从特斯拉Model 3看整车电子电气架构的趋势

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(参数|图片)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(参数|图片)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。

（来源：BOSCH Engineering）

电子电气架构的挑战

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：

1. ECU的算力不能协同，并相互冗余，产生极大浪费

2. 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

3. 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

4. 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。

（来源：BOSCH Engineering）

奥迪的zFAS

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(参数|图片)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(参数|图片)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。

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。