解析全新一代電子電氣架構設計得重要性

OFweek新能源汽車網訊 為了打造新一代的電子電氣架構，工程師面臨的挑戰絕不止如何將圖中所示的20個子系統整合起來。

如今，如果提起汽車互聯、電氣化與無人駕駛汽車革命，似乎每個人都能多少聊上幾句看法。但事實上，這場如火如荼的汽車革命背後，還有一個同樣值得關注但關注度明顯較低的領域：下一代電子電氣架構(EEA)的研發。現階段，人們普遍認為，為了處理未來汽車與卡車不斷增加的數據處理要求，目前主要廠商正在研發中的可拓展型電子電氣架構至關重要。

電子電氣架構一直算的上一種革命性技術，有關這種架構的重要反思已經持續了很長時間，大約有超過30年了。回顧過去，汽車電子電氣架構距今最近的一次真正變革出現在1983年：那年，博世(Bosch)集團推出了CAN(控制器區域網)協議。當時，首款採用CAN匯流排的車型為1986款BMW860轎跑。此後之後，CAN匯流排一直在車輛的電子電氣架構中發揮重要作用。作為一種集中式網路，CAN匯流排可以廣播車輛的全部數據流，允許車內的各種控制器和感測器相互溝通。

CAN匯流排的出現改善了當時電子電氣架構的效率與互操作性。另外，這種匯流排還顯著降低了系統的複雜度，而複雜度降低又意味著可以減少布線數量。在這種情況下，CAN匯流排不僅可協助車輛實現最高減重45kg公斤，還能節約珍貴的安裝空間。

「CAN與LAN(區域網)技術都非常穩定，這可讓我們的設計擁有更高的靈活度。」福特(Ford)電氣化動力總成工程總監Kevin Layden表示，「不過，雖然如今CAN網路已經開始承擔更多功能，但由於未來車輛的感測器數據將比現在多很多，因此CAN匯流排可能也無法滿足需求。」

Layden與其他專家表示，CAN匯流排架構的帶寬和吞吐量均相對有限，難以應對未來車輛在數據流處理、網路安全及「終極」機器學習方面的需求。

博世(Bosch)汽車電子北美總裁Tim Frazier表示，「目前，自動駕駛系統中大量感測器產生的數據需要融合，這對微處理器的大規模數據處理功能提出了更高要求，目前市面上專為汽車應用而設計的微處理器很難勝任這樣的任務。」

采埃孚公司的Andy Whydell將這種強勁的中央汽車處理器比作「汽車界的智能手機」，而廠商與一級供應商均可以自行定製各種應用程序。

專家在與《汽車工程》交流時表示，未來，CAN匯流排將繼續留在電子電氣架構的子網中。不過，與CAN匯流排相比，正在快速發展的乙太網可以提供比前者高1000倍的帶寬。采埃孚(ZF TRW)全球設計總監Andy Whydell表示，乙太網也被稱為IEEE 802.3協議，「這種技術的穩定表現已經得到充分驗證，幾乎每個家庭、每部電腦都在使用乙太網。正因如此，乙太網開始更多在汽車主動安全等對速度與容量有較高要求的應用中發揮作用。」

Whydell認為，未來，乙太網將主要成為一種輔助技術，「與CAN匯流排并行工作。」他解釋說，「如果你對帶寬要求不高，那就沒必要升級到乙太網絡，因為CAN匯流排的成本要更低一些。此外，如果配合CAN匯流排使用，乙太網匯流排就不會被一些優先順序不高的指令阻塞，比如簡單調整一下座椅等。這樣一來，我們就可以讓乙太網單純負責一些更關鍵的安全系統，然後將一些與駕乘舒適度有關的功能交給CAN匯流排處理。」

與許多專家一樣，Whydell也很看好乙太網的發展。但他指出，除了乙太網之外，還有一種FlexRay協議的速度也比CAN匯流排快，但成本也更高。

車輛對系統數據吞吐量的更高要求，是推動下一代電子電氣架構研發的主要動力之一。

大處理與集中控制

目前，汽車廠商一般會採用分散式汽車架構。通用(GM)車輛系統工程執行總監Matt Schroeder解釋說，在這種架構下，大量ECU單元會相互協同工作，共同為駕駛員能提供各種功能。但這種架構已經快要「到達極限」了。

Schroeder指出，通用汽車公司正在開發一個新的Global-B架構，預計將於2019年完成。目前，公司「希望可以從更多角度入手，讓更多高級功能在這種分散式架構下相互協同工作，保護消費者免受網路攻擊。」

Schroeder表示，未來，域控制器仍將是所有汽車架構的基石，這點不會改變。他指出，分散式架構「隨著車輛安全功能的增加，只會變得越來越複雜，但基本性質並不會改變很大，然而客戶端的需求則已經有了大幅提升。」

自動駕駛系統設計師希望可以利用1GB的實時乙太網提供每秒1GB，甚至更高的處理速度。Schroeder表示：「從功能方面來說，這就像是把功能強大的大型計算機改成適用汽車的規格，而後再安裝到汽車上。」

在2016年的SAE全球汽車電子大會上，在「雲」寬頻數據通信的協助下，利用強勁的中央處理器滿足新的數據處理需求，一直是工程師們探討的熱門話題。德爾福(Delphi)首席技術官Jeff Owens稱，這種趨勢「既是一種進化，也是一種革命。」從進化方面來說，架構的進化主要是因為特定領域內一些應用程序對數據提出了更高要求。比如，基於現有架構的混動車型可能就需要更多。

從革命方面來說，架構的革命主要體現在利用Owens所說的「über brain」多域控制器，重新思考整個架構的設計。他表示，über brain可以承擔多個ECU單元的工作，從而降低系統的複雜度、成本與質量。目前，德爾福、采埃孚、博世等供應商的量產產品中均有此類硬體設備。

大眾-奧迪也有意打造新的電子電氣架構。目前，這家公司正在開展一項Z-Fast(即Zed Faust)項目，旨在重新探索旗下主動安全領域中的電子電氣架構，包括車輛雷達、激光雷達、視覺系統、駕駛員狀態監測及各種相關感測器與執行器等。這些功能都有一個共同點，那就是需要高速的數據處理。在這種背景之下，奧迪開始設計一種全新架構，在多域控制器中引入一款「可承擔重負荷的」中央處理器，負責各個子系統間的協調與決策任務。

據悉，2014年，這款Z-Fast緊湊型主板將會登陸一款奧迪A8自動駕駛概念車並與公眾見面。具體來說，該系統採用了英偉達(Nvidia)的K1晶元與192核GPU，可處理幾十個感測器的數據輸入，從而根據當時的道路與交通狀況計算車輛的安全導航行駛信息。據了解，這款下一代汽車中央處理器的硬體整合度與可拓展性均將有所提升，預計將於2019年進入量產階段。

Owens表示，「奧迪希望自己的架構不會被未來淘汰。」他解釋說，未來，由於主要的數據處理工作均將交由中央處理器進行，感測器的前端處理任務將會顯著減輕，其中包括「飛行時間(time-of-flight)」與熱管理系統的計算等，因此工程師就不需要為每一個感測器單獨配備高端微處理器。這樣一來，未來汽車感測器佔用的空間將顯著縮小，且成本也會有所下降。

儘管目前部分系統可以支持升級，但這些系統通常都存在存儲空間不足的問題，因此在升級前必須先卸載部分舊的內容。由於多域處理器可以提供足夠的內存和處理速度，因此奧迪在未來很長一段時間內都可以沒有負擔地增加更多功能。Owens認為，「對於一些真正具有前瞻性思維的廠商，中央汽車控制器將成為一種未來之選。」

博世集團的電子電氣架構技術戰略圖。

可重構設計

下一代電子電氣架構工程師表示，他們的目標是打造一個標準化硬體平台。用通用汽車Schroeder的話說，「這種架構很容易擴大或縮小，可以滿足產品線上各類產品對功能與成本的不同要求。要知道，打造每一個架構的成本都非常高昂。」

加州大學伯克利分校著名的電子電氣與計算機科學教授Alberto Vincentelli博士也同意這種說法。在SAE汽車電子大會的專家討論環節中，Vincentelli博士表示，「為了不斷滿足新的需求，現代架構最重要的特點在於其靈活性和可重構性。當你開始設計一個新的架構時，要記得這個架構應該可以在其整個使用壽命中適應各種巨大的改變。」Vincentelli博士表示，「設計是一個問題，但更重要的是適應能力。」

從汽車整合來說，誰在中央處理器方面更有決定權呢，是一級供應商還是汽車廠商？「這很難說。」采埃孚的Whydell如是回答。

「我們已經有一些產品，而我把這些產品稱為『汽車屆的智能手機』。」Whydell表示，「這和你手機里的處理器很相似，主要體現在你可以自己選擇要給自己的手機安裝哪些應用程序。類似地，我們可以說采埃孚將提供處理器，而廠商則能決定到底要選哪些『應用程序』。他們可以從我們這裡購買所需的功能，也可以自己研發或讓一些專業的軟體公司進行開發。」

AUTOSAR(汽車開放系統架構)聯盟的主要目標之一，是在系統內與系統之間提供更大的靈活性。AUTOSAR Adaptive平台經過專門設計，可為工程師提供更多靈活的架構，預計將於今年完成搭建。這個平台可以為一些更複雜的系統提供一個軟體框架，協助工程師利用乙太網增加帶寬。

需要說明的是，這並不是要取代AUTOSAR。該架構預計將最先用於高級駕駛輔助系統(ADAS)方面的應用。此外，這種架構還可以協助標準操作系統，與更多互聯功能與圖像處理功能實現無縫整合，從而助力汽車信息娛樂系統的開發。通用汽車的Schroeder表示，AUTOSAR 4.x將成為通用新一代Global-B電子電氣架構的基礎。

博世北美副總裁Tim Frazier認為，需要從目前的域架構轉移到多域架構配置，這將有助於減少20%的布線量。

對博世而言，架構的靈活性一直是公司所追求的重點之一。目前，博世的設計團隊已經開發了多種下一代電子電氣架構解決方案，以滿足客戶的各種要求。Tim Frazier表示，「這項技術的進展非常迅速。」Frazier認為，在模塊化設計思路與1GB乙太網的推動下，未來的電子電氣架構將從目前的分散式結構轉為跨域結構(APAS、動力總成、車身和信息娛樂系統)。

Frazier斷言，「多域架構才是未來之選。」他堅信，從目前的域架構(見圖表)轉化多域架構可以減少15-20%的布線用量。

在「雲」端

在2016年SAE全球汽車電子大會(SAE Convergence)上的主題演講中，英特爾(Intel)物聯網解決方案集團與交通運輸解決方案部副總裁Elliot Garbus提問說，「目前，我們在雲平台與汽車之的技術處於一種『分裂狀態』，我們是否需要一個新的革命性架構？又或者我們能否在目前所用的架構中實現我們的目標？」

「雲平台」無法完成實時計算。但從長遠來看，Garbus認為將出現一種新的架構模型，可以普遍實現「可靠、實時的無線連接。」但他認為，這種架構不會很快到來，甚至在5G環境下也不行。

Garbus解釋說，「未來，汽車的計算能力將繼續增加，達到能夠進行自動操作的水平，而雲計算則主要負責一些非實時活動及近實時的協調工作，比如判斷周圍交通狀況與天氣變化等。」此外，車輛的安全功能將在很大程度上藉助FOTA(空中固件升級)與SOTA(空中軟體升級)來實現。

無論選擇何種安全攻擊手段，黑客攻擊的宗旨總是尋找薄弱環節入手。由於這些環節將出現變化，因而威脅模型也會發生變化。Garbus表示，「這就需要一種系統性設計方法，在設計中必須整體考慮車輛中的所有硬體和軟體，甚至還要考慮雲端的因素。」