車載芯片如何影響汽車更新升級(jí)

隨著車輛中使用的電子設(shè)備更加復(fù)雜，以及汽車越來越多地連接到基礎(chǔ)設(shè)施和彼此之間，這些更新將變得更加規(guī)律并影響到汽車內(nèi)的更多系統(tǒng)。

汽車更新升級(jí)越來越復(fù)雜，越來越難。為了避免潛在問題，或者進(jìn)行功能升級(jí)，主機(jī)廠在整機(jī)出廠以后會(huì)不定期進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，但隨著汽車搭載的電子器件越來越復(fù)雜，而這些器件使用周期往往要超過十年，這顯然為汽車更新升級(jí)帶來了挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代汽車越來越電子化。事實(shí)上，根據(jù)麥肯錫公司的數(shù)據(jù)，應(yīng)用于現(xiàn)代汽車的電子設(shè)備價(jià)值預(yù)計(jì)將在未來十年內(nèi)翻一番，到2030年將從目前的2380億美元增長(zhǎng)到4690億美元。

這些以半導(dǎo)體為核心的汽車部件流經(jīng)復(fù)雜且不斷變化的供應(yīng)鏈。

“汽車OEM供應(yīng)鏈正變得越來越復(fù)雜?！辟愳`思汽車高級(jí)總監(jiān)Willard Tu表示?！耙郧暗木€性關(guān)系現(xiàn)在已經(jīng)演變?yōu)榫仃囅到y(tǒng)。例如，一些汽車OEM現(xiàn)在正繞過一級(jí)供應(yīng)商，開發(fā)自身的ASIC。此外，通常情況下，為了支持較長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期，硬件需要能夠使用無線（OTA）通信，并可以現(xiàn)場(chǎng)編程?！?

圖1 ：復(fù)雜且持續(xù)變化的現(xiàn)代汽車供應(yīng)鏈（圖源：Assent Compliance）

電子產(chǎn)品是新型汽車和卡車的主要賣點(diǎn)，這在材料清單上顯而易見。不太明顯的是這些設(shè)備一直在穩(wěn)步接管設(shè)計(jì)車輛安全的操作。無論何時(shí)在高速公路上使用巡航控制系統(tǒng)，檢查儀表盤攝像頭時(shí)倒車，或被警告有人從盲點(diǎn)接近，電子儀器都會(huì)起作用。半導(dǎo)體可以感應(yīng)、監(jiān)控、管理和控制車輛中幾乎所有操作。

半導(dǎo)體部件由全球各地不同的供應(yīng)商制造。但是，當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)更改時(shí)，例如為了提高性能替換處理器，誰負(fù)責(zé)確保改變不會(huì)影響系統(tǒng)甚至整車的可靠性？這顯然并沒有確切答案。

圖2：供應(yīng)鏈簡(jiǎn)化框圖（圖源：技術(shù)理念研究）

電子產(chǎn)品在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用

為了提高汽車性能、燃油效率、舒適度和整體安全性，現(xiàn)代汽車配置了嵌入式處理器、組件和模塊。

新組件可以增加新功能，或改進(jìn)現(xiàn)有功能。例如，在引入高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）之前，傳統(tǒng)的巡航控制系統(tǒng)要求駕駛員在剎車后重新激活。如今，大多數(shù)豪華汽車配置了自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)功能，使用雷達(dá)監(jiān)測(cè)汽車與前方車輛的距離，并在必要時(shí)自動(dòng)減速。該功能在沒有駕駛員干擾的情況下，可以使汽車加速至預(yù)設(shè)限制。

在不久的將來，至少在高速公路等一些地理圍欄區(qū)域，消費(fèi)者可以使用完全自動(dòng)駕駛。所有這些功能都可以通過嵌入式電子控制器（EEC）執(zhí)行。對(duì)于現(xiàn)代汽車而言，擁有超過100個(gè)由汽車級(jí)半導(dǎo)體組成的控制器并不少見。如今，汽車中使用的芯片從4位到64位，取決于操作的復(fù)雜程度。自動(dòng)駕駛汽車將使用128位到256位的GPU來執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)。

EEC管理以下設(shè)備和功能：

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU），連接至CAN、CAN-FD或FlexRay總線和傳感器。ECU控制點(diǎn)火正時(shí)、怠速和扭矩管理等多種功能；

ADAS，為駕駛員提供許多便利，例如讓汽車保持在車道內(nèi)，并在行人或移動(dòng)車輛接近時(shí)發(fā)出警報(bào)；

通過機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 和人工智能 (AI) 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛；

傳感器監(jiān)控；

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)/防撞系統(tǒng)；

使用智能攝像頭和人工智能進(jìn)行艙內(nèi)操作；

支持智能手機(jī)控制和互連的信息娛樂系統(tǒng)；

電動(dòng)汽車和動(dòng)力總成控制；

通過空中或在商店中連接到云執(zhí)行的診斷功能；

懸架控制模塊 (SCM) 可確保最佳車輛高度和最佳懸架，以提供最大的舒適度，以及遠(yuǎn)程信息處理控制模塊 (TCU) 支持車載服務(wù)，包括使用 5G、RF、Wi-Fi、衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電和 V2X 通信的無線連接。

圖3：嵌入式電子，尤其時(shí)半導(dǎo)體，在現(xiàn)代車輛中幾乎用于控制所有操作（圖源：麥肯錫公司）

此外，根據(jù)麥肯錫，汽車軟件的復(fù)雜性在過去十年增長(zhǎng)了四倍，但是軟件開發(fā)生產(chǎn)力只增長(zhǎng)1倍到1.5倍。與傳統(tǒng)工業(yè)和嵌入式軟件相比，汽車產(chǎn)業(yè)落后了大約25%至35%。這意味著汽車產(chǎn)業(yè)的軟件能力滯后于其他嵌入式行業(yè)。

圖4：汽車軟件的復(fù)雜性在過去十年增長(zhǎng)了四倍（圖源：麥肯錫公司）

汽車OEM如何管理更新

先進(jìn)半導(dǎo)體處理器由數(shù)十億個(gè)晶體管組成，而汽車軟件有數(shù)百萬行代碼。這么復(fù)雜的設(shè)計(jì)幾乎不可能完美無暇。有時(shí)，軟件和半導(dǎo)體固件及可編程邏輯需要更新。

一些更新是例行的，比如ADAS系統(tǒng)下載新地圖。根據(jù)美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理居（NHTSA）要求，還需要其他更新來解決安全問題。就像自動(dòng)駕駛一樣，還需要其他更新來提升性能。例如，基于GPU的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)可能需要連接到知識(shí)數(shù)據(jù)庫來提升推理或決策能力。

一般來說，半導(dǎo)體更新是出于以下兩個(gè)原因之一。第一是錯(cuò)誤修復(fù)或安全軟件修補(bǔ)。另一個(gè)是性能增強(qiáng)，如提高信息娛樂系統(tǒng)遷移到LTE Cat9連接的下載速度。這些更新可以通過無線（OTA）技術(shù)作為固件或軟件完成，或者通過處理器、硬件模塊或系統(tǒng)更換來完成。

“半導(dǎo)體會(huì)不時(shí)進(jìn)行更新。有些是為了修復(fù)錯(cuò)誤?！盇rteris IP營(yíng)銷副總裁 Kurt Shuler表示?！捌渌聦锳DAS系統(tǒng)添加新功能，這些可以完全改變車輛的性能。”

進(jìn)行更新的基本考慮因素包括收益、成本、時(shí)間和工作量。直到最近，汽車行業(yè)一直對(duì)做出任何改變持謹(jǐn)慎態(tài)度。過去，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期為 4 到 7 年，預(yù)計(jì)可以使用 10 到 20 年。變革被認(rèn)為代價(jià)高昂且具有潛在風(fēng)險(xiǎn)。但隨著先進(jìn)汽車電子設(shè)備的引入，OEM將增加功能視為獲得市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位并避免特斯拉和越來越多的電動(dòng)汽車初創(chuàng)公司（包括 Rivian、Lucid、Polestar、Nio 和 Nikola）入侵的一種方式。確實(shí)有數(shù)十家這樣的新公司，它們正在迫使現(xiàn)有汽車制造商對(duì)變革作出新的思考。

召回經(jīng)濟(jì)學(xué)

所有這些公司仍然需要謹(jǐn)慎。汽車制造商需要確定更新是否絕對(duì)必要，以及實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最經(jīng)濟(jì)的方式是什么。但是電子架構(gòu)可以提供更快、更便宜的路線，特別是如果更改可以簡(jiǎn)單地下載到車輛中。

今年早些時(shí)候，梅賽德斯-奔馳美國(guó)公司宣布召回自 2016 年以來售出的 129 萬輛汽車。某些配備自動(dòng) 汽車緊急呼叫系統(tǒng)的車型可能會(huì)在發(fā)生碰撞時(shí)報(bào)告不準(zhǔn)確的車輛位置。該公司打算通過無線 (OTA) 或通過其經(jīng)銷商網(wǎng)絡(luò)提供軟件更新。

相比之下，在今年第一季度，美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)強(qiáng)制特斯拉召回近135,000輛汽車，原因是媒體控制單元故障導(dǎo)致除霜/除霧系統(tǒng)和外部轉(zhuǎn)向燈無法正常工作。由于連接多個(gè)系統(tǒng)，司機(jī)無法通過后視鏡確認(rèn)影像。解決這個(gè)問題需要更換整個(gè)媒體控制單元。

召回的代價(jià)很大。除了利潤(rùn)有損失，品牌形象業(yè)會(huì)受到影響。但是當(dāng)特斯拉不對(duì)車主給與回應(yīng)時(shí)，這件事時(shí)容易被大眾忽視的。召回時(shí)屬于廠家計(jì)劃外的更新。當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要緊急召回車輛的問題時(shí)，原始設(shè)備制造商需要解決問題。如果汽車原始設(shè)備制造商（OEM）對(duì)有問題的設(shè)備負(fù)責(zé)，那么OEM將承擔(dān)這個(gè)舉動(dòng)帶來的費(fèi)用。如果有問題的設(shè)備來自一級(jí)供應(yīng)商，則供應(yīng)商將承擔(dān)更新費(fèi)用。通常，原始設(shè)備制造商或供應(yīng)商有商業(yè)保險(xiǎn)，最終支付費(fèi)用。

對(duì)于計(jì)劃的更新，一級(jí)供應(yīng)商會(huì)預(yù)先同意全年向 OEM提供艙內(nèi)系統(tǒng)的四個(gè)新功能。供應(yīng)商通常提前簽訂合同協(xié)議，確定所涉及的費(fèi)用。在這種情況下，OEM可以提前計(jì)劃并通過OTA或其他方式安排軟件/固件的更新。

全面質(zhì)量管理

最終目標(biāo)是生產(chǎn)安全可靠、零缺陷的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化和負(fù)債最小化。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，汽車原始設(shè)備制造商必須確保他們的產(chǎn)品符合安全標(biāo)準(zhǔn)。此外，必須遵守網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)。沒有安全性，車輛將永遠(yuǎn)不會(huì)安全，并且安全更新對(duì)于任何電子連接設(shè)備來說都是永恒的話題。

對(duì)于汽車，已經(jīng)制定了許多標(biāo)準(zhǔn)。他們之中：

• ISO 9001（質(zhì)量保證體系）

• ISO/SAE 21434（汽車網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)）

• ISO/CD 24089（汽車軟件更新要求）

• ISO 26262（汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)）

• ISO/IEC 27001（信息安全管理體系要求）

• MISRA（汽車產(chǎn)業(yè)軟件可靠性協(xié)會(huì)）

• IATF 16949（汽車質(zhì)量管理體系國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）

• AEC-Q100（AEC組織所制訂的車用可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)）

• AEC-Q200（被動(dòng)元件汽車級(jí)品質(zhì)認(rèn)證）

• UNECE WP.29 規(guī)定（聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)[UNECE]關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全）。

“汽車原始設(shè)備制造商面臨一個(gè)很大的挑戰(zhàn)是管理軟件更新，”Synopsys 汽車事業(yè)部汽車安全和安全高級(jí)經(jīng)理 Chris Clark 說。“汽車原始設(shè)備制造商必須驗(yàn)證和測(cè)試軟件更新，以確保它可以在車輛中運(yùn)行，并且在將車輛安全地部署在道路上之前沒有二次副作用。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 目前正在制定新標(biāo)準(zhǔn) (ISO 24089)，以指導(dǎo)汽車制造商進(jìn)行無線軟件更新。整個(gè)供應(yīng)鏈（從原始設(shè)備制造商到一級(jí)供應(yīng)商，再到提供芯片設(shè)計(jì)工具的公司）協(xié)同合作至關(guān)重要，需確保在產(chǎn)品使用中遵循網(wǎng)絡(luò)安全?！?

監(jiān)測(cè)過程

所有OEM都有某種類型的企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 系統(tǒng)。它允許汽車原始設(shè)備制造商跟蹤整個(gè)供應(yīng)鏈的所有記錄和活動(dòng)。用于制造車輛的材料在物料清單中清楚列出，其中包括有關(guān)每個(gè)半導(dǎo)體、電子元件和許可軟件的詳細(xì)信息，以及發(fā)布級(jí)別、發(fā)布日期、供應(yīng)商信息和規(guī)格。所做的任何更改，無論是誰發(fā)起的，都必須附有工程更改請(qǐng)求 (ECR) 或產(chǎn)品更改請(qǐng)求 (PCR) 表。執(zhí)行變更時(shí)，需要明確書面的工程變更單 (ECO) 或產(chǎn)品變更單 (PCO) 表格。所有這些信息都必須存儲(chǔ)在企業(yè)資源計(jì)劃（ERP系統(tǒng)）中。

如今，全球供應(yīng)鏈涵蓋了來自世界各地的資源。一級(jí)和二級(jí)供應(yīng)商通常雇用分包商來制造他們的部分產(chǎn)品。原始設(shè)備制造商需要確保合同協(xié)議到位，以確保一級(jí)和二級(jí)供應(yīng)商通過滿足預(yù)定義的規(guī)范來交付他們承諾的質(zhì)量。最后，OEM需要定期對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行審核，以確保每個(gè)供應(yīng)商都處于活躍狀態(tài)。有時(shí)，OEM停止使用的軟件是在事后發(fā)現(xiàn)的。有了良好的監(jiān)控過程，這樣的意外發(fā)現(xiàn)就不會(huì)發(fā)生。

西門子EDA汽車測(cè)試解決方案經(jīng)理 Lee Harrison 表示：“有一種在汽車設(shè)計(jì)中跟蹤關(guān)鍵IC或處理器IC的方法是為每個(gè)硅芯片設(shè)置唯一標(biāo)識(shí)?！坝布湃胃?(RoT) ID 可以作為制造過程的一部分生成。設(shè)備經(jīng)過全面測(cè)試后，將提供ID。它是與用于該特定車輛的設(shè)備相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識(shí)。OEM不僅可以跟蹤該關(guān)鍵處理器，而且如果該設(shè)備被被盜或黑市設(shè)備替換，則可以輕松檢測(cè)到并采取適當(dāng)?shù)拇胧┙锰?、功能或拒絕整個(gè)設(shè)備、CU由車輛。這確保了車輛的安全性和完整性，尤其是當(dāng)IC用于安全關(guān)鍵系統(tǒng)時(shí)?！?

但是，情況會(huì)變得非常復(fù)雜。理解復(fù)雜電子設(shè)備的性能和完整性與機(jī)械部件甚至更簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體有很大不同。有時(shí)，跟蹤問題的唯一方法是分析傳感器生成的數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)需要這些數(shù)據(jù)。

ClioSoft 市場(chǎng)主管 Simon Rance 表示：“汽車中的許多設(shè)計(jì)都是高度可配置的，甚至可以根據(jù)從傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置?！?“數(shù)據(jù)正從這些傳感器傳回處理器。從車輛到數(shù)據(jù)中心并返回到車輛的大量數(shù)據(jù)，所有這些都必須被追蹤。如果出現(xiàn)問題，他們必須追蹤并找出根本原因。這就是需要填補(bǔ)的地方?！?

質(zhì)量控制

全面質(zhì)量管理涵蓋設(shè)計(jì)、制造和整個(gè)供應(yīng)鏈。最終的質(zhì)量取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)。除了供應(yīng)鏈管理之外，入庫和出庫的組件和模塊都需要隨時(shí)監(jiān)控。供應(yīng)商規(guī)范應(yīng)明確規(guī)定，任何組件形式、裝配或功能更改都必須由供應(yīng)鏈（一級(jí)、二級(jí)、分包商、組件和半導(dǎo)體供應(yīng)商）報(bào)告給 OEM。

兩大新興趨勢(shì)將對(duì)汽車行業(yè)產(chǎn)生重大影響。首先，汽車平臺(tái)將使用更強(qiáng)大的處理器來整合一些嵌入式計(jì)算機(jī)控制器。例如，不是使用一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行車內(nèi)操作和一個(gè)平臺(tái)用于信息娛樂，而是一個(gè)組合平臺(tái)將同時(shí)執(zhí)行這兩種功能。

機(jī)艙內(nèi)系統(tǒng)具有智能攝像頭和人工智能軟件，用于監(jiān)控乘客以提高安全性。當(dāng)駕駛員視線離開路面或檢測(cè)到分心駕駛時(shí)，車內(nèi)系統(tǒng)會(huì)結(jié)合 OEM 人機(jī)界面向駕駛員發(fā)出警報(bào)。具有強(qiáng)大處理器的大型平臺(tái)的另一個(gè)額外好處是，它將部分處理負(fù)擔(dān)從軟件轉(zhuǎn)移到硬件，從而減少了組件的使用。

“在未來的汽車計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)中，速度更快的 FPGA 和圖形處理器單元 (GPU) 將用于為機(jī)器學(xué)習(xí)提供更快的計(jì)算功能。隨著處理器變得更快、更強(qiáng)大，更多的嵌入式電子設(shè)備將被整合。OTA 將為未來的半導(dǎo)體更新提供更好的途徑，”Veoneer 產(chǎn)品總監(jiān) Tom Herbert 表示，該公司制造用于乘員保護(hù)的車內(nèi)系統(tǒng)。

第二個(gè)趨勢(shì)是汽車和移動(dòng)技術(shù)的融合。“隨著包括 Wi-Fi、5G、RF、衛(wèi)星和 V2X 在內(nèi)的無線技術(shù)的進(jìn)步，車輛將變得更加互聯(lián)。然而，來自消費(fèi)者方面的移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展速度比汽車同行快得多，”Qorvo 運(yùn)輸業(yè)務(wù)部總經(jīng)理 Gorden Cook 表示。

除非汽車行業(yè)迅速調(diào)整，否則汽車可能會(huì)落后于消費(fèi)者的需求。例如，管理信息娛樂系統(tǒng)的汽車遠(yuǎn)程信息處理控制單元 (TCU) 的發(fā)展速度比消費(fèi)移動(dòng)產(chǎn)品慢。典型的新汽車平臺(tái)開發(fā)，無論是用于車內(nèi)還是信息娛樂，大約需要 4 到 7 年，而消費(fèi)者對(duì)應(yīng)的則可能需要 2 到 3 年。此外，智能手機(jī)供應(yīng)商經(jīng)常通過無線 (OTA) 方式向用戶發(fā)送操作系統(tǒng)更新。任何智能手機(jī)用戶都知道如何進(jìn)行更新。但對(duì)于汽車來說，情況就不同了。如今，汽車OTA的更新仍處于起步階段。隨著時(shí)間的推移，預(yù)計(jì)汽車行業(yè)會(huì)在消費(fèi)者的反饋中確定改進(jìn)方向。

總結(jié)

更新存在多種形式，發(fā)生的原因也各不相同。但是，隨著車輛中使用的電子設(shè)備更加復(fù)雜，以及汽車越來越多地連接到基礎(chǔ)設(shè)施和彼此之間，這些更新將變得更加規(guī)律并影響到汽車內(nèi)的更多系統(tǒng)。

修復(fù)和更新具有經(jīng)濟(jì)、安全和品牌認(rèn)知影響，并且延伸到全球供應(yīng)鏈，其中包括可能在特定部件的預(yù)期生命周期內(nèi)的某個(gè)時(shí)間被收購(gòu)或倒閉的初創(chuàng)公司。這使得供應(yīng)鏈的管理更具挑戰(zhàn)性，最終可能會(huì)迫使汽車制造商拆除一些在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維修之間存在多年的壁壘。在這個(gè)日益電子化的汽車世界中，產(chǎn)品迭代線變得不那么清晰，需要更頻繁地進(jìn)行更改。