汽車:移動數據中心

Michael Kiener Bruno Nunes-Silva

“單一ECU對應單一功能”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。

現代汽車就像是一個移動的數據中心，原因在于車輛的電子電氣架構正在轉型。

一個強大的服務器架構會替代由電子控制單元（ECU）和微控制器組成的復雜網絡，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域都是通過專用 ECU集成到架構之中，這造成了一個多樣化且復雜化的嵌入式系統結構，不適于進一步的創新，比如汽車成為萬物互聯（IoT）的一部分。

只要車輛還是“車輪上獨立的網絡”，獨立ECU的復雜網絡就不是問題。但是，如果車輛想為駕乘人員提供數字服務、通信和信息娛樂功能，那么就需要全新的電子電氣架構。在現有的車輛結構中，我們很難實現跨域的功能整合，也無法通過無線接口與互聯網或者云端互聯。無線更新（OTA）只有在特定的功能區域中才能實現，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。當前的電子電氣架構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對應單一功能”的模式已經走到盡頭。

軟件：車輛的新核心

要實現理想中的發展趨勢，未來的電子電氣架構必須以功能強大的軟件架構為中心，以驅動強大的功能和面向服務的設置，而為數不多的高性能計算單元或服務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基本元素，將支持高性能計算單元，用于處理傳感器和執行器的輸入/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器，它將網關功能與車身控制器的功能相結合。車身高性能計算單元作為車內的中央數據節點，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服務的理想主機（圖2）。大陸集團為大眾ID.系列車型開發了車載應用服務器（ICAS1），是全球首家實現車身高性能計算單元以及相關軟件量產的供應商。在該解決方案中，車身高性能計算單元涵蓋了網關和車身域控制器功能，并協調OTA更新和在線服務，由于可根據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品能力。車身高性能計算單元提供了內存和25 K DMIPS算力-每秒執行百萬條整數處理指令數——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調與后端以及后端應用程序的連接。隨著電子電氣架構的不斷演化，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，已經為未來的應用做好準備。

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的微處理器。其高速數據接口及Hypervisor程序管理技術可支持虛擬化。該中間件還支持千兆以太網，為各類應用提供必要的數據吞吐量。通過Elektrobit基于自適應AUTOS AR平臺開發的基礎軟件，高性能計算單元實現了持續的軟硬件分離，虛擬化（四個虛擬控制單元上的多個操作系統）和功能安全（ASIL和非ASIL），也滿足對新業務模式的要求和眾多軟件源的集成。總體而言，大陸集團的高性能計算單元分為四個應用領域：與駕駛員進行交互的駕駛艙高性能計算單元、調節車內數據流并作為互聯網、網絡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。目前正在開發第四個應用領域，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部獨立研發并制造，部分功能由子公司Elektrobit （操作系統、虛擬化、OTA和軟件服務）和Argus（網絡安全）合力打造。

域控制單元：未來車輛架構的基本組成部分

電子電氣架構從多個ECU轉換到高性能計算單元服務器架構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”現有的電子電氣架構，從而減少電子控制單元的數量和線束的重量。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行器之間的橋梁。因此，每個域控制器將車輛某個特定區域中不同域的功能集成在一起，并作為連接中心為設備提供電源分配及數據連接以滿足互聯服務的需求。

傳感器、外圍設備和執行器并非直接連接到域控制器，而是連接到本地的一個區域控制器。域控制器接管其負責的車輛相應區域的職能。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，使其能夠專注于其“電子大腦”的任務，用于車輛內外的數據和功能管理。此外，域控制器執行本地數據轉換，聚合數據，并通過以太網將其傳輸到高性能計算單元。這種設置讓域控制器可以進行跨域的設備的控制，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“終身學習”車輛的持續更新和改進創造了先決條件。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

然而軟件應用和服務數量的不斷增加，對于包括合作伙伴和供應商在內的所有參與者而言，都構成了重大的挑戰。因此，大陸集團推出了自動化軟件工廠注重使用敏捷開發的方法。開發是一項小規模的任務，我們必須有效地協調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點審核和透明指標，可持續實時地評估軟件質量，直至源代碼級別。所有與質量相關的信息都可供開發團隊以及內外部利益相關者使用。有了這種敏捷而自動化的工作模式，軟件在早期開發階段就具備了高度的成熟性。

敏捷的框架是選擇和調整開發方法和項目規模的基礎。 GitHub作為持續、無縫軟件審查服務的開發平臺，可以集成到 Continental DevOps 產品組合之中。我們可以通過GitHub創建一個自動化渠道，集成諸如 Jira和Grafana等工具來驗證所有的更改。為確保第三方供應商的安全集成，DevOps生態系統還包括標準化工具，例如用于監控的Prometheus A用于數據記錄的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。如果遵循常規的開發過程和人工操作，那么高性能計算單元軟件的開發范圍和速度就不可能實現。

同時，為了優化軟件開發的基礎流程，大陸集團還建立了大陸協作門戶。與之前軟件交付、測試和驗證之間的“乒乓匹配”不同，它可以自動執行這些過程，并在出現錯誤時恢復數據。這就保證了只有無錯誤的應用程序才可以轉移至實際的開發系統中（圖4）。門戶本身是一個安全的、標準化的界面，適用于內部和外部的所有利益相關者。用戶可以訪問軟件庫，打開文檔，還可以開發軟件。該軟件經歷了自動測試和預集成過程。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。通過實現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外部利益相關者一起加快軟件開發，并追求更高質量的軟件。

可見，軟件和數據將主導未來的汽車，引領汽車生態系統和汽車行業的長遠變革。軟件的作用越大，標準化的硬件和操作系統就越為重要，這也是高性能計算單元將成為未來車輛電子電氣架構標準的原因之一。如果說高性能計算單元服務器概念僅僅是涵蓋目前對于聯網汽車的需求，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據和服務的業務模式。

總體而言，高性能計算單元是未來車輛的基石——從分布式架構向基于服務器的電子電氣架構轉變。這有利于實現電子電氣架構的整體優化，以及在車輛生命周期內的功能升級與更新。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器轉移到另一臺服務器，這增加了靈活性以及電子功能的冗余性和可靠性。