汽車:移動數(shù)據(jù)中心

Michael Kiener Bruno Nunes-Silva

“單一ECU對應(yīng)單一功能”的模式因無法滿足汽車個性化、使用便捷性的新需求而走到了盡頭。

現(xiàn)代汽車就像是一個移動的數(shù)據(jù)中心，原因在于車輛的電子電氣架構(gòu)正在轉(zhuǎn)型。

一個強大的服務(wù)器架構(gòu)會替代由電子控制單元（ECU）和微控制器組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，為車輛提供所有電子功能。先前車輛上的幾乎每個功能或功能區(qū)域都是通過專用 ECU集成到架構(gòu)之中，這造成了一個多樣化且復(fù)雜化的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不適于進一步的創(chuàng)新，比如汽車成為萬物互聯(lián)（IoT）的一部分。

只要車輛還是“車輪上獨立的網(wǎng)絡(luò)”，獨立ECU的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)就不是問題。但是，如果車輛想為駕乘人員提供數(shù)字服務(wù)、通信和信息娛樂功能，那么就需要全新的電子電氣架構(gòu)。在現(xiàn)有的車輛結(jié)構(gòu)中，我們很難實現(xiàn)跨域的功能整合，也無法通過無線接口與互聯(lián)網(wǎng)或者云端互聯(lián)。無線更新（OTA）只有在特定的功能區(qū)域中才能實現(xiàn)，而如果要大大增加整車的功能范圍，那么通常需要對整車進行改款，甚至是推出新一代的車輛。當(dāng)前的電子電氣架構(gòu)無法滿足駕駛員或消費者對汽車個性化和使用便捷性的要求。這也表明，“單一ECU對應(yīng)單一功能”的模式已經(jīng)走到盡頭。

軟件：車輛的新核心

要實現(xiàn)理想中的發(fā)展趨勢，未來的電子電氣架構(gòu)必須以功能強大的軟件架構(gòu)為中心，以驅(qū)動強大的功能和面向服務(wù)的設(shè)置，而為數(shù)不多的高性能計算單元或服務(wù)器則為必要的功能集成提供了可能性。域控制器作為全新的電子電氣架構(gòu)基本元素，將支持高性能計算單元，用于處理傳感器和執(zhí)行器的輸入/輸出邏輯，以及實時性要求嚴格的功能（圖1）。車身高性能計算單元就是這樣的一個服務(wù)器，它將網(wǎng)關(guān)功能與車身控制器的功能相結(jié)合。車身高性能計算單元作為車內(nèi)的中央數(shù)據(jù)節(jié)點，通過通訊模塊（如車載智能通訊單元或智能天線模塊）與外界連接，車身高性能計算單元也是互聯(lián)服務(wù)的理想主機（圖2）。大陸集團為大眾ID.系列車型開發(fā)了車載應(yīng)用服務(wù)器（ICAS1），是全球首家實現(xiàn)車身高性能計算單元以及相關(guān)軟件量產(chǎn)的供應(yīng)商。在該解決方案中，車身高性能計算單元涵蓋了網(wǎng)關(guān)和車身域控制器功能，并協(xié)調(diào)OTA更新和在線服務(wù)，由于可根據(jù)需要提供更多的算力和存儲量，因此在前期只使用了部分產(chǎn)品能力。車身高性能計算單元提供了內(nèi)存和25 K DMIPS算力-每秒執(zhí)行百萬條整數(shù)處理指令數(shù)——因而可以隨時安裝新的軟件或進行更新。車身高性能計算單元還能協(xié)調(diào)與后端以及后端應(yīng)用程序的連接。隨著電子電氣架構(gòu)的不斷演化，將會有更多的跨域功能的整合。大陸集團的不同的高性能計算單元解決方案，已經(jīng)為未來的應(yīng)用做好準備。

在硬件方面，高性能計算單元包括具有外部存儲器和多核技術(shù)的微處理器。其高速數(shù)據(jù)接口及Hypervisor程序管理技術(shù)可支持虛擬化。該中間件還支持千兆以太網(wǎng)，為各類應(yīng)用提供必要的數(shù)據(jù)吞吐量。通過Elektrobit基于自適應(yīng)AUTOS AR平臺開發(fā)的基礎(chǔ)軟件，高性能計算單元實現(xiàn)了持續(xù)的軟硬件分離，虛擬化（四個虛擬控制單元上的多個操作系統(tǒng)）和功能安全（ASIL和非ASIL），也滿足對新業(yè)務(wù)模式的要求和眾多軟件源的集成?？傮w而言，大陸集團的高性能計算單元分為四個應(yīng)用領(lǐng)域：與駕駛員進行交互的駕駛艙高性能計算單元、調(diào)節(jié)車內(nèi)數(shù)據(jù)流并作為互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全和通信的智能接口的車身高性能計算單元、自動駕駛高性能計算單元，安全高性能計算單元。目前正在開發(fā)第四個應(yīng)用領(lǐng)域，旨在縮小車身域與自動駕駛域之間的差距，并為高級別的ASIL提供功能安全。大陸集團高性能計算單元由公司內(nèi)部獨立研發(fā)并制造，部分功能由子公司Elektrobit （操作系統(tǒng)、虛擬化、OTA和軟件服務(wù)）和Argus（網(wǎng)絡(luò)安全）合力打造。

域控制單元：未來車輛架構(gòu)的基本組成部分

電子電氣架構(gòu)從多個ECU轉(zhuǎn)換到高性能計算單元服務(wù)器架構(gòu)的一個核心駆動因素是引入了域控制器（ZCU，圖3）的新型中間層。域控制器可用于“簡化”現(xiàn)有的電子電氣架構(gòu)，從而減少電子控制單元的數(shù)量和線束的重量。域控制器由高性能計算單元進行管

控。在少量高性能計算單元上所集中的車輛中央計算能力越強，用以確保車輛功能可靠執(zhí)行的域控制器就越重要。域控制器是高性能計算單元和傳感器或執(zhí)行器之間的橋梁。因此，每個域控制器將車輛某個特定區(qū)域中不同域的功能集成在一起，并作為連接中心為設(shè)備提供電源分配及數(shù)據(jù)連接以滿足互聯(lián)服務(wù)的需求。

傳感器、外圍設(shè)備和執(zhí)行器并非直接連接到域控制器，而是連接到本地的一個區(qū)域控制器。域控制器接管其負責(zé)的車輛相應(yīng)區(qū)域的職能。通過這種方式，域控制器就減輕了高性能計算單元的功能性工作，使其能夠?qū)Ｗ⒂谄洹半娮哟竽X”的任務(wù)，用于車輛內(nèi)外的數(shù)據(jù)和功能管理。此外，域控制器執(zhí)行本地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，聚合數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將其傳輸?shù)礁咝阅苡嬎銌卧?。這種設(shè)置讓域控制器可以進行跨域的設(shè)備的控制，而高性能計算單元可以專注于信息的處理。引入域控制器可以將軟件從硬件中“解放”出來，并為“終身學(xué)習(xí)”車輛的持續(xù)更新和改進創(chuàng)造了先決條件。大陸集團提供可縮放的平臺，以滿足不同市場的需求。

自動化軟件工廠：敏捷開發(fā)

然而軟件應(yīng)用和服務(wù)數(shù)量的不斷增加，對于包括合作伙伴和供應(yīng)商在內(nèi)的所有參與者而言，都構(gòu)成了重大的挑戰(zhàn)。因此，大陸集團推出了自動化軟件工廠注重使用敏捷開發(fā)的方法。開發(fā)是一項小規(guī)模的任務(wù)，我們必須有效地協(xié)調(diào)和管理不斷擴展的軟件范圍。為此，大陸集團依靠自動化項目階段性節(jié)點審核和透明指標(biāo)，可持續(xù)實時地評估軟件質(zhì)量，直至源代碼級別。所有與質(zhì)量相關(guān)的信息都可供開發(fā)團隊以及內(nèi)外部利益相關(guān)者使用。有了這種敏捷而自動化的工作模式，軟件在早期開發(fā)階段就具備了高度的成熟性。

敏捷的框架是選擇和調(diào)整開發(fā)方法和項目規(guī)模的基礎(chǔ)。 GitHub作為持續(xù)、無縫軟件審查服務(wù)的開發(fā)平臺，可以集成到 Continental DevOps 產(chǎn)品組合之中。我們可以通過GitHub創(chuàng)建一個自動化渠道，集成諸如 Jira和Grafana等工具來驗證所有的更改。為確保第三方供應(yīng)商的安全集成，DevOps生態(tài)系統(tǒng)還包括標(biāo)準化工具，例如用于監(jiān)控的Prometheus A用于數(shù)據(jù)記錄的Elasticsearch .用于跟蹤問題的Jira、用于文檔編寫管理的Comclunes.用于二進制存儲器 Artifactory.用于應(yīng)用部署管理的 Kubernetes等。我們每天提供二到三個軟件版本，測試也是完全自動化的。如果遵循常規(guī)的開發(fā)過程和人工操作，那么高性能計算單元軟件的開發(fā)范圍和速度就不可能實現(xiàn)。

同時，為了優(yōu)化軟件開發(fā)的基礎(chǔ)流程，大陸集團還建立了大陸協(xié)作門戶。與之前軟件交付、測試和驗證之間的“乒乓匹配”不同，它可以自動執(zhí)行這些過程，并在出現(xiàn)錯誤時恢復(fù)數(shù)據(jù)。這就保證了只有無錯誤的應(yīng)用程序才可以轉(zhuǎn)移至實際的開發(fā)系統(tǒng)中（圖4）。門戶本身是一個安全的、標(biāo)準化的界面，適用于內(nèi)部和外部的所有利益相關(guān)者。用戶可以訪問軟件庫，打開文檔，還可以開發(fā)軟件。該軟件經(jīng)歷了自動測試和預(yù)集成過程。審核通過后加入主線。代碼中的錯誤報告得非常快，并且可以在較短的迭代中進行修復(fù)。通過實現(xiàn)這些流程步驟的自動化，大陸合作門戶能夠與越來越多的內(nèi)外部利益相關(guān)者一起加快軟件開發(fā)，并追求更高質(zhì)量的軟件。

可見，軟件和數(shù)據(jù)將主導(dǎo)未來的汽車，引領(lǐng)汽車生態(tài)系統(tǒng)和汽車行業(yè)的長遠變革。軟件的作用越大，標(biāo)準化的硬件和操作系統(tǒng)就越為重要，這也是高性能計算單元將成為未來車輛電子電氣架構(gòu)標(biāo)準的原因之一。如果說高性能計算單元服務(wù)器概念僅僅是涵蓋目前對于聯(lián)網(wǎng)汽車的需求，那么它并不具有前瞻性。其處理能力和存儲能力均旨在支持新的基于數(shù)據(jù)和服務(wù)的業(yè)務(wù)模式。

總體而言，高性能計算單元是未來車輛的基石——從分布式架構(gòu)向基于服務(wù)器的電子電氣架構(gòu)轉(zhuǎn)變。這有利于實現(xiàn)電子電氣架構(gòu)的整體優(yōu)化，以及在車輛生命周期內(nèi)的功能升級與更新。另一個未來趨勢是將少量且功能強大的跨域高性能計算單元集成到一輛車中，可將車輛功能從一臺服務(wù)器轉(zhuǎn)移到另一臺服務(wù)器，這增加了靈活性以及電子功能的冗余性和可靠性。