無法完成實時計算。但從長遠來看，Garbus認為將出現(xiàn)一種新的架構模型，可以普遍實現(xiàn)“可靠、實時的無線連接?！钡J為，這種架構不會很快到來，甚至在5G環(huán)境下也不行。

Garbus解釋說，“未來，汽車的計算能力將繼續(xù)增加，達到能夠進行自動操作的水平，而云計算則主要負責一些非實時活動及近實時的協(xié)調工作，比如判斷周圍交通狀況與天氣變化等。”此外，車輛的安全功能將在很大程度上借助FOTA(空中固件升級)與SOTA(空中軟件升級)來實現(xiàn)。

無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，因而威脅模型也會發(fā)生變化。Garbus表示，“這就需要一種系統(tǒng)性設計方法，在設計中必須整體考慮車輛中的所有硬件和軟件，甚至還要考慮云端的因素?！?/p>