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)。

汽車更新升級越來越復(fù)雜,越來越難。為了避免潛在問題,或者進行功能升級,主機廠在整機出廠以后會不定期進行系統(tǒng)升級,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帶來了挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代汽車越來越電子化。事實上,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)備價值預(yù)計將在未來十年內(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。”賽靈思汽車高級總監(jiān)Willard Tu表示。“以前的線性關(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)在正繞過一級供應(yīng)商,開發(fā)自身的ASIC。此外,通常情況下,為了支持較長的產(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,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)計車輛安全的操作。無論何時在高速公路上使用巡航控制系統(tǒng),檢查儀表盤攝像頭時倒車,或被警告有人從盲點接近,電子儀器都會起作用。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)計更改時,例如為了提高性能替換處理器,誰負(fù)責(zé)確保改變不會影響系統(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,或改進現(xiàn)有功能。例如,在引入高級輔助駕駛系統(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)測汽車與前方車輛的距離,并在必要時自動減速。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,消費者可以使用完全自動駕駛。所有這些功能都可以通過嵌入式電子控制器(EEC)執(zhí)行。對于現(xiàn)代汽車而言,擁有超過100個由汽車級半導(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。自動駕駛汽車將使用128位到256位的GPU來執(zhí)行機器學(xué)習(xí)。

EEC管理以下設(shè)備和功能:

發(fā)動機控制單元(ECU),連接至CAN、CAN-FD或FlexRay總線和傳感器。ECU控制點火正時、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),并在行人或移動車輛接近時發(fā)出警報;

通過機器學(xué)習(xí) (ML) 和人工智能 (AI) 實現(xiàn)自動駕駛;

傳感器監(jiān)控;

防抱死制動系統(tǒng)/防撞系統(tǒng);

使用智能攝像頭和人工智能進行艙內(nèi)操作;

支持智能手機控制和互連的信息娛樂系統(tǒng);

電動汽車和動力總成控制;

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了四倍,但是軟件開發(fā)生產(chǎn)力只增長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了四倍(圖源:麥肯錫公司)

汽車OEM如何管理更新

先進半導(dǎo)體處理器由數(shù)十億個晶體管組成,而汽車軟件有數(shù)百萬行代碼。這么復(fù)雜的設(shè)計幾乎不可能完美無暇。有時,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)美國國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。就像自動駕駛一樣,還需要其他更新來提升性能。例如,基于GPU的機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)可能需要連接到知識數(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原因之一。第一是錯誤修復(fù)或安全軟件修補。另一個是性能增強,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)體會不時進行更新。有些是為了修復(fù)錯誤。”Arteris IP營銷副總裁 Kurt Shuler表示。“其他更新將為ADAS系統(tǒng)添加新功能,這些可以完全改變車輛的性能。”

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

召回經(jīng)濟學(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必要,以及實現(xiàn)這一目標(biāo)最經(jīng)濟的方式是什么。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單地下載到車輛中。

今年早些時候,梅賽德斯-奔馳美國公司宣布召回自 2016 年以來售出的 129 萬輛汽車。某些配備自動 汽車緊急呼叫系統(tǒng)的車型可能會在發(fā)生碰撞時報告不準(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,美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)強制特斯拉召回近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。由于連接多個系統(tǒng),司機無法通過后視鏡確認(rèn)影像。解決這個問題需要更換整個媒體控制單元。

召回的代價很大。除了利潤有損失,品牌形象業(yè)會受到影響。但是當(dāng)特斯拉不對車主給與回應(yīng)時,這件事時容易被大眾忽視的。召回時屬于廠家計劃外的更新。當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要緊急召回車輛的問題時,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)對有問題的設(shè)備負(fù)責(zé),那么OEM將承擔(dān)這個舉動帶來的費用。如果有問題的設(shè)備來自一級供應(yīng)商,則供應(yīng)商將承擔(dān)更新費用。通常,原始設(shè)備制造商或供應(yīng)商有商業(yè)保險,最終支付費用。

對于計劃的更新,一級供應(yīng)商會預(yù)先同意全年向 OEM提供艙內(nèi)系統(tǒng)的四個新功能。供應(yīng)商通常提前簽訂合同協(xié)議,確定所涉及的費用。在這種情況下,OEM可以提前計劃并通過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,實現(xiàn)利潤最大化和負(fù)債最小化。為了實現(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)不會安全,并且安全更新對于任何電子連接設(shè)備來說都是永恒的話題。

對于汽車,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)

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

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

AEC-Q200(被動元件汽車級品質(zhì)認(rèn)證)

UNECE WP．29 規(guī)定(聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會[UNECE]關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全)。

“汽車原始設(shè)備制造商面臨一個很大的挑戰(zhàn)是管理軟件更新,”Synopsys 汽車事業(yè)部汽車安全和安全高級經(jīng)理 Chris Clark 說。“汽車原始設(shè)備制造商必須驗證和測試軟件更新,以確保它可以在車輛中運行,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)汽車制造商進行無線軟件更新。整個供應(yīng)鏈(從原始設(shè)備制造商到一級供應(yīng)商,再到提供芯片設(shè)計工具的公司)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)備制造商跟蹤整個供應(yīng)鏈的所有記錄和活動。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求 (ECR) 或產(chǎn)品更改請求 (PCR) 表。執(zhí)行變更時,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在企業(yè)資源計劃(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。一級和二級供應(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,以確保一級和二級供應(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需要定期對供應(yīng)商進行審核,以確保每個供應(yīng)商都處于活躍狀態(tài)。有時,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)就不會發(fā)生。

西門子EDA汽車測試解決方案經(jīng)理 Lee Harrison 表示:“有一種在汽車設(shè)計中跟蹤關(guān)鍵IC或處理器IC的方法是為每個硅芯片設(shè)置唯一標(biāo)識。“硬件信任根 (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。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,則可以輕松檢測到并采取適當(dāng)?shù)拇胧┙锰亍⒐δ芑蚓芙^整個設(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。”

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

ClioSoft 市場主管 Simon Rance 表示:“汽車中的許多設(shè)計都是高度可配置的,甚至可以根據(jù)從傳感器獲得的數(shù)據(jù)進行動態(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。這就是需要填補的地方。”

質(zhì)量控制

全面質(zhì)量管理涵蓋設(shè)計、制造和整個供應(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、二級、分包商、組件和半導(dǎo)體供應(yīng)商)報告給 OEM。

兩大新興趨勢將對汽車行業(yè)產(chǎn)生重大影響。首先,汽車平臺將使用更強大的處理器來整合一些嵌入式計算機控制器。例如,不是使用一個平臺進行車內(nèi)操作和一個平臺用于信息娛樂,而是一個組合平臺將同時執(zhí)行這兩種功能。

機艙內(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到分心駕駛時,車內(nèi)系統(tǒng)會結(jié)合 OEM 人機界面向駕駛員發(fā)出警報。具有強大處理器的大型平臺的另一個額外好處是,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。

“在未來的汽車計算架構(gòu)設(shè)計中,速度更快的 FPGA 和圖形處理器單元 (GPU) 將用于為機器學(xué)習(xí)提供更快的計算功能。隨著處理器變得更快、更強大,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的車內(nèi)系統(tǒng)。

第二個趨勢是汽車和移動技術(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)的進步,車輛將變得更加互聯(lián)。然而,來自消費者方面的移動技術(shù)的發(fā)展速度比汽車同行快得多,”Qorvo 運輸業(yè)務(wù)部總經(jīng)理 Gorden Cook 表示。

除非汽車行業(yè)迅速調(diào)整,否則汽車可能會落后于消費者的需求。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)展速度比消費移動產(chǎn)品慢。典型的新汽車平臺開發(fā),無論是用于車內(nèi)還是信息娛樂,大約需要 4 到 7 年,而消費者對應(yīng)的則可能需要 2 到 3 年。此外,智能手機供應(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。任何智能手機用戶都知道如何進行更新。但對于汽車來說,情況就不同了。如今,汽車OTA的更新仍處于起步階段。隨著時間的推移,預(yù)計汽車行業(yè)會在消費者的反饋中確定改進方向。  

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、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)的某個時間被收購或倒閉的初創(chuàng)公司。這使得供應(yīng)鏈的管理更具挑戰(zhàn)性,最終可能會迫使汽車制造商拆除一些在設(shè)計、生產(chǎn)和維修之間存在多年的壁壘。在這個日益電子化的汽車世界中,產(chǎn)品迭代線變得不那么清晰,需要更頻繁地進行更改。