六、EEA的演進(jìn)將分成幾個(gè)階段?
前面談到集中化是EEA的總體演進(jìn)趨勢(shì),具體來看,實(shí)現(xiàn)智能汽車EEA的整體進(jìn)化,不僅需要邏輯集中和物理集中雙管齊下,還需要實(shí)現(xiàn)邏輯集中與物理集中的協(xié)同。實(shí)際上涉及到的內(nèi)容很多,所以不可能一蹴而就,需要分步實(shí)現(xiàn)。
1.邏輯集中
邏輯集中意味著軟件系統(tǒng)規(guī)模更大、更復(fù)雜,因此需要更先進(jìn)的軟件資源管理和交互技術(shù)。在傳統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)中,“I/O控制軟件”與“邏輯處理軟件”被混雜封裝在一起,沒有明確的邊界,這個(gè)階段也稱為“軟軟耦合”。
在談?wù)撨壿嫾兄埃覀兪紫纫獏^(qū)分“邏輯處理類軟件”和“I/O控制類軟件”?!斑壿嬏幚眍愜浖敝饕溉诤蠜Q策、人機(jī)交互、功能組合等包含復(fù)雜邏輯策略的應(yīng)用和算法,“I/O控制類軟件”主要指信號(hào)路由、數(shù)據(jù)預(yù)處理、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)等與硬件高度相關(guān)的驅(qū)動(dòng)類軟件。強(qiáng)調(diào)二類軟件區(qū)別,是因?yàn)椤斑壿嫾小敝械摹斑壿嫛逼鋵?shí)指的就是“邏輯處理類軟件”,此類軟件直接面向用戶需求進(jìn)行開發(fā),具有更多的數(shù)據(jù)橫向打通和組件復(fù)用的需求,天然就傾向于實(shí)現(xiàn)集中,而“I/O控制類軟件”與硬件高度相關(guān),其集中與否由硬件決定而非用戶需求。
邏輯集中的第一步就是要實(shí)現(xiàn)“軟軟解耦”,需要把“邏輯處理軟件”與“I/O控制軟件”通過分類分層的封裝方式來解除綁定,進(jìn)而允許不同“邏輯處理類軟件”之間能夠?qū)崿F(xiàn)打通和融合。
第二步是“功能集聚整合”,即把原本負(fù)責(zé)不同功能的多套軟件系統(tǒng)集聚整合為一個(gè)系統(tǒng)。軟軟解耦后,理論上“邏輯處理類軟件”與“I/O控制類軟件”已經(jīng)可以部署在不同的硬件上,但在實(shí)際工程開發(fā)中,考慮到對(duì)既有軟件的繼承,一般不會(huì)直接徹底打散重構(gòu)整個(gè)軟件體系。此階段一般先繼續(xù)保持“邏輯處理類軟件”與“I/O控制類軟件”在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi),只對(duì)“邏輯處理”部分進(jìn)行繼承、融合與再開發(fā),比如將AEB(緊急制動(dòng)系統(tǒng))、ACC(自適應(yīng)巡航系統(tǒng))、LKA(車道保持系統(tǒng))等多個(gè)駕駛輔助功能整合升級(jí)為NOA(自動(dòng)導(dǎo)航輔助駕駛)功能。
第三步是邏輯集中的理想階段——“邏輯-控制分離”,即“邏輯處理類軟件”與“I/O控制類軟件”分別集中成兩個(gè)軟件系統(tǒng)并分別部署?!斑壿嬏幚怼边@類需要大算力的軟件可以部署至中央計(jì)算平臺(tái),而“I/O控制類軟件”則可以部署至更靠近相關(guān)硬件的位置,這樣可以最大程度實(shí)現(xiàn)同類型算力需求的集中,減少硬件異構(gòu)集成帶來的額外成本。
例如,如果需要在一顆智能駕駛SoC上同時(shí)運(yùn)行“環(huán)境感知”和“底盤控制”兩類軟件,前者更需要AI算力,而后者只需要CPU算力,那么SoC的設(shè)計(jì)必須兼顧兩者;如果將“底盤控制”軟件部署在一顆單獨(dú)的MCU上,那么SoC的研發(fā)和資源冗余就能得以簡(jiǎn)化。
2.物理集中
相較“邏輯集中”的三個(gè)階段,“物理集中”整體可以分為“分布式”、“域融合”、“跨域融合”、“中央計(jì)算+區(qū)域控制”以及“車云一體”五個(gè)階段?!拔锢砑小钡难葸M(jìn)過程對(duì)計(jì)算和通信等硬件性能的要求不斷提升,具體參見圖3。
從“分布式”到“域融合”再到“跨域融合”,目標(biāo)是先用5-7個(gè)DCU(功能域控制器)取代掉各自域內(nèi)的ECU,再進(jìn)行跨域的計(jì)算整合將控制器數(shù)量縮減至3-4個(gè)。對(duì)于跨域的計(jì)算整合有不同的方式,有的車企按照功能域與功能域進(jìn)行整合開發(fā)MDCU(多域控制器),有的車企則按照功能硬件的物理空間距離進(jìn)行整合開發(fā)ZCU(區(qū)域控制器)。
“中央計(jì)算+區(qū)域控制”階段是一個(gè)分水嶺。在此之前控制器使用SoC芯片或MCU芯片,主要考慮物理集中的繼承關(guān)系,假如原控制器就使用了MCU芯片,那么集中后的新控制器往往繼續(xù)使用MCU芯片。但到了“中央計(jì)算+區(qū)域控制”階段,車載計(jì)算架構(gòu)已經(jīng)重構(gòu),讓SoC芯片居中用于中央計(jì)算集群/平臺(tái),負(fù)責(zé)大算力任務(wù);MCU芯片則用于VIU(區(qū)域信息單元),負(fù)責(zé)與硬件控制相關(guān)的任務(wù),這樣的計(jì)算明確分工能有效簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)并提高計(jì)算效率。同時(shí),VIU由于運(yùn)算任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,這樣允許車企針對(duì)不同車型來靈活配置所需的數(shù)量,大大提高了架構(gòu)的靈活性和通用性。
“中央計(jì)算+區(qū)域控制”階段還可以根據(jù)“中央計(jì)算”的集中程度進(jìn)一步細(xì)分為“多盒(Multi-Box)”、“單盒多板(One-Box)”、“單板多芯(One-Board)”和“單芯(One-SoC)”四個(gè)小階段,這一集中過程除了依賴芯片硬件層面集成設(shè)計(jì)技術(shù)的突破之外,板間互連、片間互連、片上互連等通信技術(shù)的進(jìn)步也是關(guān)鍵。
最終,根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)“摩爾定律”的發(fā)展情況,可以預(yù)見在“單芯”階段將出現(xiàn)的瓶頸,因?yàn)檐嚩怂懔Σ豢赡軣o限增長(zhǎng)來滿足所有應(yīng)用場(chǎng)景需求,智能汽車終將迎來“車云一體”式架構(gòu)。到了“車云一體”式架構(gòu)階段,部分車端算力將轉(zhuǎn)移至路端或云端,車路云多端算力通過V2X(車聯(lián)網(wǎng))打通并實(shí)現(xiàn)協(xié)同計(jì)算,由此將EEA的物理空間范疇從車內(nèi)拓展至車外。
3.邏輯集中與物理集中協(xié)同
綜合上述邏輯集中與物理集中的演進(jìn)路徑不難發(fā)現(xiàn),物理集中實(shí)際是邏輯集中的支撐,邏輯集中是發(fā)揮物理集中價(jià)值的關(guān)鍵,兩者相互協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的EEA。雖然其中涉及到很多的軟件和硬件,但是軟件最終要部署在硬件上,部署的過程就是成本和效率的優(yōu)化過程。
筆者認(rèn)為,邏輯集中與物理集中存在一個(gè)最優(yōu)匹配關(guān)系,如圖4所示。筆者還標(biāo)注了各大車企在EEA方面的相關(guān)進(jìn)展信息??梢钥吹?,傳統(tǒng)燃油汽車采用的EEA是分布式物理布局,邏輯層面也是很典型的軟軟耦合的嵌入式軟件。當(dāng)?shù)搅宋锢砑械摹坝蛉诤稀焙汀翱缬蛉诤稀彪A段,實(shí)際上車企都是使用相應(yīng)的集中式控制器來支撐相應(yīng)“功能集聚整合”后的軟件運(yùn)行。特斯拉早在2021年實(shí)現(xiàn)了區(qū)域集中EEA量產(chǎn),即使今天其比較先進(jìn)的EEA仍被視為行業(yè)標(biāo)桿。隨著物理維度的進(jìn)一步集中,“中央計(jì)算+區(qū)域控制”正好與邏輯維度的“邏輯-控制分離”相匹配,由“中央計(jì)算”承擔(dān)復(fù)雜的“邏輯處理類軟件”,“區(qū)域控制”承擔(dān)與硬件高度相關(guān)的“I/O控制類軟件”。
然而,理想與現(xiàn)實(shí)之間總有差距,實(shí)現(xiàn)邏輯集中和物理集中的最優(yōu)匹配并不容易,常常處于不匹配的狀態(tài)。這種不匹配現(xiàn)象在“域/跨域集中式架構(gòu)”階段,常見于某域/跨域控制器硬件已經(jīng)完成了開發(fā),而軟件層面無法將部分功能整合進(jìn)來,導(dǎo)致車內(nèi)ECU數(shù)量并未減少甚至還有所增多。但是,后果更為嚴(yán)重的不匹配則體現(xiàn)在“中央集中式架構(gòu)”階段,這往往反映出企業(yè)的研發(fā)目標(biāo)與現(xiàn)有實(shí)力的不匹配。
圖4中列舉了兩個(gè)例子。第一個(gè)是某科技巨頭的概念架構(gòu),該企業(yè)早在2020年就提出了“邏輯-控制分離”的目標(biāo),當(dāng)時(shí)控制器的硬件水平不足以支撐實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。也就是說,物理集中落后于邏輯集中,這導(dǎo)致部分傳感器、執(zhí)行器仍然需要直接接入中央計(jì)算集群,使“中央計(jì)算”的硬件設(shè)計(jì)成本明顯增加,最終該企業(yè)的相關(guān)量產(chǎn)產(chǎn)品并未按照其概念架構(gòu)來設(shè)計(jì);第二個(gè)例子是某企業(yè)于2023年宣布實(shí)現(xiàn)了“中央計(jì)算+區(qū)域控制”的EEA 3.0量產(chǎn),從其公開的技術(shù)資料了解到,其尚未實(shí)現(xiàn)I/O控制與邏輯處理的完全分離,仍然有很多“邏輯處理類軟件”部署在VIU上,這就是邏輯集中落后于物理集中的典型案例。
圖5展示了不同EEA集中化階段的軟件在不同硬件上的部署方式。筆者將“分布式EEA”定義為1.0階段,“域集中式EEA”定義為2.0階段,“中央集中式EEA”定義為3.0階段。從圖5中可以看出,從“域集中”到“多域/區(qū)域集中”,軟件的部署方式?jīng)]有本質(zhì)性變化,企業(yè)要做的是開發(fā)更強(qiáng)大的控制器以及整合更多的功能,因此即使物理和邏輯暫時(shí)不匹配也是走在正確的方向上。
需要注意的是,“部分區(qū)域化”(所謂2.9階段)的兩個(gè)軟件部署例子,可以說是既不承上、也不啟下?!拔锢砺浜笥谶壿嫛睂?dǎo)致“中央計(jì)算”的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)必須額外為硬件控制考慮很多安全性要求,不利于軟件的靈活迭代;“邏輯落后于物理”導(dǎo)致“區(qū)域控制”的硬件設(shè)計(jì)無法標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)用,面向不同車型需要費(fèi)時(shí)耗力重新適配,成本投入產(chǎn)生極大浪費(fèi)。這種“總有一方拖累另一方”不僅體現(xiàn)在技術(shù)層面,還體現(xiàn)在技術(shù)背后的組織團(tuán)隊(duì),而團(tuán)隊(duì)之間的沖突與拉扯有可能讓企業(yè)在很長(zhǎng)一段時(shí)間都處于“3.0階段就在眼前,但一直在2.9階段打轉(zhuǎn)”的狀態(tài)。
七、集中式EEA演進(jìn)面臨著哪些挑戰(zhàn)?
如前所述,推動(dòng)EEA向集中化演進(jìn)必須做三件事:邏輯集中、物理集中、軟硬協(xié)同。這三件事分別對(duì)應(yīng)了企業(yè)的三項(xiàng)能力:軟件整合與打通能力、集中化硬件開發(fā)能力和軟硬件垂直集成能力。但是其中每一項(xiàng)能力都面臨著技術(shù)和整供企業(yè)分工合作模式的雙重挑戰(zhàn)。
1.軟件整合與打通能力
邏輯集中必然使軟件系統(tǒng)更加復(fù)雜,這需要管理調(diào)度能力更強(qiáng)的OS內(nèi)核,負(fù)責(zé)管理軟件資源,以及更靈活高效的中間件來幫助軟件打通。目前OS內(nèi)核在技術(shù)上主要有兩方面挑戰(zhàn),一方面是汽車上硬件種類多樣,現(xiàn)有的OS尚無法兼容全部的驅(qū)動(dòng);另一方面是不同軟件對(duì)OS內(nèi)核的性能需求不同,現(xiàn)有的OS產(chǎn)品難以同時(shí)兼顧。目前阿里、華為等科技公司以及極少數(shù)整車企業(yè)正在嘗試研發(fā)或改造車載OS內(nèi)核,但這種研發(fā)投入巨大,資源分散反而容易拖累整體技術(shù)進(jìn)展。
對(duì)于中間件,雖然目前尚未打造出足夠安全、高效、靈活的量產(chǎn)產(chǎn)品,但不存在明顯的技術(shù)瓶頸。正是因此,軟件供應(yīng)商和車企都在相關(guān)研發(fā)上大量投入,且各有優(yōu)劣。軟件供應(yīng)商雖然專業(yè)性更強(qiáng),在中間件方面的技術(shù)積累更多更快,但短時(shí)間內(nèi)很難將產(chǎn)品平臺(tái)化、通用化,難以同時(shí)服務(wù)好多家車企;相反,車企自研的中間件能夠更好地滿足自身需求。因此,圍繞中間件的整供博弈仍將持續(xù)。
2.集中化硬件開發(fā)能力
物理集中的核心能力是開發(fā)高集中度的域控制器或計(jì)算平臺(tái),而這又可進(jìn)一步分為核心SoC芯片層面的開發(fā)和計(jì)算平臺(tái)層面的開發(fā)。對(duì)于SoC,芯片企業(yè)無疑具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),但也有極少數(shù)車企能夠自研SoC,并與自研算法更好地協(xié)同。相較而言,車企更擅長(zhǎng)在計(jì)算平臺(tái)層面的開發(fā),而應(yīng)將供應(yīng)商具有更成熟的量產(chǎn)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
綜合來看,車企自研集中化硬件是期待能夠?qū)崿F(xiàn)更好地軟硬協(xié)同,從而降低對(duì)硬件資源的需求,從這個(gè)角度看,車企自研芯片是具有合理性的,但是研發(fā)周期長(zhǎng),不確定性較大;即使最終研發(fā)成功,量產(chǎn)規(guī)模能否攤平高昂的研發(fā)成本仍然是一個(gè)問題。因此,車企很可能仍需要借助專業(yè)芯片企業(yè)的能力,并探索新的整供合作模式。
3.軟硬件垂直集成能力
想要將高度復(fù)雜的軟件集成在高度集中的硬件上,是一個(gè)難度極大的工程問題。從任務(wù)內(nèi)容上看,車企是最適合負(fù)責(zé)軟硬件垂直集成的主體,但是其在傳統(tǒng)燃油車時(shí)代缺少經(jīng)驗(yàn)積累而高度依賴供應(yīng)商,導(dǎo)致車企的實(shí)際能力與需求存在較大的差距。
從供應(yīng)商的能力現(xiàn)狀上看,目前主流一級(jí)供應(yīng)商一般只能提供單個(gè)功能域的軟硬集成方案,少數(shù)零部件巨頭具備跨域的軟硬件集成能力,而對(duì)于未來的中央集中式架構(gòu)下的整車級(jí)集成,幾乎不可能由供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)。
從車企的能力現(xiàn)狀上看,大部分車企停留在單功能域垂直集成的水平,極少數(shù)車企能夠?qū)崿F(xiàn)跨域的軟硬件集成,因此整車企業(yè)在這方面還有很多功課需要補(bǔ)上。如果繼續(xù)依賴供應(yīng)商,那么路將越走越窄。
八、整車企業(yè)如何推動(dòng)集中式EEA的落地?
車企在研發(fā)和量產(chǎn)集中式EEA時(shí),需要綜合行業(yè)整體水平與自身能力制定適合自身的EEA演進(jìn)路徑。筆者建議車企注意以下三方面問題:
1.根據(jù)實(shí)際情況選擇EEA集中化程度
在制定EEA集中化戰(zhàn)略時(shí),過于落后于行業(yè)就容易被市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)淘汰;而過于先進(jìn),容易超出自身能力可以控制的范疇。車企需要牢記:沒有最好的架構(gòu),只有最適合自己的架構(gòu)。所以車企需要根據(jù)實(shí)際情況來選定適合的EEA架構(gòu)發(fā)展策略。
首先,對(duì)于域集中式EEA,目前各類軟硬件技術(shù)已能夠滿足行業(yè)需求的平均水平,部分供應(yīng)商甚至能夠提供完整的域級(jí)解決方案,大部分車企或多或少都已具備域級(jí)軟硬件的開發(fā)和集成能力。筆者建議所有車企都應(yīng)將EEA至少升級(jí)到此階段,并逐步擺脫對(duì)域級(jí)供應(yīng)商的依賴,自主實(shí)現(xiàn)軟硬件垂直集成。
其次,對(duì)于跨域集中式EEA,目前在硬件層面,已有多家芯片企業(yè)推出了艙駕一體的芯片,雖然在成本和性能上可以進(jìn)一步優(yōu)化,但也算滿足了基本需求;在軟件層面,艙駕融合所需的OS和中間件技術(shù),預(yù)計(jì)還需1-2年才能成熟。對(duì)于不同企業(yè)來說,傳統(tǒng)車企在車控功能域上有較多積累,而在智駕和座艙上更依賴供應(yīng)商;造車新勢(shì)力則在智駕、座艙領(lǐng)域投入較多,相關(guān)能力掌握較強(qiáng);還有少數(shù)巨頭車企具備全棧自研能力。
因此,筆者建議傳統(tǒng)車企應(yīng)優(yōu)先實(shí)現(xiàn)車控域的跨域集中,艙駕融合可以考慮與供應(yīng)商合作;造車新勢(shì)力則應(yīng)優(yōu)先自主開發(fā)艙駕融合的核心方案;而具有全棧自研能力的車企可以選擇走更為靈活的區(qū)域集中路線。
最后,對(duì)于中央集中式EEA,目前硬件層面僅有Muti-Box和One-Box的方案趨向成熟,軟件層面要實(shí)現(xiàn)真正的“邏輯-控制分離”還需要很長(zhǎng)的發(fā)展期,并且尚無車企能真正將整車軟件整合至一個(gè)大的系統(tǒng)內(nèi),并將其部署至中央計(jì)算集群上。因此,筆者建議車企不應(yīng)該急于推出“形似神不似”的“中央計(jì)算+區(qū)域控制”架構(gòu),而是先在跨域融合階段積累軟硬件能力與經(jīng)驗(yàn),并推進(jìn)下一代架構(gòu)的預(yù)研,等待各方面條件都成熟時(shí)再考慮量產(chǎn)。
2.基于平衡思維設(shè)計(jì)EEA
EEA的設(shè)計(jì)需要做出各種平衡,可以說是追求平衡的藝術(shù),主要體現(xiàn)在“體驗(yàn)”和“成本”、“現(xiàn)在”和“未來”、“共性”和“個(gè)性”三方面的權(quán)衡上。
對(duì)于“體驗(yàn)”來說,EEA提供了計(jì)算和通信的硬件支撐,其技術(shù)的先進(jìn)性決定了用戶體驗(yàn)的上限,但這種先進(jìn)性將造成更高的“成本”。因此,EEA的設(shè)計(jì)切勿盲目堆料,而要根據(jù)品牌定位與目標(biāo)用戶來選擇最優(yōu)性價(jià)比。
“硬件預(yù)留”是平衡“現(xiàn)在”和“未來”的關(guān)鍵。如果預(yù)留多了容易讓消費(fèi)者產(chǎn)生“白花錢”的感覺,而預(yù)留少了將使得汽車后期難以持續(xù)升級(jí)迭代。想要合理預(yù)留就要求架構(gòu)師既能對(duì)未來技術(shù)變化有比較精準(zhǔn)的預(yù)測(cè),又能對(duì)用戶的接受程度有比較好的把握。
前文已有提及,EEA設(shè)計(jì)應(yīng)能做到跨車型、跨品牌、跨平臺(tái)復(fù)用,從而分?jǐn)偝杀?,這其實(shí)指的是基礎(chǔ)共性功能,當(dāng)然不可能一套配置就滿足所有用戶對(duì)功能配置的個(gè)性化需求,所謂千人千面、千車千面。因此,EEA設(shè)計(jì)實(shí)際要做的是努力實(shí)現(xiàn)硬件標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化,同時(shí)打造算力、主干網(wǎng)帶寬、區(qū)域控制器、功能硬件等配置可靈活調(diào)節(jié)的架構(gòu)。
要做好上述平衡,對(duì)于架構(gòu)師的要求非常高,既需要了解具體的軟硬件技術(shù),又要了解用戶需求與業(yè)務(wù),還要具備強(qiáng)大的抽象化系統(tǒng)思考。這類人才資源極為稀缺。因此,筆者建議各車企下一步要著重招攬或培養(yǎng)這類稀缺的人才。
3.面向中央集中式架構(gòu)推動(dòng)企業(yè)能力與產(chǎn)業(yè)分工變革
目前行業(yè)已經(jīng)處在從EEA 2.5向3.0邁進(jìn)的發(fā)展階段,而面對(duì)高度整合、空前復(fù)雜的中央集中式EEA架構(gòu),只有車企才能主導(dǎo)架構(gòu)的設(shè)計(jì)和資源的協(xié)同,因此車企必須盡快儲(chǔ)備相應(yīng)能力,并及時(shí)調(diào)整分工合作模式,從而實(shí)現(xiàn)整車軟硬件的橫向整合與打通。筆者預(yù)測(cè)的理想情況下中央集中式架構(gòu)的產(chǎn)業(yè)分工詳見圖6。
圖6理想情況下中央集中式架構(gòu)的產(chǎn)業(yè)分工
對(duì)于“電子電氣器件”,車企應(yīng)主導(dǎo)定義底層功能硬件的標(biāo)準(zhǔn)化接口,至少也要做到與供應(yīng)商聯(lián)合定義,這樣才能實(shí)現(xiàn)軟硬解耦;而供電配電、通信等組件,由于功能相對(duì)基礎(chǔ)且單一,車企依賴供應(yīng)商即可;而域控制器、計(jì)算平臺(tái)等核心計(jì)算節(jié)點(diǎn),考慮到車企很難具備強(qiáng)大的芯片設(shè)計(jì)能力,建議車企與芯片企業(yè)深度綁定或者聯(lián)合研發(fā),將自己的重心放在集成電路板或機(jī)盒的開發(fā)上。
對(duì)于“電子電氣器件的連接關(guān)系”,EEA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須由車企自研或主導(dǎo)設(shè)計(jì),且必須與軟件架構(gòu)深度協(xié)同,而線束等具體載體只需要借助成熟的供應(yīng)鏈即可。
筆者相信,在符合實(shí)際情況規(guī)劃、平衡設(shè)計(jì)以及合理分工下,企業(yè)將快速推動(dòng)EEA架構(gòu)發(fā)展,進(jìn)而行業(yè)將加速向中央集中式的EEA 3.0進(jìn)化,智能汽車的產(chǎn)品形態(tài)也將迎來新一階段的升華,讓我們共同期待!