汽車行業(yè)電子電氣架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

在2025年1月，CES 2025在美國拉斯維加斯隆重舉行。作為一場(chǎng)聚焦前沿電子技術(shù)的展覽，眾多汽車行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品紛紛亮相，涵蓋從零部件到整車的各個(gè)方面，均圍繞智能化主題展開。在此次展覽中，參展商展示了新一代高算力整車芯片，以及車企官方發(fā)布的下一代算力解決方案平臺(tái)。此外，人工智能技術(shù)也成為了展會(huì)的熱點(diǎn)話題，吸引了廣泛關(guān)注與討論。

回顧2024年，國內(nèi)高階自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)的普及率迅速提升，采用更具創(chuàng)新、更多計(jì)算量的AI技術(shù)已成為提升自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)的主要趨勢(shì)。同時(shí)，大語言模型在智能座艙和智能駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用也在車展和發(fā)布會(huì)上頻頻亮相。此外，智能化不僅體現(xiàn)在智能駕駛和座艙方面，車輛的其他功能系統(tǒng)同樣經(jīng)歷著變革：底盤系統(tǒng)正朝著線控化方向發(fā)展，而動(dòng)力能源系統(tǒng)則在快速引入綠色高效技術(shù)。

在這一發(fā)展趨勢(shì)下，電子電氣架構(gòu)的演變將為上述新技術(shù)和趨勢(shì)提供基礎(chǔ)支持。2023年，博世就發(fā)布的白皮書《The Next Step in E/E Architectures》總結(jié)了汽車行業(yè)電子電氣架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。未來，基于“軟件定義汽車”（Software Defined Vehicle）概念將軟、硬件解耦研發(fā)策略將愈加明顯。在這一策略下，各個(gè)系統(tǒng)之間通過更高數(shù)據(jù)帶寬的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)直接連接，將成為必不可少的條件。

圖1 未來電子電器架構(gòu)的趨勢(shì)

來源：博世-白皮書“The next step in E/E architectures”

新架構(gòu)趨勢(shì)下的網(wǎng)絡(luò)需求演變

在電子電氣架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵組成部分。隨著中央集中式架構(gòu)趨勢(shì)的興起，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也在不斷演變。例如，主干網(wǎng)絡(luò)的新數(shù)據(jù)傳輸需求正逐漸轉(zhuǎn)移至中央計(jì)算平臺(tái)內(nèi)部的片內(nèi)和片間通信，同時(shí)，更多車內(nèi)末端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)利用強(qiáng)大的中央計(jì)算單元進(jìn)行處理。因此，如何確保網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與未來整車功能定位相符，以及在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境中保持系統(tǒng)的持續(xù)性和可擴(kuò)展性，將變得愈發(fā)重要。

成本驅(qū)動(dòng)

近年來，汽車行業(yè)的發(fā)展促使越來越多的車型平臺(tái)更加注重性價(jià)比。與過去強(qiáng)調(diào)架構(gòu)方案的先進(jìn)性和創(chuàng)新性不同，當(dāng)前的趨勢(shì)是聚焦于架構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的最優(yōu)解，回歸到成本最優(yōu)化的范疇。同時(shí)，隨著更多終端用戶對(duì)新技術(shù)的接受度提高，最新的技術(shù)功能也開始在不同成本區(qū)間的車輛中得到應(yīng)用，例如智能語言交互和高階自駕系統(tǒng)。這些功能正在迅速向成本更低的車型架構(gòu)平臺(tái)滲透。

圖2 中央集成架構(gòu)和分布式域融合架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

在架構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)層面，國內(nèi)中高端車型越來越多地采用以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)絡(luò)的中央集成架構(gòu)。核心計(jì)算單元承擔(dān)著包括人工智能算力、復(fù)雜整車邏輯控制以及功能安全相關(guān)的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)等多重任務(wù)。當(dāng)前，單芯片和多芯片解決方案在控制器中被廣泛采用，這使得數(shù)據(jù)傳輸更多地發(fā)生在芯片內(nèi)部或芯片之間。同時(shí)，為了滿足更高的安全要求，中央計(jì)算單元與區(qū)域控制器之間采用環(huán)形冗余設(shè)計(jì)，以支持大量數(shù)據(jù)的傳輸。末端嵌入式系統(tǒng)通常通過CAN網(wǎng)絡(luò)與區(qū)域控制單元連接。

在中低端車型或那些保留了更多傳統(tǒng)系統(tǒng)的車型架構(gòu)中，CAN網(wǎng)絡(luò)連接了更多的控制器單元。即使在以功能域劃分的系統(tǒng)控制器單元內(nèi)，CAN通信仍然是主要的通信方式，以滿足系統(tǒng)的互聯(lián)互通的功能需求。隨著新智能化功能的普及，中低端車型同樣需要升級(jí)其智能系統(tǒng)，例如：智能座艙系統(tǒng)和高階輔助駕駛系統(tǒng)。因此，這些車型也需要更高算力的計(jì)算單元來實(shí)現(xiàn)這些功能，融合型計(jì)算平臺(tái)在低成本車型架構(gòu)中將更受青睞。在這種架構(gòu)中，大數(shù)據(jù)量的傳輸需求也同樣存在，以太網(wǎng)在核心控制單元之間使用。然而，從成本優(yōu)化角度出發(fā)，如何在現(xiàn)有方案下集成新功能將是最具吸引力的設(shè)計(jì)策略。

目前，以太網(wǎng)方案中常見的通信技術(shù)為100/1000BaseT1S。盡管更高帶寬的車規(guī)級(jí)技術(shù)不斷推出，但如前文所述，功能的集成與融合正日益受到系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的重視。因此，對(duì)更高網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求逐漸轉(zhuǎn)移到核心算力平臺(tái)上的技術(shù)方案，例如共享內(nèi)存和芯片內(nèi)聯(lián)技術(shù)等將成為高數(shù)據(jù)帶寬的更佳解決方案。同時(shí)，Chiplet技術(shù)的興起也將使得未來更多芯片內(nèi)部的技術(shù)方案成為軟件應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)通信需要討論的重要議題之一。

在圖2中，兩種架構(gòu)都將會(huì)持續(xù)保留CAN總線通信技術(shù)，而它也為了軟件定義整車的需要升級(jí)下一代技術(shù)CAN XL, 其傳輸速率能夠達(dá)到20Mbit/s，并支持以太網(wǎng)透?jìng)?，和?dāng)前車載以太網(wǎng)常用協(xié)議，例如：TCP/IP，SOME/IP等.

當(dāng)然現(xiàn)在基于以太網(wǎng)協(xié)議也推出了低速率的通信技術(shù)即10Base-T1s，通過共享物理總線的與其他多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信, 能夠有效的把基于以太網(wǎng)軟件協(xié)議擴(kuò)展到更多控制器，然而硬件成本相對(duì)較高。

做到智能化、多樣化的“千人千面”

在整車的動(dòng)力域和底盤域，智能化升級(jí)正在不斷推進(jìn)。例如，在動(dòng)力域中，隨著車輛內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部環(huán)境數(shù)據(jù)的持續(xù)采集，云端算力平臺(tái)能夠幫助用戶更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)和判斷系統(tǒng)策略。這在行駛能量管理分配和電池安全預(yù)測(cè)等方面帶來了新的價(jià)值，顯著提升了用戶體驗(yàn)。

在智能化底盤與動(dòng)力系統(tǒng)的升級(jí)迭代浪潮中，消費(fèi)者的偏好各不相同，有些人更注重舒適性體驗(yàn)，而另一些人則希望獲得運(yùn)動(dòng)性體驗(yàn)。過去的設(shè)計(jì)主要采用開環(huán)設(shè)計(jì)思路：車廠提供可選的調(diào)節(jié)設(shè)置選項(xiàng)，用戶通過手動(dòng)輸入來改變配置。

然而，隨著車輛數(shù)字化和智能化的推進(jìn)，個(gè)性化需求將在獨(dú)立用戶賬戶體系下得到有效管理。不同用戶（賬戶）下的駕駛習(xí)慣與功能設(shè)置等信息將被車輛記錄和學(xué)習(xí)，并通過車內(nèi)通信傳輸至車外用戶云端系統(tǒng)。用戶數(shù)據(jù)將被有效管理與反饋，通過用戶自定義和AI算法的介入，能夠在多場(chǎng)景和復(fù)雜條件下提前預(yù)測(cè)和判斷用戶的需求與想法。

因此，越來越多的車內(nèi)系統(tǒng)需要通過面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）延伸至車輛系統(tǒng)的每個(gè)角落，不僅限于主干網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)服務(wù)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器系統(tǒng)也可能需要提供原子信號(hào)服務(wù)數(shù)據(jù)。在當(dāng)前多模態(tài)大語言模型（LLM）的應(yīng)用場(chǎng)景中，更多原始數(shù)據(jù)將作為訓(xùn)練學(xué)習(xí)的輸入信息，以產(chǎn)生更為精準(zhǔn)的模型輸出。

整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅需要考慮新功能的通信需求，還需關(guān)注新功能（如底盤線控化和更高階無人駕駛）所涉及的安全性要求。這意味著對(duì)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的思考需要重新審視。在網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)方面也同樣如此，如何在滿足新架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需求的同時(shí)保持系統(tǒng)成本的可控性。

升級(jí)加密技術(shù)、提升整車數(shù)據(jù)安全

隨著車輛智能化和網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)通信安全的關(guān)注日益增強(qiáng)。2024年，國家將出臺(tái)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB44495《汽車整車信息安全技術(shù)要求》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車外通信提出了明確的網(wǎng)絡(luò)安全要求，并對(duì)未來車輛的網(wǎng)絡(luò)安全提出了更高的期望。在該標(biāo)準(zhǔn)的7.2.9條款中，明確要求對(duì)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的邊界采取保護(hù)措施，包括物理隔離和邏輯隔離等手段。因此，隨著車輛功能和技術(shù)的不斷提升，確保全車網(wǎng)絡(luò)的安全性在新設(shè)計(jì)中顯得尤為重要，相關(guān)技術(shù)升級(jí)也亟需引起重視。

另一方面，量子計(jì)算的出現(xiàn)對(duì)汽車系統(tǒng)中常用的傳統(tǒng)加密算法構(gòu)成了重大威脅。量子計(jì)算研究的進(jìn)步表明，它在并行計(jì)算和量子傅立葉變換 (QFT) 到比特纏繞和疊加方面具有強(qiáng)大的功能。但是，威脅級(jí)別因算法不同而不同。理論上， Shor 的算法有可能在量子計(jì)算機(jī)的多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)完全打破非對(duì)稱密鑰加密，而 Grover 的量子算法在攻擊對(duì)稱密鑰加密方面提供了相當(dāng)快的速度。

NIST 于 2016 年啟動(dòng)了后量子算法競(jìng)賽后以找到量子安全算法來替代傳統(tǒng)的非對(duì)稱算法 (如 RSA ECC 和 DSA) ，而在 CNSA 2.0 中對(duì)國家安全系統(tǒng)的建議時(shí)間表如下：

到 2025 年，軟件和固件簽名立即開始過渡：支持并更傾向CNSA 2.0(XMS/LMS)。

到 2030 年，受限設(shè)備：支持并更傾向CNSA 2.0 (Kyber1024/Dilithium5)。

在全球高科技行業(yè)，蘋果公司已經(jīng)推出了 PQ3 ，這是一項(xiàng)尖端技術(shù)，通過采用基于點(diǎn)陣的加密技術(shù)來抵抗量子，確保未來的量子計(jì)算機(jī)對(duì) iOS/iPad OS 17.4 和 Mac OS14.4 的潛在威脅，從而確保 iMessages 安全，確保未來安全。NVIDIA 在 H100 產(chǎn)品中引入了 CupQC SDK ，用于加速 后量子加密工作流程。

隨著新加密算法的廣泛引入，車內(nèi)加密算法也將會(huì)采用更加安全的后量子加密算法，當(dāng)前已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)的后量子加密算法又將需要更多數(shù)據(jù)量交互的需求，這樣對(duì)于在車內(nèi)的不同層級(jí)的重要控制器單元都需要提高加密協(xié)議數(shù)據(jù)量，因而在設(shè)計(jì)加密協(xié)議時(shí)更高帶寬總線方案也考慮因素之一。

在國內(nèi)市場(chǎng)，汽車正經(jīng)歷從電動(dòng)化向智能化的快速轉(zhuǎn)型，整車電子電氣架構(gòu)也在不斷優(yōu)化以適應(yīng)這一趨勢(shì)。新技術(shù)和功能的引入要求解決方案不僅具備向下兼容性，還需具備持續(xù)的可擴(kuò)展性，以滿足未來發(fā)展的需求。在這一背景下，基于新型高算力芯片的解決方案變得愈發(fā)重要。同時(shí)，基于異構(gòu)計(jì)算核心的軟件與整車嵌入式系統(tǒng)通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行連接。更靈活的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和更高的物理帶寬能力將支持日益多樣化的整車解決方案，進(jìn)一步推動(dòng)智能駕駛、車網(wǎng)聯(lián)和人工智能等新興應(yīng)用的發(fā)展，從而顯著提升車輛的智能化水平。