从特斯拉Model 3看整车电子电气架构的趋势(转载)

从特斯拉Model 3看整车电子电气架构的趋势(转载)

对于汽车来说,电子电气架构既是一门科学,也是一门艺术,“科学”解决算力的提升问题,“艺术”解决应用的多样性问题。未来汽车的差异化,将不再停留在传统的车辆硬件方面,而是更多地通过先进的电子技术赋能,软件应用的丰富性来体现的,电子电气架构则是所有这些的基石。

1993年,奥迪A8上使用了5个ECU,最开始,ECU是仅仅用于控制发动机工作;随着汽车电子化程度越来越高,现在一些电子结构复杂的汽车,ECU 数量早就超过了100个,而面对高级别辅助驾驶系统的要求,ECU的这个数量不是太多了,而是远远不够。

因此,德尔福提出了汽车电子电气架构(EEA),以划分不同功能域的方式来集中控制不同ECU,这就是我们现在常说的车身与便利系统(Body&Convenience)、车用资讯娱乐系统(Infotainment)、底盘与安全系统(chassis and safety)、动力系统(powertrain),以及高级辅助驾驶系统(ADAS)等五个大域,当然还包括下面的各种子域。这其中,每个域或子域都有对应的域控制器DCU和各种ECU,所有这些构成了汽车电子电气架构的网络拓扑。

电子电气架构的挑战(来源:BOSCH Engineering)

自动驾驶要求更高的算力和更多传感器件,ECU的增长终将迎来爆发,这种分布式的ECU架构如果无限制扩张,势必面临着巨大挑战:

ECU的算力不能协同,并相互冗余,产生极大浪费大量分离的嵌入式OS和应用程序Firmware,由不同Tier1提供,语言和编程风格迥异,导致没法统一维护和OTA升级这种分布式的架构需要大量的内部通信,客观上导致线束成本大幅增加,同时装配难度也加大最后,第三方应用开发者无法与这些硬件进行便捷的编程,成为制约软件定义的瓶颈

汽车内部的快速电子化让传统汽车电子架构不堪重负,对于未来汽车电子架构来说,应是做减法了,垂直融合将取代分布协同成为趋势。同时,软件定义的需求正呼之欲出,汽车亟待一个从机械化到电子化的华丽转身,这些都要求汽车电子架构(EEA)做出变革:提升效率,降低复杂度—不论是硬件制造的复杂度,还是软件开发的复杂度。

以太网新型总线技术和5G无线技术的引入,已使这一融合变为部分现实。如果网络带宽足够宽,延迟足够低,这一趋势将会更加明显:算力向中央集中,向云端集中,汽车电子架构(EEA)的演进也正朝着这个方向前行。

奥迪的zFAS(来源:BOSCH Engineering)

ECU的集中化思路,并不是特斯拉的独家专利,奥迪是首个将各类功能都集中到中央域架构的车机厂商。2018款奥迪A8, 作为全球唯一一款量产的有限路况下L3级自动驾驶汽车,放弃了目前所有驾驶辅助系统(如停车辅助系统、夜视辅助系统或车道偏离预警系统)相互分离的ECU,转而将一切辅助系统集中于同一地方:中央驾驶辅助控制单元(简称“zFAS”)

zFAS将ADAS的所有子域都集中到一个计算平台上,这一与传统迥异的处理方式需要强大的计算核心支持。从奥迪公布的资料来看,zFAS有4个核心元件:Mobileye的EyeQ3,主要负责交通信号识别、行人检测、碰撞报警、光线探测和车道线识别;英特尔(Altera)的Cyclone V负责目标识别融合,地图融合,自动泊车,预刹车,激光雷达传感器数据处理;英飞凌的Aurix TC297T负责监测辅助驾驶系统运行状态及各ECU之间的通信,同时还负责矩阵大灯;而英伟达的Tegra K1负责驾驶员状态检测,360度全景及所有与图像相关的计算。

(来源:AudiMediaTV)

归纳来说,这四大核心部件分工各有侧重:Mobileye EyeQ3是外界图像感知计算单元,NVIDIA K1是全景图像融合计算单元,Altera Cyclone V是各种传感器数据融合计算单元,而英飞凌的Aurix TC297则是主控通信处理单元。整个zFAS系统,硬件集成由德尔福提,软件的开发由TTTech负责。值得一提的是,TTTech这家优秀的奥地利软件公司为zFAS实现了宇航级的高精度时间同步以太网(TSN),和汽车级的以太网音视频桥接技术(AVB),这为以太网在车内线束的大规模替换铺平了道路。

Model 3掀开变革的大幕

Model3则更为彻底,它或许将完全颠覆汽车机械产品这一属性。

奥迪A8的zFAS不过是仅仅在ADAS这个域做了些小动作,特斯拉的Model 3则更进一步:中央计算模块(CCM)直接整合了驾驶辅助系统(ADAS)和信息娱乐系统(IVI)两大域,以及外部连接和车内通信系统域功能;左车身控制模块(BCM_LH)和右车身控制模块(BCM_RH)分别负责剩下的车身与便利系统(Body&Convenience)、底盘与安全系统(chassis and safety)和部分动力系统(powertrain)的功能。

非常清晰,整个EEA(电子电气架构)架构只有三大部分:CCM(中央计算模块)、BCM LH(左车身控制模块)、BCM RH(右车身控制模块)。外人看来,相比奥迪的zFAS,Model3的这个动作也许只是前进了一小步;但对汽车电子电气的架构师来说,这是质的飞跃,一个不言而喻的意义是:这离埃隆.马斯克打造一个完全电子化的梦幻汽车理想,又前进了一大步。

从Model3掀起的一点点面纱来分析,CCM(中央计算模块)由三个密集的印刷电路板组合而成:分别负责信息娱乐系统(IVI),驾驶辅助系统(ADAS)和车内外通信连接。

1. 车内外通信电路板(右下图)集成了一个Telit的4G LTE模组和Marvell的以太网交换芯片,这并不稀奇,推测将TCU功能和车内以太网功能集成于一体。

2. ADAS电路板模块中(左下图),自从特斯拉与Mobileye分道扬镳而归向NVIDA阵营后,这部分不出意外,都是用的NVIDIADriver PX2平台,只不过NVIDIA推出Tegra Parker后,计算能力已比TegraK1更上一层楼;其他部分应与Audi zFAS雷同,Altera CycloneV的FPGA和英飞凌的Aurix TC297T必不可少,从单板上看,这是采用了2片Tegra Parker互联再加Cyclone V FPGA协同计算的设计,无疑,这比zFAS的性能又提高若干数量级。

3. CCM中最令人意外的模块当属右上角的这块信息娱乐/通信系统电路板(右上图)了。从这块PCB板背面来看,分布于左上和右下的两个巨大金属铆钉状连接器,极似我们常见的电脑主板上Intel CPU的Socket插槽固定器,左下的两块黑色连接器以及四颗紧固螺丝说明,这个正面又有一块小扣板。他揭开了一点面纱,只露给你一个背影,但从中我们依然窥见深不可测的计算力。果不其然,从披露出来的信息得知,这块负责IVI的CCM模块搭载的是Intel Atom A3950处理器,上面的小扣板则集成了NXP QorIQ芯片。很明显,NXP QorIQ负责车内子系统的通信互联和配置管理,X86架构的Atom A3950负责整个车载IVI系统。更为惊世骇俗的是:此X86平台上运行的是特斯拉自己打造的车载linux系统,除此之外,特斯拉使用的软件有80%以上为自行开发,埃隆.马斯克的野心可见一斑。

现在再去评论马斯克是否激进,已经落后于潮流,特斯拉已然掀开了变革的大幕,让我们看到了未来汽车的模样。

特斯拉的野心

能在电子电气架构(EEA)上动手脚的,要么是先烈,要么是先驱。

在冯.诺伊曼体系结构推出之前,计算机是庞然大物,笨重而繁杂。冯.诺伊曼采用了二进制,并且将计算机硬件划分为运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分后,计算机朝集中化,轻量化方向发展,英特尔的x86最后助其走入寻常百姓家。

x86的硬件架构本质上是冯.诺依曼体系结构的,但在此之上又有创新:控制器和输入、输出控制分属于南桥芯片和北桥芯片。从此,整个计算机主板只有三大块,CPU和南北桥芯片组。

如果将汽车整个电子系统视为一个主机,那么Model 3的架构与电脑主板如出一辙:中央计算模块(CCM)、左车身控制模块(BCM_LH)和右车身控制模块(BCM_RH)。特斯拉似乎是有意为之,一个再清晰不过的思路展现在众人面前:域控制器尽可能集中,仅留下负责外设的ECU分散布置,通过CAN或以太网总线桥接起主要域控制单元;同时在中央计算单元上选用x86架构为后续软硬件扩展打下基础。

从分析来看,Model 3的信息娱乐系统(IVI)上运行x86 Linux,同时这也应是整个中央计算模块(CCM)乃至整个车载电子的大脑:TCU上的4G通信管理、IVI上的娱乐导航、ADAS上的Driver PX2驱动配置及Autopilot的运行控制,都是由此linux OS统一调度分配资源。基于Linux的深度开源定制特性,我们有理由相信,Model 3这一选择,是为更具伸缩性的外围电子架构和更具通用性的系统应用做好了铺垫。

连续在电子电气架构和计算架构上做出变革,这是一套组合拳,目的是对标个人电脑的技术发展路线,特斯拉的野心暴露无遗:更抽象而标准的电子电气设计、更丰富而统一的软件能力。从正在发生的事实来看,这场汽车软硬系统架构的变革正在朝特斯拉设定的方向演进,如果Model 3成为爆款,那么特斯拉将是整个汽车行业的颠覆者。

全软件定义驾驶舱

解决了电子电气和计算架构的问题,软件是任你天马行空的,你的电脑上可装什么,基本上都可轻点鼠标Copy到你的驾驶舱。除此之外,基于汽车特点的应用开发也有无限可能,唯一限制你的只有你的想象力。

我们都知道:X86架构成就了英特尔和微软,这个意义怎么强调都不过分。在X86之前,软件是看不见,摸不着,与人没有任何交互的;直到x86出现,Wintel统治了江湖,软件的力量才迅速崛起,所有产业都在期待软件来重新定义。

软件的兴起,需要一种集中的、抽象的、强大的计算架构,x86完成了这一使命。在与ARM架构的对比中,除了功耗高些,X86完胜。但在电动汽车时代,一块CPU的功耗还是个事吗?

当”IntelInside”的标识遍布整个坐舱,汽车将会有颗”奔腾的芯”,一个全软件定义的驾驶舱将会是进行时,ARM霸屏的时代即将成为过去式。

谁主沉浮

作为颠覆者特斯拉来说,现在给其定位是非常困难的,他可以说是车厂,也是软件科技公司,还是Tier1。除了半导体,特斯拉把一个汽车产业链条上的所有分工全都大包大揽了。很多人在看埃隆.马斯克的笑话,但如果埃隆.马斯克把Model 3的产能问题解决了,我相信,他会是个神话。

作为分散式域控制器的电子架构,车内软件也都分布于各ECU上,且都由Tier1们完成。但是这种系统是零散而粗放的,且软硬件是紧密耦合的,因此在某一块领域,极易造成某一两个巨头的垄断和交叉。比如博世在车身安全控制方面独领风骚;且与大陆和安波福在ADAS领域又有交叉;伟世通和电装在IVI领域基本是垄断者;而法雷奥和李尔分别是车灯照明和内饰控制的佼佼者。随着汽车电子架构向域集中方向发展,Tier1们是最先遭受冲击的,他们必须拥有更广泛的系统能力,而不止于某一细分领域,未来的汽车零部件供应商市场可能只会有两至三家巨头容纳的空间。

硬件抽象化后,对整车厂商而言,除了机械设计能力,最重要的莫过于软件能力了。硬件的标准化,导致软件可以分离出来,Tier1们的优势会逐渐丧失,在没有一个具备系统软件能力的Tier1诞生前,整车厂商必须掌握软件定义汽车的能力了。如果在短时间内搭建不起这样的团队,至少应与像谷歌、百度这样的软件公司合作,如此方能抵挡这波造车新势力的进攻。可以预见的是:传统车企与传统Tier1们的亲密无间的岁月也要结束了,他们会各自暗怀珠胎,为软件的主导权争执不休。

X86阵营的英特尔不会放弃对移动计算市场的追求,Atom在Model 3上的导入将会是关键一着,自动驾驶对算力的追求,给了英特尔和英伟达重现PC市场辉煌的机会。域控制器的集中,必然要求更强大的计算能力和软件应用能力,ARM架构的天然劣势,导致这一阵营的传统汽车半导公司如恩智浦、瑞萨、英飞凌和ST的版图会被慢慢压缩,在核心控制模块,绝对是英特尔和英伟达的天下,ARM核的MCU将会限制在末端ECU的应用场景上。

Model 3上革命性地使用X86架构和Linux操作系统,为我们探索出更多的可能,如果这个里程碑式的车型大获成功,等于是掀开了未来汽车软硬架构的面纱。但向特斯拉这样软硬一起抓的整车厂,不会是常态;软件能力仍是将来多方抢占的制高点,软件科技公司?整车厂?Tier1?谁主沉浮?大幕落下,答案才会揭晓。

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