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從特斯拉Model 3看整車電子電氣架構的趨勢(轉載)

更新日期:2019-10-13 07:42:28

對于汽車來說,電子電氣架構既是一門科學,也是一門藝術,“科學”解決算力的提升問題,“藝術”解決應用的多樣性問題。未來汽車的差異化,將不再停留在傳統的車輛硬件方面,而是更多地通過先進的電子技術賦能,軟件應用的豐富性來體現的,電子電氣架構則是所有這些的基石。

1993年,奧迪A8上使用了5個ECU,最開始,ECU是僅僅用于控制發動機工作;隨著汽車電子化程度越來越高,現在一些電子結構復雜的汽車,ECU 數量早就超過了100個,而面對高級別輔助駕駛系統的要求,ECU的這個數量不是太多了,而是遠遠不夠。

因此,德爾福提出了汽車電子電氣架構(EEA),以劃分不同功能域的方式來集中控制不同ECU,這就是我們現在常說的車身與便利系統(Body&Convenience)、車用資訊娛樂系統(Infotainment)、底盤與安全系統(chassis and safety)、動力系統(powertrain),以及高級輔助駕駛系統(ADAS)等五個大域,當然還包括下面的各種子域。這其中,每個域或子域都有對應的域控制器DCU和各種ECU,所有這些構成了汽車電子電氣架構的網絡拓撲。

電子電氣架構的挑戰(來源:BOSCH Engineering)

自動駕駛要求更高的算力和更多傳感器件,ECU的增長終將迎來爆發,這種分布式的ECU架構如果無限制擴張,勢必面臨著巨大挑戰:

  1. ECU的算力不能協同,并相互冗余,產生極大浪費
  2. 大量分離的嵌入式OS和應用程序Firmware,由不同Tier1提供,語言和編程風格迥異,導致沒法統一維護和OTA升級
  3. 這種分布式的架構需要大量的內部通信,客觀上導致線束成本大幅增加,同時裝配難度也加大
  4. 最后,第三方應用開發者無法與這些硬件進行便捷的編程,成為制約軟件定義的瓶頸

汽車內部的快速電子化讓傳統汽車電子架構不堪重負,對于未來汽車電子架構來說,應是做減法了,垂直融合將取代分布協同成為趨勢。同時,軟件定義的需求正呼之欲出,汽車亟待一個從機械化到電子化的華麗轉身,這些都要求汽車電子架構(EEA)做出變革:提升效率,降低復雜度—不論是硬件制造的復雜度,還是軟件開發的復雜度。

以太網新型總線技術和5G無線技術的引入,已使這一融合變為部分現實。如果網絡帶寬足夠寬,延遲足夠低,這一趨勢將會更加明顯:算力向中央集中,向云端集中,汽車電子架構(EEA)的演進也正朝著這個方向前行。

奧迪的zFAS(來源:BOSCH Engineering)

ECU的集中化思路,并不是特斯拉的獨家專利,奧迪是首個將各類功能都集中到中央域架構的車機廠商。2018款奧迪A8, 作為全球唯一一款量產的有限路況下L3級自動駕駛汽車,放棄了目前所有駕駛輔助系統(如停車輔助系統、夜視輔助系統或車道偏離預警系統)相互分離的ECU,轉而將一切輔助系統集中于同一地方:中央駕駛輔助控制單元(簡稱“zFAS”)

zFAS將ADAS的所有子域都集中到一個計算平臺上,這一與傳統迥異的處理方式需要強大的計算核心支持。從奧迪公布的資料來看,zFAS有4個核心元件:Mobileye的EyeQ3,主要負責交通信號識別、行人檢測、碰撞報警、光線探測和車道線識別;英特爾(Altera)的Cyclone V負責目標識別融合,地圖融合,自動泊車,預剎車,激光雷達傳感器數據處理;英飛凌的Aurix TC297T負責監測輔助駕駛系統運行狀態及各ECU之間的通信,同時還負責矩陣大燈;而英偉達的Tegra K1負責駕駛員狀態檢測,360度全景及所有與圖像相關的計算。

(來源:AudiMediaTV)

歸納來說,這四大核心部件分工各有側重:Mobileye EyeQ3是外界圖像感知計算單元,NVIDIA K1是全景圖像融合計算單元,Altera Cyclone V是各種傳感器數據融合計算單元,而英飛凌的Aurix TC297則是主控通信處理單元。整個zFAS系統,硬件集成由德爾福提,軟件的開發由TTTech負責。值得一提的是,TTTech這家優秀的奧地利軟件公司為zFAS實現了宇航級的高精度時間同步以太網(TSN),和汽車級的以太網音視頻橋接技術(AVB),這為以太網在車內線束的大規模替換鋪平了道路。

Model 3掀開變革的大幕

Model3則更為徹底,它或許將完全顛覆汽車機械產品這一屬性。

奧迪A8的zFAS不過是僅僅在ADAS這個域做了些小動作,特斯拉的Model 3則更進一步:中央計算模塊(CCM)直接整合了駕駛輔助系統(ADAS)和信息娛樂系統(IVI)兩大域,以及外部連接和車內通信系統域功能;左車身控制模塊(BCM_LH)和右車身控制模塊(BCM_RH)分別負責剩下的車身與便利系統(Body&Convenience)、底盤與安全系統(chassis and safety)和部分動力系統(powertrain)的功能。

非常清晰,整個EEA(電子電氣架構)架構只有三大部分:CCM(中央計算模塊)、BCM LH(左車身控制模塊)、BCM RH(右車身控制模塊)。外人看來,相比奧迪的zFAS,Model3的這個動作也許只是前進了一小步;但對汽車電子電氣的架構師來說,這是質的飛躍,一個不言而喻的意義是:這離埃隆.馬斯克打造一個完全電子化的夢幻汽車理想,又前進了一大步。

從Model3掀起的一點點面紗來分析,CCM(中央計算模塊)由三個密集的印刷電路板組合而成:分別負責信息娛樂系統(IVI),駕駛輔助系統(ADAS)和車內外通信連接。

1. 車內外通信電路板(右下圖)集成了一個Telit的4G LTE模組和Marvell的以太網交換芯片,這并不稀奇,推測將TCU功能和車內以太網功能集成于一體。

2. ADAS電路板模塊中(左下圖),自從特斯拉與Mobileye分道揚鑣而歸向NVIDA陣營后,這部分不出意外,都是用的NVIDIADriver PX2平臺,只不過NVIDIA推出Tegra Parker后,計算能力已比TegraK1更上一層樓;其他部分應與Audi zFAS雷同,Altera CycloneV的FPGA和英飛凌的Aurix TC297T必不可少,從單板上看,這是采用了2片Tegra Parker互聯再加Cyclone V FPGA協同計算的設計,無疑,這比zFAS的性能又提高若干數量級。

3. CCM中最令人意外的模塊當屬右上角的這塊信息娛樂/通信系統電路板(右上圖)了。從這塊PCB板背面來看,分布于左上和右下的兩個巨大金屬鉚釘狀連接器,極似我們常見的電腦主板上Intel CPU的Socket插槽固定器,左下的兩塊黑色連接器以及四顆緊固螺絲說明,這個正面又有一塊小扣板。他揭開了一點面紗,只露給你一個背影,但從中我們依然窺見深不可測的計算力。果不其然,從披露出來的信息得知,這塊負責IVI的CCM模塊搭載的是Intel Atom A3950處理器,上面的小扣板則集成了NXP QorIQ芯片。很明顯,NXP QorIQ負責車內子系統的通信互聯和配置管理,X86架構的Atom A3950負責整個車載IVI系統。更為驚世駭俗的是:此X86平臺上運行的是特斯拉自己打造的車載linux系統,除此之外,特斯拉使用的軟件有80%以上為自行開發,埃隆.馬斯克的野心可見一斑。

現在再去評論馬斯克是否激進,已經落后于潮流,特斯拉已然掀開了變革的大幕,讓我們看到了未來汽車的模樣。

特斯拉的野心

能在電子電氣架構(EEA)上動手腳的,要么是先烈,要么是先驅。

在馮.諾伊曼體系結構推出之前,計算機是龐然大物,笨重而繁雜。馮.諾伊曼采用了二進制,并且將計算機硬件劃分為運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分后,計算機朝集中化,輕量化方向發展,英特爾的x86最后助其走入尋常百姓家。

x86的硬件架構本質上是馮.諾依曼體系結構的,但在此之上又有創新:控制器和輸入、輸出控制分屬于南橋芯片和北橋芯片。從此,整個計算機主板只有三大塊,CPU和南北橋芯片組。

如果將汽車整個電子系統視為一個主機,那么Model 3的架構與電腦主板如出一轍:中央計算模塊(CCM)、左車身控制模塊(BCM_LH)和右車身控制模塊(BCM_RH)。特斯拉似乎是有意為之,一個再清晰不過的思路展現在眾人面前:域控制器盡可能集中,僅留下負責外設的ECU分散布置,通過CAN或以太網總線橋接起主要域控制單元;同時在中央計算單元上選用x86架構為后續軟硬件擴展打下基礎。

從分析來看,Model 3的信息娛樂系統(IVI)上運行x86 Linux,同時這也應是整個中央計算模塊(CCM)乃至整個車載電子的大腦:TCU上的4G通信管理、IVI上的娛樂導航、ADAS上的Driver PX2驅動配置及Autopilot的運行控制,都是由此linux OS統一調度分配資源。基于Linux的深度開源定制特性,我們有理由相信,Model 3這一選擇,是為更具伸縮性的外圍電子架構和更具通用性的系統應用做好了鋪墊。

連續在電子電氣架構和計算架構上做出變革,這是一套組合拳,目的是對標個人電腦的技術發展路線,特斯拉的野心暴露無遺:更抽象而標準的電子電氣設計、更豐富而統一的軟件能力。從正在發生的事實來看,這場汽車軟硬系統架構的變革正在朝特斯拉設定的方向演進,如果Model 3成為爆款,那么特斯拉將是整個汽車行業的顛覆者。

全軟件定義駕駛艙

解決了電子電氣和計算架構的問題,軟件是任你天馬行空的,你的電腦上可裝什么,基本上都可輕點鼠標Copy到你的駕駛艙。除此之外,基于汽車特點的應用開發也有無限可能,唯一限制你的只有你的想象力。

我們都知道:X86架構成就了英特爾和微軟,這個意義怎么強調都不過分。在X86之前,軟件是看不見,摸不著,與人沒有任何交互的;直到x86出現,Wintel統治了江湖,軟件的力量才迅速崛起,所有產業都在期待軟件來重新定義。

軟件的興起,需要一種集中的、抽象的、強大的計算架構,x86完成了這一使命。在與ARM架構的對比中,除了功耗高些,X86完勝。但在電動汽車時代,一塊CPU的功耗還是個事嗎?

當”IntelInside”的標識遍布整個坐艙,汽車將會有顆”奔騰的芯”,一個全軟件定義的駕駛艙將會是進行時,ARM霸屏的時代即將成為過去式。

誰主沉浮

作為顛覆者特斯拉來說,現在給其定位是非常困難的,他可以說是車廠,也是軟件科技公司,還是Tier1。除了半導體,特斯拉把一個汽車產業鏈條上的所有分工全都大包大攬了。很多人在看埃隆.馬斯克的笑話,但如果埃隆.馬斯克把Model 3的產能問題解決了,我相信,他會是個神話。

作為分散式域控制器的電子架構,車內軟件也都分布于各ECU上,且都由Tier1們完成。但是這種系統是零散而粗放的,且軟硬件是緊密耦合的,因此在某一塊領域,極易造成某一兩個巨頭的壟斷和交叉。比如博世在車身安全控制方面獨領風騷;且與大陸和安波福在ADAS領域又有交叉;偉世通和電裝在IVI領域基本是壟斷者;而法雷奧和李爾分別是車燈照明和內飾控制的佼佼者。隨著汽車電子架構向域集中方向發展,Tier1們是最先遭受沖擊的,他們必須擁有更廣泛的系統能力,而不止于某一細分領域,未來的汽車零部件供應商市場可能只會有兩至三家巨頭容納的空間。

硬件抽象化后,對整車廠商而言,除了機械設計能力,最重要的莫過于軟件能力了。硬件的標準化,導致軟件可以分離出來,Tier1們的優勢會逐漸喪失,在沒有一個具備系統軟件能力的Tier1誕生前,整車廠商必須掌握軟件定義汽車的能力了。如果在短時間內搭建不起這樣的團隊,至少應與像谷歌、百度這樣的軟件公司合作,如此方能抵擋這波造車新勢力的進攻。可以預見的是:傳統車企與傳統Tier1們的親密無間的歲月也要結束了,他們會各自暗懷珠胎,為軟件的主導權爭執不休。

X86陣營的英特爾不會放棄對移動計算市場的追求,Atom在Model 3上的導入將會是關鍵一著,自動駕駛對算力的追求,給了英特爾和英偉達重現PC市場輝煌的機會。域控制器的集中,必然要求更強大的計算能力和軟件應用能力,ARM架構的天然劣勢,導致這一陣營的傳統汽車半導公司如恩智浦、瑞薩、英飛凌和ST的版圖會被慢慢壓縮,在核心控制模塊,絕對是英特爾和英偉達的天下,ARM核的MCU將會限制在末端ECU的應用場景上。

Model 3上革命性地使用X86架構和Linux操作系統,為我們探索出更多的可能,如果這個里程碑式的車型大獲成功,等于是掀開了未來汽車軟硬架構的面紗。但向特斯拉這樣軟硬一起抓的整車廠,不會是常態;軟件能力仍是將來多方搶占的制高點,軟件科技公司?整車廠?Tier1?誰主沉浮?大幕落下,答案才會揭曉。


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