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智能汽車的電子構架,究竟完成了怎樣的重塑?

  • 李星宇
  • 發表于: 2019/04/02 10:56:40 來源:地平線HorizonRobotics

這背后將折射出怎樣的技術挑戰、行業變局與應對措施?

在數字化重塑的浪潮下,一場深刻的汽車電子電氣(E/E)構架變革正在醞釀,汽車行業正在沿著當年PC和手機行業走過的路邁向智能時代。這背后將折射出怎樣的技術挑戰、行業變局與應對措施?

只有把視野放在在機器人時代宏大的敘事背景下,我們才能看到這場智能汽車電子構架變革之于時代的全部意義。看到趨勢并不難,難的是自我革命,誰能更堅決地擁抱這一趨勢,誰就能贏得汽車行業百年巨變的競爭。

以下是本文幾個關鍵結論:

1. 智能汽車將將成為一部移動的超級計算機兼數據中心,是IT史上最復雜的單一產品,將誕生新的Wintel。

2. 新的E/E構架商業化落地時間大約在2025年。

3. 組織變革是OEM在這場技術革命中面臨的最大挑戰。

4. 智能汽車作為移動自主機器的第一形態,將撬動比自身市場大得多的商業價值。

5. E/E構架變革四大趨勢:計算集中化、軟硬件解耦、平臺標準化以及功能定制化。

6. 新的E/E構架將基于中央計算機-層-區的概念構建,體現服務導向構架(SOA)的理念。

7. 新的E/E構架將使OEM在與領先的Tier1的博弈中重新贏得主動權。

8. AI邊緣計算芯片是技術制高點,需要越過成本、功耗和性能的臨界點。

大趨勢:從分布式走向集中式

今天,E/E構架設計面臨四大挑戰:功能安全、實時性、帶寬瓶頸、算力黑洞。為此,智能汽車E/E構架正從分布式走向集中式;其終極形態將是超級中央計算機,這其中包括四個關鍵趨勢:計算集中化、軟硬件解耦、平臺標準化以及功能定制化。

 

圖 1 智能汽車電子電氣構架發展趨勢

1.計算集中化:服務導向的系統構架(SOA)將成為主流,為軟件提供高性能實時計算平臺,在這樣一個大的理念下,將催生真正的汽車大腦:超級中央計算機。并與MEC(多接入邊緣計算)以及云計算組成協同式解決方案,避免車端算力需求無限增長。

伴隨著計算集中化,產生了一個新的概念:區控制(zone control),與目前流行的域控制器概念有本質不同。拿軍事打個比方,域概念就像是按照職能劃分海陸空三軍(電源域、底盤域、娛樂域、安全域),并且有獨立的作戰權,但不能彼此共享資源,而區概念則是按照戰區進行組織劃分,與中央計算機形成了聯合作戰司令部+戰區的概念,協同性和執行效率將得到質的飛躍。

2.軟硬件解耦:SOA構架還將產生硬件抽象層(HAL)的概念,硬件不再被某個功能獨享,例如,一顆前視攝像頭過去可能被AEB/ACC系統獨占,但現在,任何車載功能都能調用這顆攝像頭,這意味著一個獨立的感知層會出現,成為一種公用資源。

今天,功能安全是智能汽車面臨的最大挑戰之一,如果按照分布式的構架,為每個功能增加獨立的安全冗余硬件,簡直就是一場成本災難,但基于新設計構架,可以將所有的硬件資源與應用打通,將有更多的安全路由選擇,為功能安全以經濟成本實現開辟一條新的道路。

在供應鏈管理方面,因為每種資源都有很多獨立供應商,OEM將有更多的選擇,而不像選擇域控制器供應商那樣打包購買,讓OEM跟領先的Tier1的博弈之間重新贏得主動權。

3.平臺標準化:在未來,OEM可能只會開發一個電動汽車平臺,覆蓋低端車型、中端和高端車型。主機廠將打造自己的硬件平臺,并滿足三個原則:通用性、標準化以及互操作性,它使得智能汽車行業的協同進化變得更加高效。

更重要的原因來自商業考慮:錢!開發這樣的智能平臺可能需要編寫超過3億行代碼,比Windows操作系統要高一個數量級,開發并維護多個平臺在經濟上不可行。

大眾和福特已經在電動汽車領域共享MEB平臺,以降低開發成本。近日,戴姆勒與寶馬宣布合作,共同開發自動駕駛技術,以降低開發成本,并建立自動駕駛標準。

隨著這一趨勢深入發展,很可能會出現類似PC行業的Wintel平臺,進而形成一個面向智能汽車的生態系統,這一通用平臺將被大多數OEM采用,正如我們在PC和手機行業看到的那樣。

4.功能定制化:智能化是未來品牌差異化的核心要素,主要是通過增加軟件功能來實現。在未來,OEM交付的汽車將不是一個功能固化的產品,而是一個持續進化的機器人,Tesla最近通過OTA升級發布的“哨兵模式”和“狗狗模式”非常生動地體現了這一點。

 

圖 2 未來的智能汽車將有一個開放的應用平臺

幾乎可以肯定的是,智能汽車是IT史上軟硬件開發量最大的單一產品,將引領IT工業邁入億級代碼+千T級算力的時代。

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圖 3 智能汽車所需要的軟件代碼量遠超IT史上任何一個產品          

智能化重塑挑戰

對于OEM來說,這是一次徹底的顛覆,將帶來四個方面的巨大變化:組織、人才、供應鏈和核心技術。

組織變革最具挑戰性,將所有汽車功能域進行集成對組織機構的沖擊空前;從根本上重塑主機廠的組織構架,從面向功能的組織轉向平臺型開發組織。

重新定義智能化時代的核心技術:計算平臺、操作系統和應用軟件。Tesla的核心技術布局是芯片和軟件,可謂切中要害。

從技術角度看,最大的挑戰來自AI邊緣計算。

在過去的數年里,我們看到自動駕駛的等級每提高一級,AI算力差不多要提升一個數量級。如果要實現全自動駕駛,我們需要1000TOPS量級的算力,這已經達到人腦的算力。

這個等級的算力需要AI芯片突破成本、功耗和性能的瓶頸,就必須將處理器構架的創新,與算法和工具鏈相結合,軟硬協同進行設計。脫離算法和工具鏈,單純談芯片的絕對算力是沒有實際意義的。

當前的業界存在一個很大的誤區,往往會把絕對算力當作衡量AI芯片的主要指標,但我們真正需要的是有效算力,需要從四個維度來衡量:算力的有效利用率,每瓦的有效算力,每美元的有效算力,以及算力轉化為AI結果的效能(目標數量,幀率等)。

這樣的整體解決方案決定了數據轉化為決策/服務的效率和質量,是時代真正呼喚的硬科技。谷歌是這個理念的實踐者,TPU的成功已經證明了這一點,在國內,初創公司地平線基于這樣的理念,推出了極高效能的征程AI芯片,2017年發布的第一代征程芯片已經獲得了行業的廣泛認可,并即將推出第二代征程芯片。

可以說,未來的智能汽車就是一部移動的超級計算機兼數據中心,而邊緣的人工智能處理器是智能汽車競爭的主戰場,更是技術制高點。

應對措施與行業實踐

預測未來的最好方法就是去創造它,特斯拉、安波福、GM以及寶馬等是這場變革的先行者。

根據安波福的規劃,這種轉變是分階段進行的。2022年將會推出一個混合構架,把PDC(電源數據中心)整合到傳統的車載E/E構架中。到2025年,將實現開放式中央計算機的構架。

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圖 4  安波福的中央計算構架定義

最激進的車廠非特斯拉莫屬,在Model 3的E/E構架中,域控制器的概念被區控制替代,整個構架僅由三大模塊構成。

博世的漸進式路線從域的集中化開始演進,終極目標一樣是車載中央計算機。

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圖 56博世的漸進式路線

寶馬在E/E構架方面的變化清晰地折射出計算集中化的趨勢。

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圖 6   寶馬規劃的下一代E/E構架

結語

從技術上總結,中央計算機-層-區的概念將建立起智能汽車的新構架。區是局部控制、感知與執行單元,層是按照職能劃分的資源池,中央計算機是真正的決策大腦,面向應用/服務,調用各層資源,執行高級決策,由區控制單元執行決策或完成態勢感知任務。

對于車載E/E構架來說,中央計算機概念是全新的,但對于PC和手機行業,都已經是非常成熟的概念。當智能化浪潮從IT行業延伸到汽車的時候,我們看到了相同的故事正在上演,汽車行業的基因正在發生改變。

從這個意義上講,無論是蘋果、英特爾、高通、三星還是華為,他們大舉進軍汽車行業的邏輯,絕非簡單地復制,而是將自身的IT基因與汽車固有的基因進行新的編輯,進化出新物種,并引領計算行業從手機的TOPS時代走向POPS(1000TOPS)時代,在這一過程中,他們有先天的基因優勢。

目標往往是清晰的,但通往目標的路徑卻大相徑庭,無論是IT新貴,還是汽車行業老兵,大家都是基于自己的優勢積累,從不同的坡,爬同一座山。在這個過程中,對于產品路線圖、性能、安全性和成本的拿捏,各家都不盡相同,很難講哪條路更好,所以無論是大陸和博世的漸進式域融合(domain fusion)路徑,還是特斯拉和安波福更激進的實踐,都是面向未來的探索,都值得尊重。

從PC到手機,再到機器人,每一代智能設備相比前代,都是十倍體量的增長。智能汽車作為移動自主機器的第一形態,是機器人時代當之無愧的殺手級應用,更是技術旗艦,將催生無數種的移動機器人。正如蒸汽機開啟了工業革命時代,手機行業引領了整個移動設備時代一樣,智能汽車最終將撬動比自身市場大得多的商業價值。


本文作者李星宇,地平線市場拓展與戰略規劃副總裁,自動駕駛行業專家,前飛思卡爾應用處理器汽車業務高級市場經理、原士蘭微電子安全技術專家,16年半導體行業經驗。

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