六、EEA的演進(jìn)將分成幾個(gè)階段？
前面談到集中化是EEA的總體演進(jìn)趨勢，具體來看，實(shí)現(xiàn)智能汽車EEA的整體進(jìn)化，不僅需要邏輯集中和物理集中雙管齊下，還需要實(shí)現(xiàn)邏輯集中與物理集中的協(xié)同。實(shí)際上涉及到的內(nèi)容很多，所以不可能一蹴而就，需要分步實(shí)現(xiàn)。
1.邏輯集中
邏輯集中意味著軟件系統(tǒng)規(guī)模更大、更復(fù)雜，因此需要更先進(jìn)的軟件資源管理和交互技術(shù)。在傳統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)中，“I/O控制軟件”與“邏輯處理軟件”被混雜封裝在一起，沒有明確的邊界，這個(gè)階段也稱為“軟軟耦合”。
在談?wù)撨壿嫾兄?，我們首先要區(qū)分“邏輯處理類軟件”和“I/O控制類軟件”?！斑壿嬏幚眍愜浖敝饕溉诤蠜Q策、人機(jī)交互、功能組合等包含復(fù)雜邏輯策略的應(yīng)用和算法，“I/O控制類軟件”主要指信號(hào)路由、數(shù)據(jù)預(yù)處理、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)等與硬件高度相關(guān)的驅(qū)動(dòng)類軟件。強(qiáng)調(diào)二類軟件區(qū)別，是因?yàn)椤斑壿嫾小敝械摹斑壿嫛逼鋵?shí)指的就是“邏輯處理類軟件”，此類軟件直接面向用戶需求進(jìn)行開發(fā)，具有更多的數(shù)據(jù)橫向打通和組件復(fù)用的需求，天然就傾向于實(shí)現(xiàn)集中，而“I/O控制類軟件”與硬件高度相關(guān)，其集中與否由硬件決定而非用戶需求。
邏輯集中的第一步就是要實(shí)現(xiàn)“軟軟解耦”，需要把“邏輯處理軟件”與“I/O控制軟件”通過分類分層的封裝方式來解除綁定，進(jìn)而允許不同“邏輯處理類軟件”之間能夠?qū)崿F(xiàn)打通和融合。
第二步是“功能集聚整合”，即把原本負(fù)責(zé)不同功能的多套軟件系統(tǒng)集聚整合為一個(gè)系統(tǒng)。軟軟解耦后，理論上“邏輯處理類軟件”與“I/O控制類軟件”已經(jīng)可以部署在不同的硬件上，但在實(shí)際工程開發(fā)中，考慮到對既有軟件的繼承，一般不會(huì)直接徹底打散重構(gòu)整個(gè)軟件體系。此階段一般先繼續(xù)保持“邏輯處理類軟件”與“I/O控制類軟件”在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，只對“邏輯處理”部分進(jìn)行繼承、融合與再開發(fā)，比如將AEB（緊急制動(dòng)系統(tǒng)）、ACC（自適應(yīng)巡航系統(tǒng)）、LKA（車道保持系統(tǒng)）等多個(gè)駕駛輔助功能整合升級(jí)為NOA(自動(dòng)導(dǎo)航輔助駕駛)功能。
第三步是邏輯集中的理想階段——“邏輯-控制分離”，即“邏輯處理類軟件”與“I/O控制類軟件”分別集中成兩個(gè)軟件系統(tǒng)并分別部署?！斑壿嬏幚怼边@類需要大算力的軟件可以部署至中央計(jì)算平臺(tái)，而“I/O控制類軟件”則可以部署至更靠近相關(guān)硬件的位置，這樣可以最大程度實(shí)現(xiàn)同類型算力需求的集中，減少硬件異構(gòu)集成帶來的額外成本。
例如，如果需要在一顆智能駕駛SoC上同時(shí)運(yùn)行“環(huán)境感知”和“底盤控制”兩類軟件，前者更需要AI算力，而后者只需要CPU算力，那么SoC的設(shè)計(jì)必須兼顧兩者；如果將“底盤控制”軟件部署在一顆單獨(dú)的MCU上，那么SoC的研發(fā)和資源冗余就能得以簡化。
2.物理集中
相較“邏輯集中”的三個(gè)階段，“物理集中”整體可以分為“分布式”、“域融合”、“跨域融合”、“中央計(jì)算+區(qū)域控制”以及“車云一體”五個(gè)階段。“物理集中”的演進(jìn)過程對計(jì)算和通信等硬件性能的要求不斷提升，具體參見圖3。
從“分布式”到“域融合”再到“跨域融合”，目標(biāo)是先用5-7個(gè)DCU（功能域控制器）取代掉各自域內(nèi)的ECU，再進(jìn)行跨域的計(jì)算整合將控制器數(shù)量縮減至3-4個(gè)。對于跨域的計(jì)算整合有不同的方式，有的車企按照功能域與功能域進(jìn)行整合開發(fā)MDCU（多域控制器），有的車企則按照功能硬件的物理空間距離進(jìn)行整合開發(fā)ZCU（區(qū)域控制器）。
“中央計(jì)算+區(qū)域控制”階段是一個(gè)分水嶺。在此之前控制器使用SoC芯片或MCU芯片，主要考慮物理集中的繼承關(guān)系，假如原控制器就使用了MCU芯片，那么集中后的新控制器往往繼續(xù)使用MCU芯片。但到了“中央計(jì)算+區(qū)域控制”階段，車載計(jì)算架構(gòu)已經(jīng)重構(gòu)，讓SoC芯片居中用于中央計(jì)算集群/平臺(tái)，負(fù)責(zé)大算力任務(wù)；MCU芯片則用于VIU（區(qū)域信息單元），負(fù)責(zé)與硬件控制相關(guān)的任務(wù)，這樣的計(jì)算明確分工能有效簡化硬件設(shè)計(jì)并提高計(jì)算效率。同時(shí)，VIU由于運(yùn)算任務(wù)相對簡單可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這樣允許車企針對不同車型來靈活配置所需的數(shù)量，大大提高了架構(gòu)的靈活性和通用性。
“中央計(jì)算+區(qū)域控制”階段還可以根據(jù)“中央計(jì)算”的集中程度進(jìn)一步細(xì)分為“多盒（Multi-Box）”、“單盒多板（One-Box）”、“單板多芯（One-Board）”和“單芯（One-SoC）”四個(gè)小階段，這一集中過程除了依賴芯片硬件層面集成設(shè)計(jì)技術(shù)的突破之外，板間互連、片間互連、片上互連等通信技術(shù)的進(jìn)步也是關(guān)鍵。
最終，根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)“摩爾定律”的發(fā)展情況，可以預(yù)見在“單芯”階段將出現(xiàn)的瓶頸，因?yàn)檐嚩怂懔Σ豢赡軣o限增長來滿足所有應(yīng)用場景需求，智能汽車終將迎來“車云一體”式架構(gòu)。到了“車云一體”式架構(gòu)階段，部分車端算力將轉(zhuǎn)移至路端或云端，車路云多端算力通過V2X（車聯(lián)網(wǎng)）打通并實(shí)現(xiàn)協(xié)同計(jì)算，由此將EEA的物理空間范疇從車內(nèi)拓展至車外。
3.邏輯集中與物理集中協(xié)同
綜合上述邏輯集中與物理集中的演進(jìn)路徑不難發(fā)現(xiàn)，物理集中實(shí)際是邏輯集中的支撐，邏輯集中是發(fā)揮物理集中價(jià)值的關(guān)鍵，兩者相互協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的EEA。雖然其中涉及到很多的軟件和硬件，但是軟件最終要部署在硬件上，部署的過程就是成本和效率的優(yōu)化過程。
筆者認(rèn)為，邏輯集中與物理集中存在一個(gè)最優(yōu)匹配關(guān)系，如圖4所示。筆者還標(biāo)注了各大車企在EEA方面的相關(guān)進(jìn)展信息。可以看到，傳統(tǒng)燃油汽車采用的EEA是分布式物理布局，邏輯層面也是很典型的軟軟耦合的嵌入式軟件。當(dāng)?shù)搅宋锢砑械摹坝蛉诤稀焙汀翱缬蛉诤稀彪A段，實(shí)際上車企都是使用相應(yīng)的集中式控制器來支撐相應(yīng)“功能集聚整合”后的軟件運(yùn)行。特斯拉早在2021年實(shí)現(xiàn)了區(qū)域集中EEA量產(chǎn)，即使今天其比較先進(jìn)的EEA仍被視為行業(yè)標(biāo)桿。隨著物理維度的進(jìn)一步集中，“中央計(jì)算+區(qū)域控制”正好與邏輯維度的“邏輯-控制分離”相匹配，由“中央計(jì)算”承擔(dān)復(fù)雜的“邏輯處理類軟件”，“區(qū)域控制”承擔(dān)與硬件高度相關(guān)的“I/O控制類軟件”。
然而，理想與現(xiàn)實(shí)之間總有差距，實(shí)現(xiàn)邏輯集中和物理集中的最優(yōu)匹配并不容易，常常處于不匹配的狀態(tài)。這種不匹配現(xiàn)象在“域/跨域集中式架構(gòu)”階段，常見于某域/跨域控制器硬件已經(jīng)完成了開發(fā)，而軟件層面無法將部分功能整合進(jìn)來，導(dǎo)致車內(nèi)ECU數(shù)量并未減少甚至還有所增多。但是，后果更為嚴(yán)重的不匹配則體現(xiàn)在“中央集中式架構(gòu)”階段，這往往反映出企業(yè)的研發(fā)目標(biāo)與現(xiàn)有實(shí)力的不匹配。
圖4中列舉了兩個(gè)例子。第一個(gè)是某科技巨頭的概念架構(gòu)，該企業(yè)早在2020年就提出了“邏輯-控制分離”的目標(biāo)，當(dāng)時(shí)控制器的硬件水平不足以支撐實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。也就是說，物理集中落后于邏輯集中，這導(dǎo)致部分傳感器、執(zhí)行器仍然需要直接接入中央計(jì)算集群，使“中央計(jì)算”的硬件設(shè)計(jì)成本明顯增加，最終該企業(yè)的相關(guān)量產(chǎn)產(chǎn)品并未按照其概念架構(gòu)來設(shè)計(jì)；第二個(gè)例子是某企業(yè)于2023年宣布實(shí)現(xiàn)了“中央計(jì)算+區(qū)域控制”的EEA 3.0量產(chǎn)，從其公開的技術(shù)資料了解到，其尚未實(shí)現(xiàn)I/O控制與邏輯處理的完全分離，仍然有很多“邏輯處理類軟件”部署在VIU上，這就是邏輯集中落后于物理集中的典型案例。
圖5展示了不同EEA集中化階段的軟件在不同硬件上的部署方式。筆者將“分布式EEA”定義為1.0階段，“域集中式EEA”定義為2.0階段，“中央集中式EEA”定義為3.0階段。從圖5中可以看出，從“域集中”到“多域/區(qū)域集中”，軟件的部署方式?jīng)]有本質(zhì)性變化，企業(yè)要做的是開發(fā)更強(qiáng)大的控制器以及整合更多的功能，因此即使物理和邏輯暫時(shí)不匹配也是走在正確的方向上。
需要注意的是，“部分區(qū)域化”（所謂2.9階段）的兩個(gè)軟件部署例子，可以說是既不承上、也不啟下?！拔锢砺浜笥谶壿嫛睂?dǎo)致“中央計(jì)算”的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)必須額外為硬件控制考慮很多安全性要求，不利于軟件的靈活迭代；“邏輯落后于物理”導(dǎo)致“區(qū)域控制”的硬件設(shè)計(jì)無法標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)用，面向不同車型需要費(fèi)時(shí)耗力重新適配，成本投入產(chǎn)生極大浪費(fèi)。這種“總有一方拖累另一方”不僅體現(xiàn)在技術(shù)層面，還體現(xiàn)在技術(shù)背后的組織團(tuán)隊(duì)，而團(tuán)隊(duì)之間的沖突與拉扯有可能讓企業(yè)在很長一段時(shí)間都處于“3.0階段就在眼前，但一直在2.9階段打轉(zhuǎn)”的狀態(tài)。
七、集中式EEA演進(jìn)面臨著哪些挑戰(zhàn)？
如前所述，推動(dòng)EEA向集中化演進(jìn)必須做三件事：邏輯集中、物理集中、軟硬協(xié)同。這三件事分別對應(yīng)了企業(yè)的三項(xiàng)能力：軟件整合與打通能力、集中化硬件開發(fā)能力和軟硬件垂直集成能力。但是其中每一項(xiàng)能力都面臨著技術(shù)和整供企業(yè)分工合作模式的雙重挑戰(zhàn)。
1.軟件整合與打通能力
邏輯集中必然使軟件系統(tǒng)更加復(fù)雜，這需要管理調(diào)度能力更強(qiáng)的OS內(nèi)核，負(fù)責(zé)管理軟件資源，以及更靈活高效的中間件來幫助軟件打通。目前OS內(nèi)核在技術(shù)上主要有兩方面挑戰(zhàn)，一方面是汽車上硬件種類多樣，現(xiàn)有的OS尚無法兼容全部的驅(qū)動(dòng)；另一方面是不同軟件對OS內(nèi)核的性能需求不同，現(xiàn)有的OS產(chǎn)品難以同時(shí)兼顧。目前阿里、華為等科技公司以及極少數(shù)整車企業(yè)正在嘗試研發(fā)或改造車載OS內(nèi)核，但這種研發(fā)投入巨大，資源分散反而容易拖累整體技術(shù)進(jìn)展。
對于中間件，雖然目前尚未打造出足夠安全、高效、靈活的量產(chǎn)產(chǎn)品，但不存在明顯的技術(shù)瓶頸。正是因此，軟件供應(yīng)商和車企都在相關(guān)研發(fā)上大量投入，且各有優(yōu)劣。軟件供應(yīng)商雖然專業(yè)性更強(qiáng)，在中間件方面的技術(shù)積累更多更快，但短時(shí)間內(nèi)很難將產(chǎn)品平臺(tái)化、通用化，難以同時(shí)服務(wù)好多家車企；相反，車企自研的中間件能夠更好地滿足自身需求。因此，圍繞中間件的整供博弈仍將持續(xù)。
2.集中化硬件開發(fā)能力
物理集中的核心能力是開發(fā)高集中度的域控制器或計(jì)算平臺(tái)，而這又可進(jìn)一步分為核心SoC芯片層面的開發(fā)和計(jì)算平臺(tái)層面的開發(fā)。對于SoC，芯片企業(yè)無疑具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，但也有極少數(shù)車企能夠自研SoC，并與自研算法更好地協(xié)同。相較而言，車企更擅長在計(jì)算平臺(tái)層面的開發(fā)，而應(yīng)將供應(yīng)商具有更成熟的量產(chǎn)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
綜合來看，車企自研集中化硬件是期待能夠?qū)崿F(xiàn)更好地軟硬協(xié)同，從而降低對硬件資源的需求，從這個(gè)角度看，車企自研芯片是具有合理性的，但是研發(fā)周期長，不確定性較大；即使最終研發(fā)成功，量產(chǎn)規(guī)模能否攤平高昂的研發(fā)成本仍然是一個(gè)問題。因此，車企很可能仍需要借助專業(yè)芯片企業(yè)的能力，并探索新的整供合作模式。
3.軟硬件垂直集成能力
想要將高度復(fù)雜的軟件集成在高度集中的硬件上，是一個(gè)難度極大的工程問題。從任務(wù)內(nèi)容上看，車企是最適合負(fù)責(zé)軟硬件垂直集成的主體，但是其在傳統(tǒng)燃油車時(shí)代缺少經(jīng)驗(yàn)積累而高度依賴供應(yīng)商，導(dǎo)致車企的實(shí)際能力與需求存在較大的差距。
從供應(yīng)商的能力現(xiàn)狀上看，目前主流一級(jí)供應(yīng)商一般只能提供單個(gè)功能域的軟硬集成方案，少數(shù)零部件巨頭具備跨域的軟硬件集成能力，而對于未來的中央集中式架構(gòu)下的整車級(jí)集成，幾乎不可能由供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)。
從車企的能力現(xiàn)狀上看，大部分車企停留在單功能域垂直集成的水平，極少數(shù)車企能夠?qū)崿F(xiàn)跨域的軟硬件集成，因此整車企業(yè)在這方面還有很多功課需要補(bǔ)上。如果繼續(xù)依賴供應(yīng)商，那么路將越走越窄。
八、整車企業(yè)如何推動(dòng)集中式EEA的落地？
車企在研發(fā)和量產(chǎn)集中式EEA時(shí)，需要綜合行業(yè)整體水平與自身能力制定適合自身的EEA演進(jìn)路徑。筆者建議車企注意以下三方面問題：
1.根據(jù)實(shí)際情況選擇EEA集中化程度
在制定EEA集中化戰(zhàn)略時(shí)，過于落后于行業(yè)就容易被市場競爭淘汰；而過于先進(jìn)，容易超出自身能力可以控制的范疇。車企需要牢記：沒有最好的架構(gòu)，只有最適合自己的架構(gòu)。所以車企需要根據(jù)實(shí)際情況來選定適合的EEA架構(gòu)發(fā)展策略。
首先，對于域集中式EEA，目前各類軟硬件技術(shù)已能夠滿足行業(yè)需求的平均水平，部分供應(yīng)商甚至能夠提供完整的域級(jí)解決方案，大部分車企或多或少都已具備域級(jí)軟硬件的開發(fā)和集成能力。筆者建議所有車企都應(yīng)將EEA至少升級(jí)到此階段，并逐步擺脫對域級(jí)供應(yīng)商的依賴，自主實(shí)現(xiàn)軟硬件垂直集成。
其次，對于跨域集中式EEA，目前在硬件層面，已有多家芯片企業(yè)推出了艙駕一體的芯片，雖然在成本和性能上可以進(jìn)一步優(yōu)化，但也算滿足了基本需求；在軟件層面，艙駕融合所需的OS和中間件技術(shù)，預(yù)計(jì)還需1-2年才能成熟。對于不同企業(yè)來說，傳統(tǒng)車企在車控功能域上有較多積累，而在智駕和座艙上更依賴供應(yīng)商；造車新勢力則在智駕、座艙領(lǐng)域投入較多，相關(guān)能力掌握較強(qiáng)；還有少數(shù)巨頭車企具備全棧自研能力。
因此，筆者建議傳統(tǒng)車企應(yīng)優(yōu)先實(shí)現(xiàn)車控域的跨域集中，艙駕融合可以考慮與供應(yīng)商合作；造車新勢力則應(yīng)優(yōu)先自主開發(fā)艙駕融合的核心方案；而具有全棧自研能力的車企可以選擇走更為靈活的區(qū)域集中路線。
最后，對于中央集中式EEA，目前硬件層面僅有Muti-Box和One-Box的方案趨向成熟，軟件層面要實(shí)現(xiàn)真正的“邏輯-控制分離”還需要很長的發(fā)展期，并且尚無車企能真正將整車軟件整合至一個(gè)大的系統(tǒng)內(nèi)，并將其部署至中央計(jì)算集群上。因此，筆者建議車企不應(yīng)該急于推出“形似神不似”的“中央計(jì)算+區(qū)域控制”架構(gòu)，而是先在跨域融合階段積累軟硬件能力與經(jīng)驗(yàn)，并推進(jìn)下一代架構(gòu)的預(yù)研，等待各方面條件都成熟時(shí)再考慮量產(chǎn)。
2.基于平衡思維設(shè)計(jì)EEA
EEA的設(shè)計(jì)需要做出各種平衡，可以說是追求平衡的藝術(shù)，主要體現(xiàn)在“體驗(yàn)”和“成本”、“現(xiàn)在”和“未來”、“共性”和“個(gè)性”三方面的權(quán)衡上。
對于“體驗(yàn)”來說，EEA提供了計(jì)算和通信的硬件支撐，其技術(shù)的先進(jìn)性決定了用戶體驗(yàn)的上限，但這種先進(jìn)性將造成更高的“成本”。因此，EEA的設(shè)計(jì)切勿盲目堆料，而要根據(jù)品牌定位與目標(biāo)用戶來選擇最優(yōu)性價(jià)比。
“硬件預(yù)留”是平衡“現(xiàn)在”和“未來”的關(guān)鍵。如果預(yù)留多了容易讓消費(fèi)者產(chǎn)生“白花錢”的感覺，而預(yù)留少了將使得汽車后期難以持續(xù)升級(jí)迭代。想要合理預(yù)留就要求架構(gòu)師既能對未來技術(shù)變化有比較精準(zhǔn)的預(yù)測，又能對用戶的接受程度有比較好的把握。
前文已有提及，EEA設(shè)計(jì)應(yīng)能做到跨車型、跨品牌、跨平臺(tái)復(fù)用，從而分?jǐn)偝杀?，這其實(shí)指的是基礎(chǔ)共性功能，當(dāng)然不可能一套配置就滿足所有用戶對功能配置的個(gè)性化需求，所謂千人千面、千車千面。因此，EEA設(shè)計(jì)實(shí)際要做的是努力實(shí)現(xiàn)硬件標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化，同時(shí)打造算力、主干網(wǎng)帶寬、區(qū)域控制器、功能硬件等配置可靈活調(diào)節(jié)的架構(gòu)。
要做好上述平衡，對于架構(gòu)師的要求非常高，既需要了解具體的軟硬件技術(shù)，又要了解用戶需求與業(yè)務(wù)，還要具備強(qiáng)大的抽象化系統(tǒng)思考。這類人才資源極為稀缺。因此，筆者建議各車企下一步要著重招攬或培養(yǎng)這類稀缺的人才。
3.面向中央集中式架構(gòu)推動(dòng)企業(yè)能力與產(chǎn)業(yè)分工變革
目前行業(yè)已經(jīng)處在從EEA 2.5向3.0邁進(jìn)的發(fā)展階段，而面對高度整合、空前復(fù)雜的中央集中式EEA架構(gòu)，只有車企才能主導(dǎo)架構(gòu)的設(shè)計(jì)和資源的協(xié)同，因此車企必須盡快儲(chǔ)備相應(yīng)能力，并及時(shí)調(diào)整分工合作模式，從而實(shí)現(xiàn)整車軟硬件的橫向整合與打通。筆者預(yù)測的理想情況下中央集中式架構(gòu)的產(chǎn)業(yè)分工詳見圖6。
圖6理想情況下中央集中式架構(gòu)的產(chǎn)業(yè)分工
對于“電子電氣器件”，車企應(yīng)主導(dǎo)定義底層功能硬件的標(biāo)準(zhǔn)化接口，至少也要做到與供應(yīng)商聯(lián)合定義，這樣才能實(shí)現(xiàn)軟硬解耦；而供電配電、通信等組件，由于功能相對基礎(chǔ)且單一，車企依賴供應(yīng)商即可；而域控制器、計(jì)算平臺(tái)等核心計(jì)算節(jié)點(diǎn)，考慮到車企很難具備強(qiáng)大的芯片設(shè)計(jì)能力，建議車企與芯片企業(yè)深度綁定或者聯(lián)合研發(fā)，將自己的重心放在集成電路板或機(jī)盒的開發(fā)上。
對于“電子電氣器件的連接關(guān)系”，EEA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須由車企自研或主導(dǎo)設(shè)計(jì)，且必須與軟件架構(gòu)深度協(xié)同，而線束等具體載體只需要借助成熟的供應(yīng)鏈即可。
筆者相信，在符合實(shí)際情況規(guī)劃、平衡設(shè)計(jì)以及合理分工下，企業(yè)將快速推動(dòng)EEA架構(gòu)發(fā)展，進(jìn)而行業(yè)將加速向中央集中式的EEA 3.0進(jìn)化，智能汽車的產(chǎn)品形態(tài)也將迎來新一階段的升華，讓我們共同期待！
