汽車和物聯網IoT構建一個時代：汽車電子與軟件架構的10大趨勢預測
物聯網IoT的核心發展思路是將世間萬物電子化、數字化，汽車也不例外。慕尼黑工業大學信息學教授Manfred Broy說過，如果你現在買輛高端汽車的話，“它很可能包含了1億行軟件代碼”。這些軟件代碼又運行在70-100個ECU(電子控制單元)上，這些ECU就在車內形成連接網絡。實際上，汽車中的軟件在規模和復雜度上還在迅速成長，商業研究公司Frost&Sullivan預計，很快汽車內的軟件代碼就要達到2-3億行的程度了。
換句話說，汽車已經從硬件驅動的機械設備，轉變為軟件驅動的電子設備，汽車本身已經成為另一種形態的計算機。如今D級或大型車，軟件占據“整車含量”的10%，這個比例預計到2030年可達30%。行業的各層級參與者自然期望通過電子設備與軟件相關部分來獲取營收。這也是即將于11月19日在上海舉辦的Aspencore汽車電子論壇的時代背景。
原本提供軟件和數字技術的市場參與者屬于Tier 2、Tier 3級別，但在此役之后會躍居至Tier 1供應商的位置。它們會走出僅提供功能、應用的圈子，變得越來越重要。汽車制造商本身則將下潛到操作系統、硬件抽象、信號處理之類的領域，以增強其競爭力和差異化特性。而且，那些原本沒有從事過汽車相關業務的電子、電氣科技企業，也開始涉足這一領域，并期望分得一杯羹。這些趨勢現在正在發生。
原本傳統的汽車產業鏈，包括了整車廠及各級供應商，結構就像是個縱向一體化的金字塔。但隨著上述趨勢的到來，汽車產業格局正在向橫向分工化、平面化轉變——縱向的高度顯著降低，不同企業分別制造自己擅長的產品：軟件與數字技術提供商躍居Tier 1就是這種趨勢的特別寫照。這個時候，我們大概有必要重新思考汽車的架構，以及行業的趨勢。
來源：McKinsey&Company
總體來說，隨這種趨勢變化，汽車架構會變成基于通用計算平臺的、面向服務的架構(service-oriented architecture，SOA)。更多的市場參與者并不主要通過汽車或汽車硬件來賺錢，而通過提供服務及汽車產業本身來賺錢。
汽車市場的差異化主要將不再是傳統的機械硬件，而在軟件及電子技術驅動的用戶界面、體驗方式等層面。開發者還會提供新的連接解決方案、高級分析和操作系統。麥肯錫在去年的一份報告中，總結了未來的多層級車載及后端結構，如上圖所示。其中包含了娛樂系統的革新、自動駕駛能力、基于“故障仍保持工作(fail-operational)”系統的智能安全(safety)功能等。上層數字棧(stack)會下潛，和智能傳感器之類的硬件做融合;這些棧也會發生橫向融合，產生新的層級以后，持續將新的結構融入到SOA中去。
架構變化衍生了很多新的技術趨勢與熱點。比如說，網絡安全(Cyber Security)方面的需求，會從以往單純的訪問控制策略，轉變為“融合型安全”——針對網絡攻擊進行防護、檢測、響應甚至預測，這已經是傳統信息技術架構中完整的網絡安全環了。我們前不久拜訪是德科技時，就已經看到在汽車電子相關測試中，網絡安全測試單獨列項，畢竟汽車的網絡安全已經與人身安全直接掛鉤——這一點甚至可能對信息安全行業布局產生革命。
再比如模塊化的SOA與OTA(over-the-air)更新會成為維護復雜軟件的剛需，并且催生基于需求的新功能(function-on-demand)這種業務模式;娛樂系統，以及ADAS的某些組成部分，會變得“應用化(appified)”，因為第三方應用開發者開始提供車載內容了;新型智能傳感器和應用產生海量數據，市場參與者需要找到高效處理這些數據的方案;高度自動駕駛(HAD)技術則要求功能聚合、更高算力，以及高度整合……
這里我們只是不成系統地點出了汽車電子化、網聯化、智能化帶來的其中一部分市場及技術趨勢轉變。麥肯錫在去年的《重新思考汽車軟件與電子設備架構》報告中，針對未來的架構變化做出了一些預測，可供更為系統的參考，摘錄如下：
1. ECU電子控制單元加速集成融合(consolidation)
這個趨勢我們在以往的汽車行業相關報道中曾不止一次地提到過。增加特定功能不再需要特定ECU，行業整體轉向汽車ECU架構的合并集成。首先大部分功能會集中在一個統一的域控制器中，部分地取代現如今的分布式ECU格局。尤其對于ADAS、HAD功能相關的棧而言，這種集成會成為重要趨勢。
來源：(R)Evolution of the E/E Architectures, ISSN: 1946-4614
隨著自動駕駛的發展，軟件的虛擬化以及對硬件的進一步抽象，也會成為必然。其具體表現形式比較多樣。其中一個場景是，不同硬件集合為棧(stack)，這些棧按照延遲和可靠性的不同需求提供服務——比如高性能棧用來支持HAD、ADAS功能，而時間驅動(time-driven)的低延遲棧則用以支持基本的安全(safety)特性。還有個典型的場景，ECU整體虛擬為超級計算機，以實現智能節點計算網絡。這些都需要硬件抽象和虛擬化技術的參與。
2. 不同棧的標準化
不同硬件集合而成的棧，產生汽車不同功能的分立。什么意思呢?功能今后會取決于關鍵需求，而不是按照汽車硬件物理層面的功能域來簡單劃分(這本質上也是虛擬化的體現)。麥肯錫提出，下面4個棧會成為未來汽車的重要組成概念。
時間驅動棧(Time-driven stack)。在這個棧中，ECU直接連接到傳感器或執行器上，系統需要支持實時的需求，保證低延遲;資源調度是基于時間的。這個棧涵蓋的系統，要達到最高的汽車安全完整性等級(Automotive Safety Integrity Level)級別;
事件與時間驅動棧(Event- and time-driven stack)。這個棧涵蓋了高性能安全應用，比如說支持ADAS和HAD的。應用和外設被操作系統區隔開，應用基于時間進行調度。應用內部，資源調度可基于時間或者優先級。操作環境要確保安全性要求較高的(safety-critical)應用，跑在獨立的容器(container)上，和其他應用是隔離的。目前比較典型的例子是AUTOSAR。
事件驅動棧(Event-driven stack)。這個棧主要是車載娛樂系統，它的安全(safety)要求并不高。這些應用也需要與外設隔離開，資源調度基于事件。這個棧包含了一些可視化和使用比較多的功能，應用在用戶和汽車的交互方面，比如Android、QNX、Automotive Grade Linux等。
基于云的棧(Cloud-based stack)。這個棧是從車外訪問車內數據與功能，相關于通訊，，應用安全檢測(safety and security)，以及建立訪問接口等。
實際上已經有部分汽車供應商，或者市場參與者開始針對這些棧做投入。比如說，針對高性能應用的AI和感知，這屬于事件驅動棧，有供應商正與汽車制造商一起開發計算平臺;時間驅動的例子，如AUTOSAR、JASPAR正在支持這些棧的標準化。
3. 擴展的中間件層(middleware layer)對硬件做抽象
汽車本身正進化為移動計算平臺，那么中間件層(middleware layer)可以讓汽車的重配置，及相應的軟件升級、安裝成為可能。當前每個ECU內的中間件，跨單元進行通訊——而未來的中間件能夠鏈接域控制器，來實現功能的訪問。
在ECU硬件之上執行操作時，中間件層起到硬件抽象和虛擬化的作用，也就能夠實現前文提到的SOA，以及分布式計算。現有的行業參與者事實上正在嘗試這種更具靈活性的架構。比如說AUTOSAR的自適應平臺，就是一個支持中間件、復雜操作系統和多核處理器的動態系統。
4. 中短期來看，傳感器數量會飆升
未來2-3代汽車中，汽車制造商會安裝某些具備相似功能的多個傳感器，主要是為了確保安全性(safety)，并且是以多重保障的形式，比如說毫米波雷達、LIDAR、攝像頭。所以傳感器的市場需求量在這一時期會發生一次跳躍。尤其針對自動駕駛技術，LIDAR激光雷達用于物體分析與定位，在SAE定義的L4自動駕駛等級中，每輛車需要4-5個LIDAR傳感器，實現近360°可視化。
不過就長期來看，情況可能比較復雜。根據不同國家地區的監管政策，解決方案的技術成熟度，傳感器單純從基數上來說，增加或減少都是不一定的。比如說，監管可能強制要求汽車進行司機監控，那么傳感器數量自然會進一步飆升，比如動作傳感器，以及測心率、疲勞程度的健康監控系統，甚至臉部識別、虹膜追蹤。
但傳感器數量增加會導致物料成本增加，通過改進技術降低成本會成為一個長期趨勢。比如說類似攝像頭+雷達的融合式解決方案預計會統治市場，集成方案是有助于減少傳感器數量的;更高級的算法、機器學習都能夠加強傳感器性能和可靠性，那么具備相似功能的多傳感器方案會逐漸消失;更高級的單個傳感器也會替代過往的組合傳感器解決方案。所以長期來看，車載傳感器數量減少也是有可能的。
5. 傳感器變得更智能
未來的系統架構會要求智能和集成傳感器，去管理用于自動駕駛的海量數據。一些比較高級的功能，比如說傳感器融合、3D定位當然還是需要在中央計算平臺進行的。但更多傳感器數據的預處理、過濾和快速響應，還是會在更偏邊緣的位置進行，甚至是在傳感器內部直接完成。
由于傳感器生成數據的海量性，智能會從ECU分擔出一部分給傳感器，傳感器自己去執行那些要求極低延遲，同時計算性能要求不高的預處理。與此同時，智能傳感器可以對它們自己進行狀態監測，為確保傳感器在任何情況下都能正確工作，會有新型的傳感器清理應用，比如除塵、除冰之類的能力;多傳感器的冗余設計，則能夠增加傳感器網絡的可靠性、安全性(safety)。
6. 供電與數據網絡的冗余設計
對安全(safety)要求比較高，以及其他一些關鍵型應用，對可靠性要求是很高的。他們需要完整的冗余設計，包括數據傳輸和電力供應。電動車技術、中央計算機，以及對電力需求很大的分布式計算網絡，都必須有相應的冗余電源管理網絡方案。比如支持線控轉向的“故障仍保持工作(fail-operational)”系統，各種HAD功能都需要冗余系統設計，這對于現在的fail-safe monitoring故障安全監控實施方案而言，在架構層面上會有更高的要求。
7. 車載以太網會成為汽車骨干網絡
作為業界共識，而且是已經在開展工作的一個趨勢，這一點幾乎已經無需贅言。至少現在的車載網絡是無法滿足高帶寬數據傳輸需求的。HAD的數據速率和冗余設計要求，連接環境的安全性(safety and security)，以及跨行業的標準協議間的傳輸需求，都讓車載以太網成為必選項——尤其對冗余中央數據總線。
采用以太網解決方案，可以確保跨域通訊可靠，增加包括AVB(audio-video bridging)、TSN(time-sensitive networks)等擴展，滿足實時性要求。LIN、CAN之類的傳統網絡依然會存在，不過僅針對閉合的更低層級的網絡。FlexRay、MOST之類的技術很可能被車載以太網及其擴展AVB、TSN所取代。
8. 為功能安全與HAD考慮，OEM廠商會嚴格控制數據連接，但針對第三方數據訪問仍會開放接口
OEM廠商的后端，必定是車載網關傳輸安全關鍵型(safety-critical)數據的唯一出路。針對第三方數據訪問，也需要提供接口，除非監管政策不允許這么做。車載娛樂系統前面就已經提到可能會“應用化”，這個過程會浮現出新的接口，讓內容和應用供應商部署內容——這個過程OEM廠商一定還是會有各種限制標準。
現如今的板載診斷端口，一定程度會被遠程通訊解決方案替代。這種物理維護訪問端口已經不再必須。OEM廠商針對某些特定的場景，比如汽車丟失追蹤，在后端提供數據端口。
9. 本地信息上云，具備大數據價值
非敏感數據(非隱私與安全相關數據)未來會更多地在云上處理。隨著數據量的增加，數據分析會變得很重要，這些數據畢竟能夠給出很大的價值。無論是自動駕駛還是其他的數字化創新，這主要取決于市場參與者之間如何做數據共享與分析。
不過目前尚不清楚，這件事該如何執行，以及究竟由誰來做。有傳統供應商和市場參與者已經開始構建融合型的汽車平臺，能夠對大量數據做處理。
10.汽車也像手機一樣，可定期升級系統
本地的板載測試系統，能夠自動檢查功能與集成更新。這種更新能夠實現生命周期管理，以及汽車現有功能特性的加強或者解鎖。所有的ECU都和傳感器、執行器收發數據，獲取數據之后能夠支持一些創新型的應用場景，比如基于汽車參數的路徑計算。
OTA更新對于HAD而言也是基本能力。OTA更新可以帶來新功能、加固網絡安全性，汽車制造商要部署功能和軟件也更快。實際前面提到的汽車架構重大變化——OTA都是其驅動力。與此同時，OTA更新也要求具備端到端的網絡安全特性，從車外的云到車里的ECU的整個通路。這套安全解決方案仍待設計完善，未來究竟由誰來做，怎么做都是值得觀察的。技術層面，OEM廠目前正與相應技術供應商緊密合作。連接和OTA平臺都是需要解決的問題。
另外，要讓汽車得到像智能手機一樣的可升級特性，中間需要解決成交合同、監管需求，以及網絡安全與隱私方面擔憂的諸多問題。未來監管機構很可能強迫軟件維護確保汽車設計的安全性完整性。
雖然汽車行業目前整體處在過渡期，所以市場環境充滿不確定性，但在軟件和電子設備架構方面的發展，依舊是無可質疑的。這樣的變遷未來還會有更多的動作和事件發生，比如汽車制造商理應創立行業聯盟，對汽車架構做標準化;數字技術供應商會帶來云平臺;還有原本的市場參與者可能會開發開源的汽車棧和軟件功能;汽車制造商則推出連接更為復雜的自動駕駛汽車。
汽車行業的各層級參與者總結策略性轉變可能會有下面這些：
汽車開發周期，與汽車功能開發周期，會切分開。因為無論從技術還是從組織的角度來看，未來部署汽車功能都會是件難度大得多的事情，畢竟軟件即將成為汽車主宰。
定義好軟件和電子設備開發的目標附加價值。OEM廠商必須真正理解自家的差異化特性在哪里，以及針對該差異化特性如何做全盤控制。另外就是明確定義自家軟件和電子設備開發的附加價值邊界在哪里，這樣才能真正搞清楚哪些商品或內容并非核心競爭力，而僅能與合作伙伴或供應商共同交付。
給軟件定價，尋找新的業務模型。軟件在汽車中成為重要的獨立個體后，OEM廠需要思考用戶單獨購買軟件的流程和機制問題。各層級供應商在此也扮演重要角色，他們也需要針對其軟件和系統標定清晰的業務價值，這也是未來利潤增長點的一部分。另外，尤其對于供應商而言，分析在新架構中，哪些汽車新特性是具備真正價值的，就能對其進行貨幣化操作——那么針對軟件和電子系統的銷售，需要采用新的業務模型，不管是產品、服務還是某種全新的方案。
圍繞新的電子設備架構，做專門的機構設置變更。包括OEM廠和供應商，都應該針對汽車相關電子話題做不同的機構設置。因為未來新的層級架構，要求打破現有的“垂直”組織結構，轉而采用“橫向”組織機構單元。總的目標，是為其自家軟件和電子開發團隊提供專門的能力和技術。
上述趨勢的更細致探討，可以在11月19日于上海長榮桂冠酒店舉辦的汽車電子論壇上獲得。點擊本文文末的閱讀原文鏈接，即刻參與。重新思考汽車軟件與電子設備結構，這又是個擴展到原汽車行業之外的話題，并且將持續在未來至少十年時間里發揮作用。
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