车载芯片如何实现车联网？

随着车辆中使用的电子设备更加复杂，以及汽车越来越多地连接到基础设施和彼此之间，这些更新将变得更加规律并影响到汽车内的更多系统。

汽车更新升级越来越复杂，越来越难。为了避免潜在问题，或者进行功能升级，主机厂在整机出厂以后会不定期进行系统升级，但随着汽车搭载的电子器件越来越复杂，而这些器件使用周期往往要超过十年，这显然为汽车更新升级带来了挑战。

现代汽车越来越电子化。事实上，根据麦肯锡公司的数据，应用于现代汽车的电子设备价值预计将在未来十年内翻一番，到2030年将从目前的2380亿美元增长到4690亿美元。

这些以半导体为核心的汽车部件流经复杂且不断变化的供应链。

“汽车OEM供应链正变得越来越复杂。”赛灵思汽车高级总监Willard Tu表示。“以前的线性关系现在已经演变为矩阵系统。例如，一些汽车OEM现在正绕过一级供应商，开发自身的ASIC。此外，通常情况下，为了支持较长的产品生命周期，硬件需要能够使用无线（OTA）通信，并可以现场编程。”

图1 ：复杂且持续变化的现代汽车供应链（图源：Assent Compliance）

电子产品是新型汽车和卡车的主要卖点，这在材料清单上显而易见。不太明显的是这些设备一直在稳步接管设计车辆安全的操作。无论何时在高速公路上使用巡航控制系统，检查仪表盘摄像头时倒车，或被警告有人从盲点接近，电子仪器都会起作用。半导体可以感应、监控、管理和控制车辆中几乎所有操作。

半导体部件由全球各地不同的供应商制造。但是，当发生设计更改时，例如为了提高性能替换处理器，谁负责确保改变不会影响系统甚至整车的可靠性？这显然并没有确切答案。

图2：供应链简化框图（图源：技术理念研究）

电子产品在现代汽车中的应用

为了提高汽车性能、燃油效率、舒适度和整体安全性，现代汽车配置了嵌入式处理器、组件和模块。

新组件可以增加新功能，或改进现有功能。例如，在引入高级辅助驾驶系统（ADAS）之前，传统的巡航控制系统要求驾驶员在刹车后重新激活。如今，大多数豪华汽车配置了自适应巡航控制系统功能，使用雷达监测汽车与前方车辆的距离，并在必要时自动减速。该功能在没有驾驶员干扰的情况下，可以使汽车加速至预设限制。

在不久的将来，至少在高速公路等一些地理围栏区域，消费者可以使用完全自动驾驶。所有这些功能都可以通过嵌入式电子控制器（EEC）执行。对于现代汽车而言，拥有超过100个由汽车级半导体组成的控制器并不少见。如今，汽车中使用的芯片从4位到64位，取决于操作的复杂程度。自动驾驶汽车将使用128位到256位的GPU来执行机器学习。

EEC管理以下设备和功能：

发动机控制单元（ECU），连接至CAN、CAN－FD或FlexRay总线和传感器。ECU控制点火正时、怠速和扭矩管理等多种功能；

ADAS，为驾驶员提供许多便利，例如让汽车保持在车道内，并在行人或移动车辆接近时发出警报；

通过机器学习 （ML） 和人工智能 （AI） 实现自动驾驶；

传感器监控；

防抱死制动系统／防撞系统；

使用智能摄像头和人工智能进行舱内操作；

支持智能手机控制和互连的信息娱乐系统；

电动汽车和动力总成控制；

通过空中或在商店中连接到云执行的诊断功能；

悬架控制模块 （SCM） 可确保最佳车辆高度和最佳悬架，以提供最大的舒适度，以及远程信息处理控制模块 （TCU） 支持车载服务，包括使用 5G、RF、Wi－Fi、卫星导航、无线电和 V2X 通信的无线连接。

图3：嵌入式电子，尤其时半导体，在现代车辆中几乎用于控制所有操作（图源：麦肯锡公司）

此外，根据麦肯锡，汽车软件的复杂性在过去十年增长了四倍，但是软件开发生产力只增长1倍到1．5倍。与传统工业和嵌入式软件相比，汽车产业落后了大约25％至35％。这意味着汽车产业的软件能力滞后于其他嵌入式行业。

图4：汽车软件的复杂性在过去十年增长了四倍（图源：麦肯锡公司）

汽车OEM如何管理更新

先进半导体处理器由数十亿个晶体管组成，而汽车软件有数百万行代码。这么复杂的设计几乎不可能完美无暇。有时，软件和半导体固件及可编程逻辑需要更新。

一些更新是例行的，比如ADAS系统下载新地图。根据美国国家公路交通安全管理居（NHTSA）要求，还需要其他更新来解决安全问题。就像自动驾驶一样，还需要其他更新来提升性能。例如，基于GPU的机器学习系统可能需要连接到知识数据库来提升推理或决策能力。

一般来说，半导体更新是出于以下两个原因之一。第一是错误修复或安全软件修补。另一个是性能增强，如提高信息娱乐系统迁移到LTE Cat9连接的下载速度。这些更新可以通过无线（OTA）技术作为固件或软件完成，或者通过处理器、硬件模块或系统更换来完成。

“半导体会不时进行更新。有些是为了修复错误。”Arteris IP营销副总裁 Kurt Shuler表示。“其他更新将为ADAS系统添加新功能，这些可以完全改变车辆的性能。”

进行更新的基本考虑因素包括收益、成本、时间和工作量。直到最近，汽车行业一直对做出任何改变持谨慎态度。过去，产品的设计周期为 4 到 7 年，预计可以使用 10 到 20 年。变革被认为代价高昂且具有潜在风险。但随着先进汽车电子设备的引入，OEM将增加功能视为获得市场领导地位并避免特斯拉和越来越多的电动汽车初创公司（包括 Rivian、Lucid、Polestar、Nio 和 Nikola）入侵的一种方式。确实有数十家这样的新公司，它们正在迫使现有汽车制造商对变革作出新的思考。

召回经济学

所有这些公司仍然需要谨慎。汽车制造商需要确定更新是否绝对必要，以及实现这一目标最经济的方式是什么。但是电子架构可以提供更快、更便宜的路线，特别是如果更改可以简单地下载到车辆中。

今年早些时候，梅赛德斯－奔驰美国公司宣布召回自 2016 年以来售出的 129 万辆汽车。某些配备自动 汽车紧急呼叫系统的车型可能会在发生碰撞时报告不准确的车辆位置。该公司打算通过无线 （OTA） 或通过其经销商网络提供软件更新。

相比之下，在今年第一季度，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）强制特斯拉召回近135，000辆汽车，原因是媒体控制单元故障导致除霜／除雾系统和外部转向灯无法正常工作。由于连接多个系统，司机无法通过后视镜确认影像。解决这个问题需要更换整个媒体控制单元。

召回的代价很大。除了利润有损失，品牌形象业会受到影响。但是当特斯拉不对车主给与回应时，这件事时容易被大众忽视的。召回时属于厂家计划外的更新。当发现需要紧急召回车辆的问题时，原始设备制造商需要解决问题。如果汽车原始设备制造商（OEM）对有问题的设备负责，那么OEM将承担这个举动带来的费用。如果有问题的设备来自一级供应商，则供应商将承担更新费用。通常，原始设备制造商或供应商有商业保险，最终支付费用。

对于计划的更新，一级供应商会预先同意全年向 OEM提供舱内系统的四个新功能。供应商通常提前签订合同协议，确定所涉及的费用。在这种情况下，OEM可以提前计划并通过OTA或其他方式安排软件／固件的更新。

全面质量管理

最终目标是生产安全可靠、零缺陷的产品，实现利润最大化和负债最小化。为了实现这些目标，汽车原始设备制造商必须确保他们的产品符合安全标准。此外，必须遵守网络安全标准。没有安全性，车辆将永远不会安全，并且安全更新对于任何电子连接设备来说都是永恒的话题。

对于汽车，已经制定了许多标准。他们之中：

ISO 9001（质量保证体系）

ISO／SAE 21434（汽车网络安全标准）

ISO／CD 24089（汽车软件更新要求）

ISO 26262（汽车功能安全标准）

ISO／IEC 27001（信息安全管理体系要求）

MISRA（汽车产业软件可靠性协会）

IATF 16949（汽车质量管理体系国际标准）

AEC－Q100（AEC组织所制订的车用可靠性测试标准）

AEC－Q200（被动元件汽车级品质认证）

UNECE WP．29 规定（联合国欧洲经济委员会［UNECE］关于网络安全）。

“汽车原始设备制造商面临一个很大的挑战是管理软件更新，”Synopsys 汽车事业部汽车安全和安全高级经理 Chris Clark 说。“汽车原始设备制造商必须验证和测试软件更新，以确保它可以在车辆中运行，并且在将车辆安全地部署在道路上之前没有二次副作用。国际标准化组织 （ISO） 目前正在制定新标准 （ISO 24089），以指导汽车制造商进行无线软件更新。整个供应链（从原始设备制造商到一级供应商，再到提供芯片设计工具的公司）协同合作至关重要，需确保在产品使用中遵循网络安全。”

监测过程

所有OEM都有某种类型的企业资源规划 （ERP） 系统。它允许汽车原始设备制造商跟踪整个供应链的所有记录和活动。用于制造车辆的材料在物料清单中清楚列出，其中包括有关每个半导体、电子元件和许可软件的详细信息，以及发布级别、发布日期、供应商信息和规格。所做的任何更改，无论是谁发起的，都必须附有工程更改请求 （ECR） 或产品更改请求 （PCR） 表。执行变更时，需要明确书面的工程变更单 （ECO） 或产品变更单 （PCO） 表格。所有这些信息都必须存储在企业资源计划（ERP系统）中。

如今，全球供应链涵盖了来自世界各地的资源。一级和二级供应商通常雇用分包商来制造他们的部分产品。原始设备制造商需要确保合同协议到位，以确保一级和二级供应商通过满足预定义的规范来交付他们承诺的质量。最后，OEM需要定期对供应商进行审核，以确保每个供应商都处于活跃状态。有时，OEM停止使用的软件是在事后发现的。有了良好的监控过程，这样的意外发现就不会发生。

西门子EDA汽车测试解决方案经理 Lee Harrison 表示：“有一种在汽车设计中跟踪关键IC或处理器IC的方法是为每个硅芯片设置唯一标识。“硬件信任根 （RoT） ID 可以作为制造过程的一部分生成。设备经过全面测试后，将提供ID。它是与用于该特定车辆的设备相关联数据的唯一标识。OEM不仅可以跟踪该关键处理器，而且如果该设备被被盗或黑市设备替换，则可以轻松检测到并采取适当的措施禁用特、功能或拒绝整个设备、CU由车辆。这确保了车辆的安全性和完整性，尤其是当IC用于安全关键系统时。”

但是，情况会变得非常复杂。理解复杂电子设备的性能和完整性与机械部件甚至更简单的半导体有很大不同。有时，跟踪问题的唯一方法是分析传感器生成的数据，机器学习系统需要这些数据。

ClioSoft 市场主管 Simon Rance 表示：“汽车中的许多设计都是高度可配置的，甚至可以根据从传感器获得的数据进行动态配置。” “数据正从这些传感器传回处理器。从车辆到数据中心并返回到车辆的大量数据，所有这些都必须被追踪。如果出现问题，他们必须追踪并找出根本原因。这就是需要填补的地方。”

质量控制

全面质量管理涵盖设计、制造和整个供应链。最终的质量取决于其最薄弱的环节。除了供应链管理之外，入库和出库的组件和模块都需要随时监控。供应商规范应明确规定，任何组件形式、装配或功能更改都必须由供应链（一级、二级、分包商、组件和半导体供应商）报告给 OEM。

两大新兴趋势将对汽车行业产生重大影响。首先，汽车平台将使用更强大的处理器来整合一些嵌入式计算机控制器。例如，不是使用一个平台进行车内操作和一个平台用于信息娱乐，而是一个组合平台将同时执行这两种功能。

机舱内系统具有智能摄像头和人工智能软件，用于监控乘客以提高安全性。当驾驶员视线离开路面或检测到分心驾驶时，车内系统会结合 OEM 人机界面向驾驶员发出警报。具有强大处理器的大型平台的另一个额外好处是，它将部分处理负担从软件转移到硬件，从而减少了组件的使用。

“在未来的汽车计算架构设计中，速度更快的 FPGA 和图形处理器单元 （GPU） 将用于为机器学习提供更快的计算功能。随着处理器变得更快、更强大，更多的嵌入式电子设备将被整合。OTA 将为未来的半导体更新提供更好的途径，”Veoneer 产品总监 Tom Herbert 表示，该公司制造用于乘员保护的车内系统。

第二个趋势是汽车和移动技术的融合。“随着包括 Wi－Fi、5G、RF、卫星和 V2X 在内的无线技术的进步，车辆将变得更加互联。然而，来自消费者方面的移动技术的发展速度比汽车同行快得多，”Qorvo 运输业务部总经理 Gorden Cook 表示。

除非汽车行业迅速调整，否则汽车可能会落后于消费者的需求。例如，管理信息娱乐系统的汽车远程信息处理控制单元 （TCU） 的发展速度比消费移动产品慢。典型的新汽车平台开发，无论是用于车内还是信息娱乐，大约需要 4 到 7 年，而消费者对应的则可能需要 2 到 3 年。此外，智能手机供应商经常通过无线 （OTA） 方式向用户发送操作系统更新。任何智能手机用户都知道如何进行更新。但对于汽车来说，情况就不同了。如今，汽车OTA的更新仍处于起步阶段。随着时间的推移，预计汽车行业会在消费者的反馈中确定改进方向。  

总结

更新存在多种形式，发生的原因也各不相同。但是，随着车辆中使用的电子设备更加复杂，以及汽车越来越多地连接到基础设施和彼此之间，这些更新将变得更加规律并影响到汽车内的更多系统。

修复和更新具有经济、安全和品牌认知影响，并且延伸到全球供应链，其中包括可能在特定部件的预期生命周期内的某个时间被收购或倒闭的初创公司。这使得供应链的管理更具挑战性，最终可能会迫使汽车制造商拆除一些在设计、生产和维修之间存在多年的壁垒。在这个日益电子化的汽车世界中，产品迭代线变得不那么清晰，需要更频繁地进行更改。