软件驱动的大趋势塑造汽车行业

软件驱动的巨浪塑造汽车工业 研究员霍奇森 CONTENTS 汽车2 概述2 优点2 技术3 和使用CASES4 自主驾驶7 概述7 优点7 技术8 APPLICATIONS9 ELECTRIFICATION11 概述11 优点11 密钥启用技术12 KEYAPPLICATIONS13 INTRODUCTION 汽车行业正处于技术驱动的革命过程中，这不仅将提高个人交通的安全性和可持续性，而且还将改变消费者与车辆和原始设备的互动方式 制造商(OEM)品牌背后。在未来10年中，三大汽车技术趋势——自动驾驶、电气化和软件定义车辆(SDV)——的同时推出将结合起来，提供新的移动应用和车内体验，远远超出迄今为止机械定义的内燃机(ICE)动力车辆的可能性。 实现这三个大趋势是一个重大挑战，要求汽车制造商投资于一系列新的支持技术，从高性能计算到超可靠的连接和人工智能(AI)。与大多数这些新的启用技术需要专业知识越来越远离传统的机械工程汽车技能。 即使在汽车行业已经开发并部署了必要的技术来实现电动，自动和软件定义的车辆之后，OEM仍将发现自己处于一个新的现实中，其中其长期的传统差异在于ICE的改进和可靠性，燃油效率和整体驾驶感不再相关。汽车制造商必须塑造他们的。 未来的品牌标识通过独特的软件定义的功能在数字驾驶舱，自动驾驶和电气化的移动领域，或通过应用程序，利用存在于这些领域的机会。 鉴于当前的汽车工程专业知识与以软件为中心的专业知识之间的鸿沟，这些专业知识是在自主、电气化和软件定义的未来中实现和发展所需的，汽车制造商必须依靠内部投资，第三方解决方案以及与现有巨头在软件定义的专业知识方面的合作伙伴关系，在所有权，外包和合作伙伴关系之间的最佳平衡因每个汽车品牌而异。 软件定义的汽车 概述 车辆中软件定义功能的概念远非新概念，自ICE采用燃油喷射以来，软件已取代机械过程和应用。实际上，即使是今天的普通乘用车，软件的数量也通常可以在50到1亿行代码之间进行测量。然而，未来的软件定义车辆将与今天的车辆明显不同，单独的软件定义功能将被SDV取代，车辆的整个价值主张在软件领域得到塑造和重塑。修剪和甚至模型之间的区别将不再通过多次硬件迭代来实现，而是通过更标准化的硬件平台的软件内容来实现。 优点 持续集成和持续交付(CICD) 将软件创新和部署与新模型发布联系起来的历史性方法导致了新的软件定义应用程序的开发与其在市场中的部署之间的明显滞后。这导致过时的用户体验，特别是当与消费电子领域定义的最新技术相比时。 因此，SDV中的软件开发和硬件开发将使软件创新更快地上市，从而结束汽车行业因过时的用户体验而臭名昭著的声誉。 最小化硬件复杂性 在硬件中定义车辆的价值主张意味着针对每种装饰和定义的价值主张运输和操作不同的硬件配置。通过围绕软件构建车辆体验，即使是整个OEM品牌，也需要更少的硬件平台，从而降低了复杂性和成本。将当今庞大的100多个电子控制单元(ECU)架构整合到更高性能的计算集群(域或区域控制器)中，可以降低每个模型的复杂性，从而最大限度地降低线束的成本和重量。 生命周期管理 硬件定义的车辆在其整个生命周期中保持静态，其功能与首次在销售点交付的功能相同。由于软件可以通过空中(OTA)进行维护和升级，因此在软件中定义的车辆可以在售后多年进行维护和升级。OTA错误修复和补丁可帮助OEM避免昂贵的物理召回，并保持其车辆在道路上的生命周期中可能出现的新的网络安全威胁。 此外，有了多余的计算资源和其他硬件形式的适当的“净空”，即使在车辆首次发货多年后，OEM也可以使用OTA软件更新来添加新功能。这为汽车制造商提供了在新车销售之外建立新收入来源的机会。例如，通用汽车（GM）表示，到2030年，软件和服务的收入将在200亿美元至250亿美元之间，而Stellatis的预期在同一年达到200亿欧元。 图表1：具有功能性OTA能力的车辆运输 80 70 60 50 (百万) 40 30 20 10 20202021202220232024202520262027202820292030 0 （来源：ABIResearch） 北美亚太西欧世界其他地区 关键启用技术 从单个领域中的软件定义功能到真正的软件定义车辆的过渡需要从一套新的启用技术构建的车辆架构进行彻底的转变。 域控制器和区域体系结构 当前的汽车架构由在平面拓扑中组织并通过控制器局域网(CAN)总线连接的ECU定义。添加到车辆的每个新的软件定义功能实际上都需要将新的ECU连接到CAN总线。在SDV架构中,电气/电子(E/E)架构围绕通过高带宽 、低延迟和安全联网协议连接的高性能计算集群形成。 高性能、异构计算 将多个ECU的任务整合到性能更高的计算集群中需要从微控制器单元(MCU)转向高性能和高能效的片上系统 (SoC)。SDV需要支持的各种软件任务也将推动采用具有中央处理单元(CPU)的异构计算平台。图形处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)和神经网络加速(NNA)内核。 高带宽、低延迟计算 联网高性能计算集群将需要新的网络协议，如以太网和PCIe，以提供所需的带宽和延迟。 网络安全、中间件和虚拟机管理程序 将当前驻留在单独设备上的软件和应用程序整合到集中式计算集群中需要采用软件“管道”，例如使第三方开发人员能够与车辆资源接口的中间件，以及将关键任务与非关键任务功能隔离的管理程序。 无处不在的连通性 为了维护和更新嵌入式软件，以及从云中流式传输内容和服务，SDV需要持续的蜂窝连接。蜂窝网络在带宽 、延迟和可靠性方面不断发展，在信息娱乐和自动驾驶领域开辟了新的应用。例如，下载方面的改进 速度可以实现高分辨率内容流传输，而更快的延迟和更高的可靠性可以为自动驾驶车辆的协作感知和机动提供动力。 关键应用和使用案例 软件定义汽车的关键应用程序可以分为两组。首先，新的用户体验和驾驶功能可以通过不同车辆领域的数字化来实现，例如驾驶舱，电动传动系统和驾驶员辅助/自动驾驶。其次，通过维护和升级这些软件定义的域，出现了新的商业模式。对于汽车制造商来说，这些新的商业模式代表了与连接企业成正比的额外收入来源。 汽车已经上路，减少了它们在新车销售市场波动中的风险。 从消费者的角度来看，定期的OTA更新会使车辆具有动态且不断发展的价值主张，从而使消费者的汽车在整个生命周期中保持新鲜和最新。 自动驾驶和电气化技术的大趋势在本文的专门部分中进行了讨论，因此本节的其余部分将集中在软件定义的驾驶舱用例上。 丰富的多媒体-软件定义的音频和沉浸式视频 凭借具有众多大型和高分辨率显示器的客舱以及强大的多扬声器高级音频系统，新的软件定义的客舱体验通常遵循在家庭，智能手机和其他消费电子产品中部署的体验。然而，汽车环境具有适应驾驶员分心的独特因素，这已经塑造了迄今为止获得牵引力的应用，以及那些预计将在中期占据主导地位的应用。 软件定义的音频包括强大的EQ整形机会，以及用于创建人工音频环境的脉冲响应技术，是短期内的关键应用 ，因为它提供了驾驶员在安全移动时可以欣赏的体验的重大升级。 更丰富，更身临其境的视频将通过集成常用的流媒体服务，利用大型，高分辨率的显示器和强大的音频系统来提供身临其境的媒体体验，超过了引入的设备。适用于多种视频格式和数字版权管理（DRM）的中间件将允许内容从云中流式传输，在车辆中并从引入的设备镜像。 在短期内,由于分散注意力,沉浸式多媒体的市场潜力将限于面向乘客的显示器,特别是在后排座椅中。然而,在平均车辆占用率仅为1.3人的情况下,视频内容的实际消耗将是最小的。从中期来看，电气化将使DC快速充电站停止30分钟成为半常规现象。在静止时，驾驶员将能够享受身临其境的媒体，例如视频，在这些情况下，软件定义的媒体体验可以使充电会话对驾驶员来说不那么艰巨。 从长远来看，部分和完全自动化将开始消除分心问题，允许更经常地接触沉浸式媒体，如视频流。 游戏 与车载视频类似，游戏是一种通常在家中享受的体验，但现在将越来越多地出现在车辆中。随着SDV客舱具有更多塑造家庭的技术，包括大型，高分辨率和高频显示器，以及强大的多扬声器音频，游戏有望从家庭过渡到下一代联网汽车。鉴于流畅的游戏体验所需的快速响应时间，5G甚至边缘云计算被认为是关键的推动因素，特别是在移动和高速游戏时。 与车载视频一样，分心的担忧将限制车载游戏对乘客的采用以及至少未来5年的收费会议，自动化是更广泛使用的关键。 AI个人助理 由于人们对分散注意力的担忧影响了短期到中期可以支持的体验，语音控制已成为一种流行的用户界面，允许驾驶员与车辆功能进行交互，而无需将视线从道路上移开或将手从方向盘上移开。 此外，人工智能驱动的自然语言理解使交互变得更多对话，也减少了认知负荷。 当前的系统以“唤醒词”原理运行，要求驾驶员激活助手并参与车辆功能。未来的系统将更加主动，语音接口仅作为更广泛的AI个人助手解决方案的一部分，该解决方案将从内部和外部传感器获取数据，以使驾驶员意识到发展中的情况。 车内商务 上面讨论的应用和用例都依赖于一组常见的硬件-显示器，多扬声器音频，强大的SoC，机舱内麦克风和高带宽连接，通过软件提供高度独特的体验。这为OEM提供了以多种不同方式提供这些应用程序和其他应用程序的机会，无论是在工厂，在销售点/经销商处，还是在车辆已部署在道路上之后，主机单元都为驾驶员提供了最佳接口以添加这些临时功能。 潜在的商业模式包括通过头部单元购买的保持永久可用的新功能的一次性交易，按需购买临时可用的功能，例如长途旅行中的高速公路自动化功能，或订阅模式，只要消费者续订服务，用户就可以访问功能。 实现集成和安全的支付也将为车载购买其他商品和服务提供机会，以车辆为中心的购买，如燃料、充电、通行费和停车，预计将获得最大的吸引力。 增强现实 从长远来看，将塑造汽车客舱的另一个软件定义功能是增强现实（AR）。这些功能采用叠加的形式，将车辆周围的现实与元数据融合在一起，使驾驶员和乘客对环境有丰富的了解。 当与将内容投射到挡风玻璃上的专业硬件相结合时，AR平视显示器（AR-HUD）可以使驾驶员能够继续专注于道路，同时仍然接收需要将注意力转移到另一个显示器上的信息。 作为固有的交互式显示器，AR-HUD可以以最小的认知负荷向驾驶员传递关键信息。这在半自主车辆环境中可能非常有价值，其中基于AR的人机界面（HMI）可以帮助管理半自主系统功能与人类副驾驶之间的交互，以易于消化的方式传达意图和感知系统，仍然允许驾驶员观察外部环境。 自主驾驶 概述 驾驶任务可能是重复和艰巨的，并且在大多数情况下，人类并不擅长安全地执行这些任务。自动化驾驶任务可以提高安全性，同时还可以回馈当前手动车辆操作所消耗的时间，从而提供社会和个人优势的组合。 优点 安全（SAE1级-短期） 即使适度、低成本和广泛采用的车辆自动化水平也可以带来显著的安全优势。主动安全应用不会取代驾驶任务，但会通过障碍物检测和防撞干预来补充驾驶员的能力。虽然驾驶员可能会感到疲劳或分心，但主动安全系统会继续在其指定的操作参数范围内提供服务。 回收时间（3级和4级-中长期） SAE1级主动安全系统为驾驶员提供纵向或横向辅助系统,而SAE2级系统为驾驶员提供纵向和横向辅助的组合,但仍需要驾驶员不断监督其操作。 在更高级别的自动化(SAE3级和4级)中,驾驶员可以脱离驾驶任务,其中脱离程度对应于每个半自主实施的操作设计域(ODD)。告知这些ODs的因素包括地理、道路类型、天气、法规和环境照明。只要驾驶员可以脱离接触，他们就可以有效地收回执行驾驶任务或监督能力较弱的系统所消耗的时间。 这个回收的时间可以用于娱乐，休息和放松，或生产力。 可持续性（Robotaxis-中长期） Inthelongterm,whenalldrivingtaskscanbeautomatedinabroadoperational