隨著車輛中使用的電子設備更加復雜,以及汽車越來越多地連接到基礎設施和彼此之間,這些更新將變得更加規律并影響到汽車內的更多系統。

汽車更新升級越來越復雜,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升級,但隨著汽車搭載的電子器件越來越復雜,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。

現代汽車越來越電子化。事實上,根據麥肯錫公司的數據,應用于現代汽車的電子設備價值預計將在未來十年內翻一番,到2030年將從目前的2380億美元增長到4690億美元。

這些以半導體為核心的汽車部件流經復雜且不斷變化的供應鏈。

“汽車OEM供應鏈正變得越來越復雜。”賽靈思汽車高級總監Willard Tu表示。“以前的線性關系現在已經演變為矩陣系統。例如,一些汽車OEM現在正繞過一級供應商,開發自身的ASIC。此外,通常情況下,為了支持較長的產品生命周期,硬件需要能夠使用無線(OTA)通信,并可以現場編程。”

圖1 :復雜且持續變化的現代汽車供應鏈(圖源:Assent Compliance)

電子產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備一直在穩步接管設計車輛安全的操作。無論何時在高速公路上使用巡航控制系統,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。半導體可以感應、監控、管理和控制車輛中幾乎所有操作。

半導體部件由全球各地不同的供應商制造。但是,當發生設計更改時,例如為了提高性能替換處理器,誰負責確保改變不會影響系統甚至整車的可靠性?這顯然并沒有確切答案。

圖2:供應鏈簡化框圖(圖源:技術理念研究)

電子產品在現代汽車中的應用

為了提高汽車性能、燃油效率、舒適度和整體安全性,現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,或改進現有功能。例如,在引入高級輔助駕駛系統(ADAS)之前,傳統的巡航控制系統要求駕駛員在剎車后重新激活。如今,大多數豪華汽車配置了自適應巡航控制系統功能,使用雷達監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設限制。

在不久的將來,至少在高速公路等一些地理圍欄區域,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)執行。對于現代汽車而言,擁有超過100個由汽車級半導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,取決于操作的復雜程度。自動駕駛汽車將使用128位到256位的GPU來執行機器學習。

EEC管理以下設備和功能:

發動機控制單元(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,并在行人或移動車輛接近時發出警報;

通過機器學習 (ML) 和人工智能 (AI) 實現自動駕駛;

傳感器監控;

防抱死制動系統/防撞系統;

使用智能攝像頭和人工智能進行艙內操作;

支持智能手機控制和互連的信息娛樂系統;

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,以及遠程信息處理控制模塊 (TCU) 支持車載服務,包括使用 5G、RF、Wi-Fi、衛星導航、無線電和 V2X 通信的無線連接。

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

此外,根據麥肯錫,汽車軟件的復雜性在過去十年增長了四倍,但是軟件開發生產力只增長1倍到1．5倍。與傳統工業和嵌入式軟件相比,汽車產業落后了大約25%至35%。這意味著汽車產業的軟件能力滯后于其他嵌入式行業。

圖4:汽車軟件的復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

先進半導體處理器由數十億個晶體管組成,而汽車軟件有數百萬行代碼。這么復雜的設計幾乎不可能完美無暇。有時,軟件和半導體固件及可編程邏輯需要更新。

一些更新是例行的,比如ADAS系統下載新地圖。根據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的機器學習系統可能需要連接到知識數據庫來提升推理或決策能力。

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

“半導體會不時進行更新。有些是為了修復錯誤。”Arteris IP營銷副總裁 Kurt Shuler表示。“其他更新將為ADAS系統添加新功能,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,汽車行業一直對做出任何改變持謹慎態度。過去,產品的設計周期為 4 到 7 年,預計可以使用 10 到 20 年。變革被認為代價高昂且具有潛在風險。但隨著先進汽車電子設備的引入,OEM將增加功能視為獲得市場領導地位并避免特斯拉和越來越多的電動汽車初創公司(包括 Rivian、Lucid、Polestar、Nio 和 Nikola)入侵的一種方式。確實有數十家這樣的新公司,它們正在迫使現有汽車制造商對變革作出新的思考。

召回經濟學

所有這些公司仍然需要謹慎。汽車制造商需要確定更新是否絕對必要,以及實現這一目標最經濟的方式是什么。但是電子架構可以提供更快、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 汽車緊急呼叫系統的車型可能會在發生碰撞時報告不準確的車輛位置。該公司打算通過無線 (OTA) 或通過其經銷商網絡提供軟件更新。

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致除霜/除霧系統和外部轉向燈無法正常工作。由于連接多個系統,司機無法通過后視鏡確認影像。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,品牌形象業會受到影響。但是當特斯拉不對車主給與回應時,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。當發現需要緊急召回車輛的問題時,原始設備制造商需要解決問題。如果汽車原始設備制造商(OEM)對有問題的設備負責,那么OEM將承擔這個舉動帶來的費用。如果有問題的設備來自一級供應商,則供應商將承擔更新費用。通常,原始設備制造商或供應商有商業保險,最終支付費用。

對于計劃的更新,一級供應商會預先同意全年向 OEM提供艙內系統的四個新功能。供應商通常提前簽訂合同協議,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。

全面質量管理

最終目標是生產安全可靠、零缺陷的產品,實現利潤最大化和負債最小化。為了實現這些目標,汽車原始設備制造商必須確保他們的產品符合安全標準。此外,必須遵守網絡安全標準。沒有安全性,車輛將永遠不會安全,并且安全更新對于任何電子連接設備來說都是永恒的話題。

對于汽車,已經制定了許多標準。他們之中:

ISO 9001(質量保證體系)

ISO/SAE 21434(汽車網絡安全標準)

ISO/CD 24089(汽車軟件更新要求)

ISO 26262(汽車功能安全標準)

ISO/IEC 27001(信息安全管理體系要求)

MISRA(汽車產業軟件可靠性協會)

IATF 16949(汽車質量管理體系國際標準)

AEC-Q100(AEC組織所制訂的車用可靠性測試標準)

AEC-Q200(被動元件汽車級品質認證)

UNECE WP．29 規定(聯合國歐洲經濟委員會[UNECE]關于網絡安全)。

“汽車原始設備制造商面臨一個很大的挑戰是管理軟件更新,”Synopsys 汽車事業部汽車安全和安全高級經理 Chris Clark 說。“汽車原始設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。國際標準化組織 (ISO) 目前正在制定新標準 (ISO 24089),以指導汽車制造商進行無線軟件更新。整個供應鏈(從原始設備制造商到一級供應商,再到提供芯片設計工具的公司)協同合作至關重要,需確保在產品使用中遵循網絡安全。”

監測過程

所有OEM都有某種類型的企業資源規劃 (ERP) 系統。它允許汽車原始設備制造商跟蹤整個供應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,其中包括有關每個半導體、電子元件和許可軟件的詳細信息,以及發布級別、發布日期、供應商信息和規格。所做的任何更改,無論是誰發起的,都必須附有工程更改請求 (ECR) 或產品更改請求 (PCR) 表。執行變更時,需要明確書面的工程變更單 (ECO) 或產品變更單 (PCO) 表格。所有這些信息都必須存儲在企業資源計劃(ERP系統)中。

如今,全球供應鏈涵蓋了來自世界各地的資源。一級和二級供應商通常雇用分包商來制造他們的部分產品。原始設備制造商需要確保合同協議到位,以確保一級和二級供應商通過滿足預定義的規范來交付他們承諾的質量。最后,OEM需要定期對供應商進行審核,以確保每個供應商都處于活躍狀態。有時,OEM停止使用的軟件是在事后發現的。有了良好的監控過程,這樣的意外發現就不會發生。

西門子EDA汽車測試解決方案經理 Lee Harrison 表示:“有一種在汽車設計中跟蹤關鍵IC或處理器IC的方法是為每個硅芯片設置唯一標識。“硬件信任根 (RoT) ID 可以作為制造過程的一部分生成。設備經過全面測試后,將提供ID。它是與用于該特定車輛的設備相關聯數據的唯一標識。OEM不僅可以跟蹤該關鍵處理器,而且如果該設備被被盜或黑市設備替換,則可以輕松檢測到并采取適當的措施禁用特、功能或拒絕整個設備、CU由車輛。這確保了車輛的安全性和完整性,尤其是當IC用于安全關鍵系統時。”

但是,情況會變得非常復雜。理解復雜電子設備的性能和完整性與機械部件甚至更簡單的半導體有很大不同。有時,跟蹤問題的唯一方法是分析傳感器生成的數據,機器學習系統需要這些數據。

ClioSoft 市場主管 Simon Rance 表示:“汽車中的許多設計都是高度可配置的,甚至可以根據從傳感器獲得的數據進行動態配置。” “數據正從這些傳感器傳回處理器。從車輛到數據中心并返回到車輛的大量數據,所有這些都必須被追蹤。如果出現問題,他們必須追蹤并找出根本原因。這就是需要填補的地方。”

質量控制

全面質量管理涵蓋設計、制造和整個供應鏈。最終的質量取決于其最薄弱的環節。除了供應鏈管理之外,入庫和出庫的組件和模塊都需要隨時監控。供應商規范應明確規定,任何組件形式、裝配或功能更改都必須由供應鏈(一級、二級、分包商、組件和半導體供應商)報告給 OEM。

兩大新興趨勢將對汽車行業產生重大影響。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行這兩種功能。

機艙內系統具有智能攝像頭和人工智能軟件,用于監控乘客以提高安全性。當駕駛員視線離開路面或檢測到分心駕駛時,車內系統會結合 OEM 人機界面向駕駛員發出警報。具有強大處理器的大型平臺的另一個額外好處是,它將部分處理負擔從軟件轉移到硬件,從而減少了組件的使用。

“在未來的汽車計算架構設計中,速度更快的 FPGA 和圖形處理器單元 (GPU) 將用于為機器學習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備將被整合。OTA 將為未來的半導體更新提供更好的途徑,”Veoneer 產品總監 Tom Herbert 表示,該公司制造用于乘員保護的車內系統。

第二個趨勢是汽車和移動技術的融合。“隨著包括 Wi-Fi、5G、RF、衛星和 V2X 在內的無線技術的進步,車輛將變得更加互聯。然而,來自消費者方面的移動技術的發展速度比汽車同行快得多,”Qorvo 運輸業務部總經理 Gorden Cook 表示。

除非汽車行業迅速調整,否則汽車可能會落后于消費者的需求。例如,管理信息娛樂系統的汽車遠程信息處理控制單元 (TCU) 的發展速度比消費移動產品慢。典型的新汽車平臺開發,無論是用于車內還是信息娛樂,大約需要 4 到 7 年,而消費者對應的則可能需要 2 到 3 年。此外,智能手機供應商經常通過無線 (OTA) 方式向用戶發送操作系統更新。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,預計汽車行業會在消費者的反饋中確定改進方向。  

總結

更新存在多種形式,發生的原因也各不相同。但是,隨著車輛中使用的電子設備更加復雜,以及汽車越來越多地連接到基礎設施和彼此之間,這些更新將變得更加規律并影響到汽車內的更多系統。

修復和更新具有經濟、安全和品牌認知影響,并且延伸到全球供應鏈,其中包括可能在特定部件的預期生命周期內的某個時間被收購或倒閉的初創公司。這使得供應鏈的管理更具挑戰性,最終可能會迫使汽車制造商拆除一些在設計、生產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,產品迭代線變得不那么清晰,需要更頻繁地進行更改。