文︱ANN STEFFORA MUTSCHLER
來源︱Semiconductor Engineering
編譯 |編輯部
現階段，汽車産業逐漸向新的架構遷移，對安全、資料傳輸速度以及成本管控等都有着更高的要求。
無論從短期還是長期來看，汽車産業都面臨着嚴峻的挑戰。短期内，晶片短缺仍然是全球汽車制造商關注的首要問題。缺芯嚴重推遲了新車傳遞，中斷了現有車輛的維修，極大地抑制了汽車産業的增長。随着上遊晶圓廠不斷擴大産能，供應鍊問題逐漸得到解決，但汽車市場真正達到供需平衡仍然需要一段時間。
“供應鍊短缺是2021年整體汽車市場中最主要的問題，預計這種情況将持續到2022年。”Cadence（楷登）汽車解決方案總監Robert Schweiger表示。“基于此，各公司開始尋求替代方案來解決晶片短缺難題，包括自主研發晶片，以及與晶圓廠建立戰略合作夥伴關系。”
Ford（福特）和GlobalFoundries（格芯）的合作關系就是一個典型的例子。“這對2022年意味着什麼還有待觀察，但這表明供應鍊短缺對決策、合作夥伴關系以及汽車公司未來戰略産生了一定的影響。”Schweiger表示。
晶片短缺問題使得晶片采購和工程人才逐漸成為業界關注的焦點，進而導緻汽車産業發生了更長期、更根本的變化。“OEM和Tier1将增加其在軟硬體方面的内部工程專業知識，”Synopsys（新思科技）汽車部副總裁Walter Wottreng表示。“工程師将推出更加靈活的電子電氣架構，以便根據供應鍊需求快速重寫軟體，并內建替代晶片。此外，增加内部專業知識将會幫助OEM更好地應對供應鍊壓力。是以，他們将更加了解晶片可用性，并與半導體供應鍊建立更直接的關系。”
實際上，汽車制造商和Tier1正在提高其應對晶片短缺的能力，例如通過開發軟體為自身留有回旋之地。“在持續的晶片短缺中吸取了教訓之後，為使其更适應最新矽設計，半導體供應商正在軟體領域越來越活躍。” Elektrobit美洲副總裁Artur Seidel表示。“他們提供帶有專用軟體的晶片。這種耦合包括功能安全/資訊安全（safety/security）元件，是以對客戶來說是雙赢的。例如高通收購Veoneer、瑞薩電子提供網關解決方案以及軟體包。”
除此之外，一系列正在進行中的交易也反映了整個汽車行業的新發展和變化。“到2022年，汽車産業生态逐漸完善，半導體供應商、子系統提供商和原始裝置制造商将建立更加協作的生态系統合作夥伴關系。”英飛淩美洲區汽車副總裁Lars Ullrich表示。“我們看到2022年對汽車半導體的需求将繼續強勁，全球将推動未來汽車的數字化和電氣化。”
汽車産業發生了哪些變化？
由于高度自動駕駛（HAD）車聯網（V2X）和軟體密集型系統的增加，汽車産業其中一個重大變化是對汽車安全性能的關注，尤其是軟體安全性，Wottreng表示。
西門子EDA汽車IC測試解決方案經理Lee Harrison也指出，多層安全性和産品可靠性是汽車IC面臨的最大挑戰之一。
“資訊安全逐漸開始引起廣泛的關注。越來越多的研究和投資來嘗試解決和了解安全問題。此外，可靠性和資料采集對于全新的進階ADAS系統至關重要，該系統采用了最新的技術節點，沒有曆史可靠性資料可作為根據，”Harrison表示。“汽車應用的設計需要考慮資訊安全性，以確定外部代理無法通路敏感資料。過去，這是個有些特殊的要求，并且為了滿足這些特定要求而實施定制化解決方案是很常見的。然而，近年來，随着半導體行業在汽車和網絡實體系統領域的爆炸式增長，圍繞資訊安全測試和監測的需求已成為主流。如今，晶片制造商需要将安全技術擴充到多個不同級别的SoC開發中，以便在深度防禦解決方案中提供最佳覆寫範圍。”
“即便所有人都說，從業務驅動因素來看，資訊安全從來都不是主要的，但它始終僅次于主要驅動因素，”Tortuga Logic首席執行官Andreas Kuehlmann認為。“主要驅動因素更多像是汽車功能安全，而在醫療裝置中，則是隐私和病曆。當我們談論受監管的行業合規性時，資訊安全始終是這些主要業務目标所需的基本要素。對于汽車行業來說，最大的警鐘是Jeep Cherokee事件，兩名黑客成功入侵汽車，遠端控制發動機、轉向系統等，造成車輛行駛失控。”
Kuehlmann指出，這對整個汽車行業來說是一個警鐘，也是一個積極的信号。“他們意識到汽車安全不僅僅是功能安全問題。與汽車一般可靠性不同，安全性就像一個開關。對于損壞的機械零件來說，通常意味着其中小部分是壞的，但大多數是完好的，但這個比例會随着時間的推移而變化。汽車行業實際上非常擅長測量和監控安全風險，并進行汽車召回。若汽車超過了某個損壞部件的門檻值，如果是安全氣囊或車輛的其他方面，汽車OEM會進行大規模召回，這是一個純粹的經濟決定，”他表示。
網絡安全改變了這個等式。“如果一輛特定型号的汽車容易受到攻擊，那麼道路上的所有汽車都是脆弱的，這意味着你可以同時入侵所有汽車，”Kuehlmann稱。“這個問題是全新的，而且不僅會出現在汽車領域。這就是為什麼董事會很難了解網絡安全的含義。傳統的風險管理工具并不直接适用于此。你可以随心所欲地進行預防，但是如果有人釋出了如何破解汽車XYZ，并在網際網路上釋出，那麼所有汽車都會突然變得脆弱。通過翻轉開關，您可以操控汽車，這是非常基本的東西，也是汽車行業所了解的。”
汽車經濟2.0
标準化管理是汽車行業解決這些問題的關鍵方法，這些标準在過去已被證明可以有效地控制整個生态系統的成本。以下一代整車級架構解決方案為例，區域控制器尤其重視汽車行業标準化，許多汽車制造商，包括一些使用先進工藝節點的制造商都在積極布局。
“在先進節點上開發區域控制器的成本将很高，"Cadence的Schweiger表示。”對于高昂的成本，很多公司都會通過大批量産銷來均攤成本。這意味着某家公司在開發出區域控制器之後，會将其技術提供給他們的競争對手乃至整個行業，以提高銷量。在汽車領域可以觀察到——例如，AUTOSAR——早期采用者考慮将AUTOSAR作為汽車作業系統，随後他們開始提出自己的建議。然後，他們試圖将更多的汽車公司聚集在一起，形成一個聯盟，最終共同開發一種新的标準，一種像我們今天這樣的開放标準。如今，數百家公司是AUTOSAR組織的一部分。汽車産業以開放标準為主，而不是定制化解決方案。這就是為什麼使用區域控制器和區域架構，我們可能會再次看到一些公司将面臨巨大挑戰，并試圖提出自己的解決方案，而為了解決成本問題，這些解決方案将逐漸成為對許多公司開放的标準。
這也适用于安全經濟。“特别是當我們談論汽車通過OTA更新、V2V通信、V2I通信時，網絡安全逐漸變得越來越重要，"Kuehlmann稱。”如果沒有預防措施，如果不将安全性融入産品中(不僅要融入産品，還要融入整個基礎架構)，我們将面臨巨大的安全風險。安全性是自主開發速度有所放緩的部分原因。汽車網絡安全面臨的挑戰是非同尋常的，這與我們過去所知道的不同。
但是，了解這一點和制定相應計劃是兩回事。保障汽車安全需要在初始架構中内置安全層，并需要有足夠的靈活性來适應已知的新威脅。對于一輛可能在路上行駛幾十年的汽車來說，恢複力至關重要。
這是一個叫做“深度防禦”概念的核心。根據西門子Harrison的說法，深度防禦涉及一系列技術，這些技術可以在設計的不同級别上實施，以建構防禦環，使用相對簡單的概念為裝置引入許多級别的保護，并提供針對惡意攻擊的重要防禦。
其中一些概念是被動的，提供了一種防止通路的安全鎖。而其他技術是主動的，可以在檢測到威脅時采取規避措施。如果BiST控制器配置為非預期模式，或者根據總線哨兵分析螢幕收集的資料阻止非法總線任務，這可能就像重置裝置一樣簡單。
圖1：深度防禦模型（圖源：Siemens EDA）
嵌入式分析技術的使用越來越依賴于片上分析引擎，這是用于監控車輛内關鍵活動的功能安全島的一部分。“如果任何一個操作看起來異常，或者不是正常操作，它們将被嵌入式分析監控技術監控和标記。一個極端的例子是車載資訊娛樂系統向關鍵車輛功能（如制動和轉向）發送通信資料。這在正常操作中永遠不會發生，是以可以被歸類為非法操作，同時也可以被檢測和阻止，”Harrison解釋道。
圖2：嵌入式系統配置（圖源：Siemens EDA）
過去，外部接口安全防護的簡單解決方案包括在生産封裝中不鍵合JTAG引腳，或使用某種形式的一次性可程式設計（OTP）保險絲斷開TAP。然而，随着監測資料的連接配接需求不斷增加，對内部測試網絡的通路，無論是外部通路還是通過嵌入式安全島通路，如今都是汽車SoC的必備條件。
“任何解決方案都可以實作多層安全，以便不同的密鑰可以将裝置解鎖到指定級别，進而為不同應用程式或使用者授予不同的通路權限。這種方法廣泛用于汽車生态系統，根據裝置位置提供不同級别的通路，”Harrison表示。
此外，鑒于汽車ADAS開發的快速發展，汽車生态系統現在正在最先進的工藝節點上開發晶片，而這方面的曆史資料很少。“如果沒有這些資料，在車輛運輸和投入現場服務時，汽車晶片供應商将不得不通過從裝置收集大量片上資料來動态建構這些可靠性模型。如今，越來越多的新技術及老技術用于收集片上資料，”他補充道。
資料量與複雜度日益增加
随着車輛變得越來越自主，需要處理的傳感器資料量顯著增加。現在的問題是，區域控制器完成的工作量，以及通過傳感器融合系統完成的工作量。無論哪種方式，需要移動的資料量都在增加。
“你需要一個10千兆或更高的鍊路，"Cadence的Schweiger表示。”這是汽車市場下一步需要布局的重點。
然而，無論在哪裡處理，進行資料處理的晶片都變得越來越複雜。還有更多類型的處理元素，包括可以加快對象檢測和分類的加速器。
“除了映射和其他功能之外，這是ADAS系統的一部分，”據Arteris IP營銷副總裁Kurt Shuler稱。“在這裡，最初是視覺輸入上的算法和AI或機器學習。然後，雷射雷達和雷達資料被添加到傳感器融合功能中。然後用映射覆寫。這意味着越來越多的硬體架構将由軟體需求驅動。”
Mobileye是這種軟體方法的先驅，但其他公司現在也在采用這種方法。
“這意味着架構師面臨着一個巨大的挑戰，即如何将資料從晶片的一部分傳輸到晶片的另一部分，”Shuler表示。“服務品質、調整片上網絡拓撲結構及其中進行優先級排序的邏輯，以及資料的排序，都将是一個巨大的挑戰。”
Synopsys的Wottreng指出，這将引領軟體生态系統的構築，反過來又将在設計周期中向左移動，以減少設計和驗證時間，同時也推動數字孿生的增長。所有這些都是自動駕駛汽車下一步所必需的，但仍然存在許多障礙。
“距離實作全自動駕駛汽車還存在很大差距，但不斷提升的輔助駕駛水準和限制操作設計領域的應用程式，顯示着我們取得了真正的進展，”Arm汽車和物聯網業務線進階副總裁兼總經理Dipti Vachani在最近的一份報告中表示。“為了實作這一新的功能範圍，随着不同的ECU合并到域控制器中，汽車電子電氣架構将經曆挑戰性的演變。數字孿生是這些域控制器在道路上單個汽車内的‘實時’數字娛樂。這使開發人員能夠測試ADAS，自動駕駛和其他未來的軟體工作負載。這對行業的重要性似乎确實是一個不同的思維模式。現在，對于硬體或軟體開發人員來說，它是一種可以幫助他們完成工作，并可能識别缺陷和錯誤的工具。然而，對于高管來說，這是通往新收入來源的途徑——實時和持續的診斷、預測性維護等等。三分之二的軟體開發人員意識到軟體定義工具（SDV）将對他們的工作和整個行業産生深遠的影響。在這個階段，可能不太明顯的是，數字孿生的重要意義在于使開發人員能夠更快地部署解決方案。”
Schweiger表示，汽車行業，尤其是OEM和Tier 1，仍然需要在複雜晶片開發中找到自己的定位，以便最終OEM能夠自主開發用于自動駕駛的SoC。“自主研發SoC并不簡單，因為很多功能都內建到SoC中，而這些複雜的SoC也在運作一個非常複雜的軟體堆棧。OEM 在此設定中将扮演什麼角色？Tier 1将扮演什麼角色？半導體供應商在提供完整驅動系統方面也向供應鍊上遊移動，例如Nvidia，他們的作用是什麼？我們能否預期一個商業解決方案，就像我們以往從半導體供應商那裡獲得的那樣，行業或OEM也會建立某些合作夥伴關系？”
他指出，成本是自動駕駛的另一個因素，因為所需複雜計算平台的開發成本非常高。“在全自動駕駛汽車的初始階段，我們将看到的是商用車、計程車、卡車、火車，最終才是自動駕駛汽車，或者至少是共享模型。對于私人使用，該系統的成本需要下降。龐大的傳感器堆棧和非常複雜的計算平台花費了大量資金，是以成本需要降低。”
Elektrobit的Seidel建議，汽車規模化将需要大批量高性能計算（HPC）汽車架構，但價格水準是可以接受的。“雖然取得了很多進展，但我們仍處于過渡階段，許多汽車制造商計劃2024年左右推出下一代先進架構，如區域架構。這意味着現有架構平台尚未發展到可以實作自動駕駛汽車所需連接配接計算和無縫OTA的水準。我們與汽車制造商、Tier 1和晶片制造商合作，確定許多将這些架構變為現實的軟體建構塊（又名汽車作業系統）都可用。”
測試和驗證也需要繼續改進。“必須有一個堅定的法律和監管架構，”Seidel表示。“在自動駕駛方面，有許多平行和競争的發展正在發生。一方面，這對于一個風險如此之高的新行業來說是正常的，對于企業來說，有機會成為第一個解決問題的企業。另一方面，自動駕駛汽車與安全密切相關，這意味着盡職調查與速度同樣重要。是以，除了競争之外，我們還需要更多的合作。不僅僅是汽車制造商，似乎有更多的公司正在并行開發自動駕駛堆棧。而沒有足夠的資源讓每個汽車制造商并行開發所需的平台和軟體堆棧，這也是進步的一個關鍵限制因素。我們需要一個系統子產品化和可互換的模型，并且所有參與者之間有更多的資源共享。”
Rambus的技術産品經理Thierry Kouthon指出，汽車制造商在網絡架構的兩個陣營中具有獨特的動态，這些架構用于将車輛的感官系統與ADAS和處理連接配接起來。“許多現代汽車制造商，如特斯拉和Waymo，傾向于集中處理，因為它允許更無縫的疊代和更容易的軟體更新。另一方面，更傳統的汽車制造商仍然選擇更靈活的區域架構，适合與傳統設計、更廣泛的産品組合和第三方元件制造商合作。這兩個組織也在與日益嚴重的安全問題作鬥争。集中式處理環境使軟體安全更新更容易，但也意味着硬體妥協、允許通路大多數控制系統可能是災難性的。局域性環境需要努力保護每個特定區域網路關的硬體和軟體，降低入侵風險，但系統安全性需要在整個車輛中得到更廣泛的應用。區域架構增加了車輛安全的複雜度，因為每個區域都處理屬于不同安全域的傳感器和ECU，例如傳動系統、車輛舒适性或發動機控制等， 都需要通過軟體手段保持隔離。”
對于這些汽車原始裝置制造商來說，一個有趣的挑戰開始出現，特别是對于特斯拉和Waymo來說，挑戰來源于布線本身。“半自動駕駛汽車上傳感器和系統的數量激增使得布線成為最重的子系統之一。對于需要減輕多餘重量的電動汽車來說，由于平衡了汽車電池增加的重量，這個問題将變得更加複雜。是以，許多汽車制造商正在探索新技術，包括MIPI控制器，以嘗試限制所需的布線。區域架構通過保持每個車輛區域的網關靠近它們控制的ECU和傳感器，而網關通過主網絡互相通信，進而本質上解決了布線問題，”Kouthon說。
标準
這種資源共享是汽車生态系統擅長做的事情，到2022年，标準工作将繼續向前推進。ISO 26262工作組今年将再次開會，讨論繼2011年第1版和2018年第2版之後第3版的下一步。
此外，Shuler指出，IEEE 2851臨時工作組正在與Accellera合作制定資料标準，以根據FMEDA（故障模式影響、診斷分析）實作資料自動化和共享。“關鍵是要讓價值鍊中的人們更容易在工具之間共享資料，因為現在如果你是博世、大陸、電裝或OEM，并從各種來源擷取功能安全資訊和FMEDA檔案，并且你需要對整個系統進行分析，那麼将這些資料整合在一起進行分析非常困難。各種資料源可能都不同。想象一下，在規範中沒有指定故障模式分布電子表格需要什麼樣子、如何進行計算、以及如何傳回和跟蹤。表格中可能有一些數字，但它們實際上來自哪裡？它們實際上是如何計算的？Accellera和IEEE P2851所做的工作就是解決這些疑問，使資料分析更容易。然後，你能夠共享資料，了解資料的計算方式，并進行備份、檢視其意義。你不能用電子表格做到這一點。”
展望未來
Arm最近對Arm全球生态系統中的900人進行了調查，以了解優先事項和對未來的看法。"當我們詢問哪些汽車趨勢和技術将在未來五年内對行業産生最大影響時，出現了兩個明确的主題，即不斷發展的功能安全标準和要求，以及向軟體定義汽車的轉變，"Arm汽車和物聯網業務副總裁Chet Babla表示。
"例如，随着駕駛員繼續依賴ADAS功能，如車道偏離輔助或輔助停車，功能安全計算變得越來越重要。Arm和其他公司繼續擴充具有安全功能的IP産品，以加速一系列ADAS和數字座艙應用的自主決策。此外，Arm在ISO 26262等國際安全指南的制定中發揮着積極作用，并繼續支援合作夥伴開展基于Arm的裝置認證流程。Arm安全就緒計劃包括Arm IP産品組合，其中包括經過ISO 26262認證的軟體工具群組件以及安全文檔，使我們的合作夥伴能夠更輕松地開發和認證其具有安全功能的解決方案。此外，Arm功能安全合作夥伴計劃繼續確定我們的生态系統能夠與專門從事支援功能安全開發和部署所需的軟體、工具、設計服務和教育訓練的合适合作夥伴建立聯系。”
為了加速汽車行業的軟體定義未來，Arm最近宣布将通過SOAFEE提供關鍵資源，SOAFEE是一種新的軟體架構和開源參考實施，将汽車的實時和安全需求與雲原生方法的優勢結合在一起。由于SOAFEE的發展勢頭越來越大，是以已經成立了一個由行業上司者組成的特殊興趣小組，引領并定義雲原生開發範式以及SOAFEE項目的戰略方向。
持續增長和演進
不像其他市場在發展數年後，資金投入和活躍程度都趨于平穩。在汽車市場，創業資金或進軍汽車領域的大公司數量似乎并沒有減少。
"汽車市場仍然活躍，"Shuler表示。"很多公司正在研發各種新的傳感器、雷射雷達、RF SoC——基本上是晶片上的主動掃描相陣雷達。越來越多的公司推出了這些器件。雖然問題遠未得到解決，但似乎仍有越來越多的人進入市場試圖解決問題。即使是自動駕駛汽車的安全相關方面，仍然有大量的工程工作正在進行中。如何解決的标準随着架構的發展而演變，這是達爾文式的。當看到所有競争對手的戰略布局時，就可以判斷一項新技術何時能夠商業化，這對所有技術來說都是一樣的。例如，在2011年、2012年和2013年，手機數據機圖最初看來都一樣。或者，如果看手機應用處理器，它們看起來也一樣，這意味着問題幾乎已經解決了。這将是一個達爾文式演化，可能有20或40家公司共同競争，最後隻剩下2家、3家或4家。汽車中必須進行如此多的處理，而不僅僅是ADAS。這是關于将黑暗時代的許多系統帶入今天的技術，并且問題需要很長時間才能得到解決。
Xilinx汽車業務部進階總監Willard Tu也有類似的看法。"我從未見過汽車行業出現如此大的颠覆，"他說。"汽車網聯化趨勢明顯，一堆從未成為汽車生态系統一部分的初創公司，現在它們無處不在。有太多的資金流向汽車創業公司，這太瘋狂了。當然，還有電氣化趨勢，多虧了Elon Musk，每個人都在努力追趕。汽車生态系統的另一個重大變化是硬體與軟體解決方案。汽車制造商總是依靠制造汽車，然後進行交易。‘我賣給你一輛車。我賺了錢。’現在他們都想複制手機市場，并擁有長期性收入。這絕對是未來發展方向，但很難大規模地做到這一點。對于高檔汽車，我可以了解。對于一款價格實惠的入門級汽車，你打算把所有的電子裝置都放進去嗎？對于特斯拉來說，這很容易。對于Rivian或體量小的全新企業來說，這也很容易。但你能想象一個OEM說，‘我要把所有電子裝置放在每輛車上，看看是否有人會給我錢？’我相信它會發生。這隻是時間問題。”
OEM和Tier 1之間的關系也在發生變化。"過去，Tier 1确實決定了産業發展趨勢，"據Tu介紹。"這些原始裝置制造商希望實作差異化，而軟體商業模式确實與他們息息相關。是以，他們在電子産品領域比過去更加活躍。這增加了市場的不确定性，新手也可以通過靈活的平台為不确定性提供答案。