为互联与自动驾驶系统未来，全新一代电子电气架构设计不可忽视
汽车厂商与一级供应商正在为汽车的电子电气架构配备“über brain”中央处理器与实时以太网连接，以满足未来汽车与卡车的海量数据处理要求。----Lindsay Brooke【本文转载自SAE International - 国际自动机工程师学会 之 《汽车工程国际(AEI)》杂志。本文版权归SAE International - 国际自动机工程师学会所有。
为了打造新一代的电子电气架构，工程师面临的挑战绝不止如何将图中所示的20个子系统整合起来。
如今，如果提起汽车互联、电气化与无人驾驶汽车革命，似乎每个人都能多少聊上几句看法。但事实上，这场如火如荼的汽车革命背后，还有一个同样值得关注但关注度明显较低的领域：下一代电子电气架构(EEA)的研发。现阶段，人们普遍认为，为了处理未来汽车与卡车不断增加的数据处理要求，目前主要厂商正在研发中的可拓展型电子电气架构至关重要。
电子电气架构一直算的上一种革命性技术，有关这种架构的重要反思已经持续了很长时间，大约有超过30年了。回顾过去，汽车电子电气架构距今最近的一次真正变革出现在1983年：那年，博世(Bosch)集团推出了CAN(控制器局域网)协议。当时，首款采用CAN总线的车型为1986款BMW860轿跑。此后之后，CAN总线一直在车辆的电子电气架构中发挥重要作用。作为一种集中式网络，CAN总线可以广播车辆的全部数据流，允许车内的各种控制器和传感器相互沟通。
CAN总线的出现改善了当时电子电气架构的效率与互操作性。另外，这种总线还显著降低了系统的复杂度，而复杂度降低又意味着可以减少布线数量。在这种情况下，CAN总线不仅可协助车辆实现最高减重45kg公斤，还能节约珍贵的安装空间。
“CAN与LAN(局域网)技术都非常稳定，这可让我们的设计拥有更高的灵活度。”福特(Ford)电气化动力总成工程总监Kevin Layden表示，“不过，虽然如今CAN网络已经开始承担更多功能，但由于未来车辆的传感器数据将比现在多很多，因此CAN总线可能也无法满足需求。”
Layden与其他专家表示，CAN总线架构的带宽和吞吐量均相对有限，难以应对未来车辆在数据流处理、网络安全及“终极”机器学习方面的需求。
博世(Bosch)汽车电子北美总裁Tim Frazier表示，“目前，自动驾驶系统中大量传感器产生的数据需要融合，这对微处理器的大规模数据处理功能提出了更高要求，目前市面上专为汽车应用而设计的微处理器很难胜任这样的任务。”
采埃孚公司的Andy Whydell将这种强劲的中央汽车处理器比作“汽车界的智能手机”，而厂商与一级供应商均可以自行定制各种应用程序。
专家在与《汽车工程》交流时表示，未来，CAN总线将继续留在电子电气架构的子网中。不过，与CAN总线相比，正在快速发展的以太网可以提供比前者高1000倍的带宽。采埃孚(ZF TRW)全球设计总监Andy Whydell表示，以太网也被称为IEEE 802.3协议，“这种技术的稳定表现已经得到充分验证，几乎每个家庭、每部电脑都在使用以太网。正因如此，以太网开始更多在汽车主动安全等对速度与容量有较高要求的应用中发挥作用。”
Whydell认为，未来，以太网将主要成为一种辅助技术，“与CAN总线并行工作。”他解释说，“如果你对带宽要求不高，那就没必要升级到以太网络，因为CAN总线的成本要更低一些。此外，如果配合CAN总线使用，以太网总线就不会被一些优先级不高的指令阻塞，比如简单调整一下座椅等。这样一来，我们就可以让以太网单纯负责一些更关键的安全系统，然后将一些与驾乘舒适度有关的功能交给CAN总线处理。”
与许多专家一样，Whydell也很看好以太网的发展。但他指出，除了以太网之外，还有一种FlexRay协议的速度也比CAN总线快，但成本也更高。
车辆对系统数据吞吐量的更高要求，是推动下一代电子电气架构研发的主要动力之一。
大处理与集中控制
目前，汽车厂商一般会采用分布式汽车架构。通用(GM)车辆系统工程执行总监Matt Schroeder解释说，在这种架构下，大量ECU单元会相互协同工作，共同为驾驶员能提供各种功能。但这种架构已经快要“到达极限”了。
Schroeder指出，通用汽车公司正在开发一个新的Global-B架构，预计将于2019年完成。目前，公司“希望可以从更多角度入手，让更多高级功能在这种分布式架构下相互协同工作，保护消费者免受网络攻击。”
Schroeder表示，未来，域控制器仍将是所有汽车架构的基石，这点不会改变。他指出，分布式架构“随着车辆安全功能的增加，只会变得越来越复杂，但基本性质并不会改变很大，然而客户端的需求则已经有了大幅提升。”
自动驾驶系统设计师希望可以利用1GB的实时以太网提供每秒1GB，甚至更高的处理速度。Schroeder表示：“从功能方面来说，这就像是把功能强大的大型计算机改成适用汽车的规格，而后再安装到汽车上。”
在2016年的SAE全球汽车电子大会上，在“云”宽带数据通信的协助下，利用强劲的中央处理器满足新的数据处理需求，一直是工程师们探讨的热门话题。德尔福(Delphi)首席技术官Jeff Owens称，这种趋势“既是一种进化，也是一种革命。”从进化方面来说，架构的进化主要是因为特定领域内一些应用程序对数据提出了更高要求。比如，基于现有架构的混动车型可能就需要更多。
从革命方面来说，架构的革命主要体现在利用Owens所说的“über brain”多域控制器，重新思考整个架构的设计。他表示，über brain可以承担多个ECU单元的工作，从而降低系统的复杂度、成本与质量。目前，德尔福、采埃孚、博世等供应商的量产产品中均有此类硬件设备。
大众-奥迪也有意打造新的电子电气架构。目前，这家公司正在开展一项Z-Fast(即Zed Faust)项目，旨在重新探索旗下主动安全领域中的电子电气架构，包括车辆雷达、激光雷达、视觉系统、驾驶员状态监测及各种相关传感器与执行器等。这些功能都有一个共同点，那就是需要高速的数据处理。在这种背景之下，奥迪开始设计一种全新架构，在多域控制器中引入一款“可承担重负荷的”中央处理器，负责各个子系统间的协调与决策任务。
据悉，2014年，这款Z-Fast紧凑型主板将会登陆一款奥迪A8自动驾驶概念车并与公众见面。具体来说，该系统采用了英伟达(Nvidia)的K1芯片与192核GPU，可处理几十个传感器的数据输入，从而根据当时的道路与交通状况计算车辆的安全导航行驶信息。据了解，这款下一代汽车中央处理器的硬件整合度与可拓展性均将有所提升，预计将于2019年进入量产阶段。
Owens表示，“奥迪希望自己的架构不会被未来淘汰。”他解释说，未来，由于主要的数据处理工作均将交由中央处理器进行，传感器的前端处理任务将会显著减轻，其中包括“飞行时间(time-of-flight)”与热管理系统的计算等，因此工程师就不需要为每一个传感器单独配备高端微处理器。这样一来，未来汽车传感器占用的空间将显著缩小，且成本也会有所下降。
尽管目前部分系统可以支持升级，但这些系统通常都存在存储空间不足的问题，因此在升级前必须先卸载部分旧的内容。由于多域处理器可以提供足够的内存和处理速度，因此奥迪在未来很长一段时间内都可以没有负担地增加更多功能。Owens认为，“对于一些真正具有前瞻性思维的厂商，中央汽车控制器将成为一种未来之选。”
博世集团的电子电气架构技术战略图。
可重构设计
下一代电子电气架构工程师表示，他们的目标是打造一个标准化硬件平台。用通用汽车Schroeder的话说，“这种架构很容易扩大或缩小，可以满足产品线上各类产品对功能与成本的不同要求。要知道，打造每一个架构的成本都非常高昂。”
加州大学伯克利分校著名的电子电气与计算机科学教授Alberto Vincentelli博士也同意这种说法。在SAE汽车电子大会的专家讨论环节中，Vincentelli博士表示，“为了不断满足新的需求，现代架构最重要的特点在于其灵活性和可重构性。当你开始设计一个新的架构时，要记得这个架构应该可以在其整个使用寿命中适应各种巨大的改变。”Vincentelli博士表示，“设计是一个问题，但更重要的是适应能力。”
从汽车整合来说，谁在中央处理器方面更有决定权呢，是一级供应商还是汽车厂商？“这很难说。”采埃孚的Whydell如是回答。
“我们已经有一些产品，而我把这些产品称为‘汽车届的智能手机’。”Whydell表示，“这和你手机里的处理器很相似，主要体现在你可以自己选择要给自己的手机安装哪些应用程序。类似地，我们可以说采埃孚将提供处理器，而厂商则能决定到底要选哪些‘应用程序’。他们可以从我们这里购买所需的功能，也可以自己研发或让一些专业的软件公司进行开发。”
AUTOSAR(汽车开放系统架构)联盟的主要目标之一，是在系统内与系统之间提供更大的灵活性。AUTOSAR Adaptive平台经过专门设计，可为工程师提供更多灵活的架构，预计将于今年完成搭建。这个平台可以为一些更复杂的系统提供一个软件框架，协助工程师利用以太网增加带宽。
需要说明的是，这并不是要取代AUTOSAR。该架构预计将最先用于高级驾驶辅助系统(ADAS)方面的应用。此外，这种架构还可以协助标准操作系统，与更多互联功能与图像处理功能实现无缝整合，从而助力汽车信息娱乐系统的开发。通用汽车的Schroeder表示，AUTOSAR 4.x将成为通用新一代Global-B电子电气架构的基础。
博世北美副总裁Tim Frazier认为，需要从目前的域架构转移到多域架构配置，这将有助于减少20%的布线量。
对博世而言，架构的灵活性一直是公司所追求的重点之一。目前，博世的设计团队已经开发了多种下一代电子电气架构解决方案，以满足客户的各种要求。Tim Frazier表示，“这项技术的进展非常迅速。”Frazier认为，在模块化设计思路与1GB以太网的推动下，未来的电子电气架构将从目前的分布式结构转为跨域结构(APAS、动力总成、车身和信息娱乐系统)。
Frazier断言，“多域架构才是未来之选。”他坚信，从目前的域架构(见图表)转化多域架构可以减少15-20%的布线用量。
在“云”端
在2016年SAE全球汽车电子大会(SAE Convergence)上的主题演讲中，英特尔(Intel)物联网解决方案集团与交通运输解决方案部副总裁Elliot Garbus提问说，“目前，我们在云平台与汽车之的技术处于一种‘分裂状态’，我们是否需要一个新的革命性架构？又或者我们能否在目前所用的架构中实现我们的目标？”
“云平台”无法完成实时计算。但从长远来看，Garbus认为将出现一种新的架构模型，可以普遍实现“可靠、实时的无线连接。”但他认为，这种架构不会很快到来，甚至在5G环境下也不行。
Garbus解释说，“未来，汽车的计算能力将继续增加，达到能够进行自动操作的水平，而云计算则主要负责一些非实时活动及近实时的协调工作，比如判断周围交通状况与天气变化等。”此外，车辆的安全功能将在很大程度上借助FOTA(空中固件升级)与SOTA(空中软件升级)来实现。
无论选择何种安全攻击手段，黑客攻击的宗旨总是寻找薄弱环节入手。由于这些环节将出现变化，因而威胁模型也会发生变化。Garbus表示，“这就需要一种系统性设计方法，在设计中必须整体考虑车辆中的所有硬件和软件，甚至还要考虑云端的因素。”
本文转载自SAE International - 国际自动机工程师学会 之 《汽车工程国际(AEI)》杂志。
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