--新春快樂，歡度除夕--
有關半導體晶片的持續短缺導緻全球汽車産量下降的種種預測不斷升溫。2021年1月，有分析師預測，受晶片短缺的影響，全球汽車産量将減少150萬輛；到4月時，這一預測數字已增長至270萬輛；截至5月，這個數字則達到了410萬（見圖1）。
圖1 晶片短缺對全球汽車産量的影響（圖表制作者：MARK MONTGOMERY）
半導體晶片的短缺不僅突顯了汽車供應鍊的脆弱，也使當今汽車行業對隐藏在車輛内的數十台計算機的依賴曝光在人們的視野中。
美國克萊門森大學國際汽車研究中心汽車工程系主任Zoran Filipi表示：“沒有其他行業像汽車業一樣經曆着如此迅速的技術變革。這種發展的推動力來自即将到來的需求、越來越嚴格的二氧化碳排放标準，同時還伴随着以前所未有的速度發展的自動化與資訊娛樂，而且還需要滿足客戶對性能、舒适性以及實用性的期望。”
面向汽車業，未來幾年将發生更大的變化。為了減緩全球氣候變化，越來越多的汽車制造商都承諾逐漸淘汰内燃機動力汽車，并最終由能夠自動駕駛的電動汽車取而代之。
過去十年間，内燃機動力汽車取得了快速發展，但它的結局早已在冥冥之中注定。
慕尼黑技術大學資訊學名譽教授、汽車軟體專家Manfred Broy指出：“過去軟體是汽車的一部分，而如今軟體決定了汽車的價值。車輛的成功對于軟體的依賴超出了對機械的依賴。”他表示，如今幾乎所有汽車制造商或業内人士所談論的車輛創新都與軟體有關。
十年前，隻有高端汽車才包含100多個基于微處理器的電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），這些ECU在車身内形成了網絡，執行着1億多行甚至更多的代碼。而如今，像寶馬7系這樣擁有先進駕駛輔助系統等技術的高端汽車可能包含150個或更多的ECU，據估計，2008年，豪華汽車的ECU之間資料信号交換隻有2500個。沃爾沃的Antinyan表示，如今沃爾沃汽車中的120個ECU連接配接了7000多個外部信号，而汽車内部交換的信号數量要高出兩個數量級。咨詢公司麥肯錫估計，這些資訊每小時的資料量可輕松超過25GB 。Chowdhury表示，随着過去十年間移動應用和基于雲的服務爆炸式增長，車輛本身内置的電子裝置越來越複雜，“潛在的攻擊面幾乎每天都在增加。” 各國政府也注意到了這一點，并推出了多項汽車制造商需要貫徹的網絡安全義務。其中包括擁有經過認證的網絡安全管理系統（Cyber Security Management System，CSMS），該系統要求每個制造商“展示基于風險的管理架構，用于發現、分析和防範相關威脅、漏洞以及網絡攻擊。” 此外，原始裝置制造商還需要通過軟體更新管理系統，確定安全地管理無線軟體更新。他們鼓勵汽車制造商維護每台車輛的ECU、每輛組裝車輛中使用的操作軟體元件的資料庫，以及整個車輛生命周期内應用的版本更新曆史日志。”這份軟體清單可以幫助汽車制造商快速确定哪些ECU和特定車輛會受到某個網絡漏洞的影響。
軟機械師
在汽車内的電子線路不出問題的情況下，相信大多數司機并不會關注到它。不過，随着過去十年間電子線路的增加，駕駛員也會經常關注車輛的電子裝置。根據金融咨詢公司Stout Risius Ross編制的《2020年汽車缺陷和召回報告》顯示，2019年是創紀錄的一年，因電子元件缺陷而被召回的車輛高達1500萬輛。其中一半的召回都涉及軟體的缺陷，這個比例創下了自2009年以來的新高。另外，近30%的缺陷與軟體內建有關，也就是軟體與車輛中其他電子元件或系統的接口引發了故障。三菱汽車曾經召回了60000輛SUV，原因是其液壓單元ECU中的軟體錯誤幹擾了多個安全系統。
最後，超過50%的缺陷都有一個特征：雖然不是由軟體缺陷引起的故障，但仍然可以通過軟體更新進行補救。福特汽車曾召回了Fusion和Escape車輛的某些型号，原因是冷卻液可能會進入發動機氣缸孔，并永久損壞發動機。福特的解決方法是，重新編寫車輛的動力傳動系統控制軟體，以減少冷卻液進入發動機氣缸的可能性。Stout的資料顯示，在過去五年中，利用軟體修複車輛硬體問題的現象在穩步上升。
Stout總經理Neil Steinkamp表示：“平均召回規模一直在下降，車輛的平均年齡也在下降。制造商可以利用科技更快地發現缺陷”，尤其是一些涉及電子産品的缺陷。與軟體相關的缺陷往往出現在新款車輛中，而ECU和其他電子元件的缺陷往往在車輛推出一段時間後才會出現。
Stout總監Robert Levine指出，最近與車輛電子裝置相關的元件缺陷有所增加，“不僅限于友善性，關鍵的行駛安全元件的缺陷也在增加。”例如，自要求2018年5月1日之後制造的所有車輛都必須為駕駛員提供車輛正後方3×6米的可見區域以來，美國就發生了一系列倒車攝像頭召回事件。許多原始裝置制造商發現，複雜的攝像頭軟體與其他車輛安全系統的內建非常困難。
此外，其他新的車輛安全系統的運作也并非完全順利。美國汽車協會（American Automobile Association，AAA）針對可以幫助駕駛員轉方向或制動/加速的先進駕駛輔助系統進行的一項研究表明，這些系統往往會在沒有任何通知的情況下停止輔助，即刻将控制權交還給駕駛員。測試表明，平均每13公裡就會出現某種類型的問題，包括很難讓車輛保持在車道中正常行駛，或者不要讓車輛太靠近其他車輛或護欄。
維修費用節節攀升
許多車主隻有在必須支付維修費用時，才會意識到他們的車輛越來越複雜。在具有進階安全功能的車輛發生碰撞事故後，60%的修理費均來自車輛的電子裝置。
AAA像福特F-150此類的皮卡甚至達到了1.5億行代碼。即使是低端汽車也包含大約100個ECU以及1億行代碼，因為以前所謂的豪華選項功能如自适應巡航控制、自動緊急制動等），如今已成為标準配置（見圖2）。
圖2 汽車主體架構設計
自2010年起，一些安全功能成為強制要求，包含電子穩定控制、備用攝像頭、歐盟的自動緊急呼叫以及更嚴格的排放标準。而内燃機動力汽車隻能使用更具創新性的電子裝置和軟體才能達到這些标準，這進一步推動了ECU以及軟體的滲透。
根據全球領先的專業服務機構德勤公司估算，截至2017年，一輛新車成本的40%可歸于基于半導體的電子系統，與2007年相比該成本翻了一番。據估計，到2030年，該數字将接近50%。德勤公司還進一步推測，如今每一輛新車都裝有價值約600 美元的半導體，由多達3千多個類型的晶片組成（見圖3）。
圖3 不同時期電子系統占汽車總成本的百分比（圖表制作者：MARK MONTGOMERY 資料來源：德勒）
透過ECU數量與軟體代碼行數，我們可以看出目前車輛中存在錯綜複雜的電子與軟體程式設計。觀察它們的協同工作方式，就會發現其中存在着大量駕駛員看不到或不需要看到的複雜性。為了向買家提供多種選擇，汽車制造商不得不推出新的安全性、舒适性性能以及娛樂功能體驗，這導緻每個品牌及型号都出現了多個版本。此外，從汽油到電力、從人類駕駛到自動駕駛的轉變，大量新代碼的編寫、檢查、調試以及抵禦黑客攻擊的安全性，如今的汽車變成了帶輪子的超級計算機，并迫使汽車行業變革。但是，汽車行業能夠适應這種變化嗎？
功能與變量驅動的複雜性
過去的二十年中，在提供更多安全及娛樂功能的需求推動下，汽車已經從單純的交通工具轉變為移動計算中心。與伺服器機架、高速光纖互連不同，ECU和電路之間的資料通信發生在整個車身内（甚至車身外）。每次你去超市時，車輛都會執行數百萬行代碼。Vard Antinyan是沃爾沃汽車的軟體品質專家，他撰寫了大量有關軟體及系統複雜性的文章，他解釋說，截至2020年，“沃爾沃擁有大約120種ECU，我們從中選擇ECU來建立每輛沃爾沃汽車中的系統架構。這些ECU總共包含1億行源代碼。”Antinyan表示：“這些源代碼包含1000萬行條件語句以及300萬個函數，而源代碼中大約有3000萬處都調用了這些函數。”
根據ECU的計算能力、ECU控制功能、需要處理的内部與外部資訊和通信，以及是否由事件或時間觸發，還有強制性的安全和其他監管要求，每個ECU中駐留的軟體數量和類型都不相同。在過去的十年中，為了確定操作品質、可靠性和安全性，投入的ECU軟體越來越多。
采埃孚（全球最大的汽車零部件供應商之一，以下簡稱ZF）軟體解決方案與全球軟體中心副總裁Nico Hartmann表示：“為檢測不當行為以確定品質和行駛安全的軟體數量正在增加。”Hartmann指出，十年前專門用于確定操作品質的ECU軟體隻有大約三分之一，而如今通常都會超過一半或更多，尤其是在關鍵的行駛安全系統中。
沃爾沃車輛中包含哪些ECU和相關軟體（如豪華款SUV XC90擁有大約110個ECU），取決于幾個因素。與所有汽車制造商一樣，沃爾沃針對不同的細分市場提供每種車型的不同版本。Antinyan指出：“即便是相同型号的沃爾沃，在瑞典購買到的車輛也可能會不同于美國地區出售的。”每輛車不僅需要滿足區域監管制度，而且每個車主也可以選擇不同的發動機、駕駛系統、安全系統或其他功能。而車主選擇的标準、各項配置以及法律要求的裝置，這些将共同決定嵌入車輛的ECU、軟體和相關電子裝置的數量和類型，確定能夠無縫協同工作。
Antinyan表示，對于一家汽車制造商來說，“車輛的多個版本非常難以管理，因為它涉及每個人。”舉個例子，營銷部門希望為不同的客戶群提供擁有各種功能、多種多樣的車型，而設計和工程部門則希望減少變量，進而将系統內建、測試、驗證都保持在可控範圍内。每增加一項功能就意味着需要增加額外的傳感器、執行器、ECU和相應的軟體，同時為了確定這些元件正常工作，還需要付出額外的內建工作。
根據德勤的估算，從研發到開始生産，40%的車輛研發費用都消耗在了系統內建、測試、核查和驗證上。記錄生産和銷售的每個車型中所有目前以及遺留的電子産品和軟體是一項非常艱巨的任務。是以，有效管理各個變體的複雜性是整個汽車行業都面臨的一個重大問題。
毋庸置疑，為了連接配接整個車輛内所有的ECU、傳感器和其他電子裝置，并給它們供電，需要耗費大量布線和人工。為了支援車輛定制，汽車需要使用數千種不同的線束，控制經過車輛的信号流也需要多個實體網絡總線。
車輛的實體電子架構帶來了更多需要應對的網絡設計限制。許多ECU需要靠近與其互動的傳感器和執行器，如制動系統或發動機控制的ECU。是以，一個連接配接數千個元件的汽車網絡線束将包含1500多根電線，總長度約5000米，重量超過68公斤。随着ECU、傳感器和相關電子裝置數量的增加，減少線束重量和複雜性已成為汽車制造商的主要目标。
測試挑戰
即便花費大量精力、時間和金錢來確定不同電子裝置之間的協同工作，也無法確定每種ECU可能出現的組合在投入生産之前接受徹底的測試。雖然涉及車輛安全性的要求很少發生變化，但ECU建構的複雜性更多地展現在消費者可選的舒适性、便利性或性能等功能上。在有些情況下，某種可選特性與功能的特定組合，“可能是第一次出現在從生産線上下線的車輛中，也是第一次經曆測試。”采埃孚汽車系統産品規劃副總裁Andy Whydell 如是說。
有些汽車制造商擁有數十萬種車型的建構組合。他說，為了針對某些車型中可能出現的各種電子裝置組合進行現場測試，“可能需要使用十億種不同的測試配置。”然而Whydell表示，在車輛研發過程中，原始裝置制造商可以使用“面包闆”對多個ECU建構組合進行實驗室測試，無須針對每種情況單獨造一輛車。
即使是經過嚴密測試的流行模型，售後也會定期發現錯誤，并釋出軟體更新檔。有些更新檔本身還需要更新檔，通用汽車就曾出現過這種情況：暢銷款2019年雪佛蘭的Silverado以及GMC Sierra輕型卡車和凱迪拉克CT6的召回，都是因為這個原因。
Whydell指出，還有一個因素導緻變體管理更具挑戰性：“幾乎所有ECU設計和軟體都外包給供應商，原始裝置制造商負責內建ECU”，他們可以根據所需的可定制功能建立統一的系統。Whydell表示，個别供應商往往對原始裝置制造商如何內建ECU沒有深入了解。同樣，原始裝置制造商對駐留在ECU中軟體的了解也有限，這些軟體通常都被當作“黑匣子”，能夠支援資訊娛樂、車身一緻性控制、遠端資訊處理、動力傳動系統或自動駕駛輔助系統等多種功能之一。
2020年，時任大衆汽車集團首席執行官、現任董事長的Herbert Diess發表的評論說明，由汽車制造商開發的軟體幾乎寥寥無幾。當時他承認：“幾乎沒有一行軟體代碼來自我們。”根據大衆汽車可以看出，車輛内的軟體之中隻有10%由内部開發，其餘90%是由數十家供應商提供。據報道，在有些原始裝置制造商中，這一數字可以達到50%之多。
如此多的軟體供應商，每一家都有自己的開發方法，他們使用了自己的作業系統和語言，這顯然又增加了另一層複雜性，尤其是在執行驗證和核查方面。最近Strategy Analytics和Aurora Labs對整個汽車供應鍊中軟體開發人員進行的一項調查就突出了這一點。其中有一個問題詢問了評測一個ECU中的代碼變化對另一個ECU的影響難度，大約37%的人表示很難，31%表示非常困難。
汽車公司及其供應商意識到，他們必須展開更多合作，才能更嚴格地控制資料配置管理，并防止由于ECU代碼突然變更而引發意外後果。但雙方都承認還有很長的路要走。
加強資訊安全
當然，汽車制造商不僅必須確定軟體能保障行駛安全，還要提供資訊安全。2015年，安全研究人員遠端控制了2014年生産的Jeep Cherokee，為行業敲響了警鐘。如今，每個供應商和原始裝置制造商都意識到網絡安全乏力的威脅。據報道，通用汽車有90名工程師全職開發網絡安全對策。
然而，十年前，“車輛軟體的設計需要保證行駛安全，而資訊安全是次要的。”車輛網絡安全專家、美國運輸部克萊門森大學互聯多式聯運中心主任Mashrur Chowdhury說道。我們需要注意這一點，因為大部分軟體都是十年或更早以前設計的，在當時資訊安全并不是需要優先考慮的大環境下，這些軟體仍在現如今的ECU 中使用。
此外，在過去十年中，車輛内外的通信呈爆炸式增長。于2018年的一項研究表明，一塊擋風玻璃的維修成本原本在210～220美元之間，但如果車輛的擋風玻璃上安裝了攝像頭，用于自動緊急制動、自适應巡航控制和車道偏離警告系統等，那麼即便是輕微的損壞，維修費用也會攀升至1650美元。校準這些系統的費用（通常是手動完成的）是高成本驅動的因素。
由于傳感器的微小錯誤校準也會大大降低這些安全功能的有效性，“是以，供應商開發了自動校準系統，可以消除或簡化手動操作，”ZF的Whydell說道。這有助于提高校準精度，同時還可以降低維修成本。
Whydell還表示，供應商和原始裝置制造商正在研究如何将車輛周圍的傳感器安裝在不太可能在事故中損壞的位置上。AAA報告稱，僅修理位于後保險杠的超音波系統（可提供停車輔助功能）這一項的成本就高達1300美元。如果用于盲點監測和交叉路口警報的後方雷達傳感器也損壞，則追尾事件可能會産生2050美元的額外費用。
随着電子産品維修成本的攀升，保險公司判定報廢的成本可能更低。理賠管理公司Mitchell International最近的一份報告稱：受汽車電子裝置維修成本的影響，報廢車輛的平均車齡一直在下降。報告指出，随着“車輛複雜性的增加”，預計這一趨勢将持續下去。
EV+AI=難以管理的複雜性
如今，汽車制造商面臨着一個特殊的難題。根據J.D. Power市場資訊公司對美國車輛最新可靠性的研究顯示，内燃機車輛的可靠性達到了32年以來最高，而且也更加舒适、更安全且污染更少。然而，為了應對政府以及公衆對全球氣候變化日益增長的擔憂，制造商不得不放棄精心制作的内燃機車輛，轉向将來能夠實作自動駕駛的電動汽車（Electric Vehicle，EV）。
令汽車制造商的處境雪上加霜的是，為了開發電動汽車，他們必須跨越軟體的鴻溝。ZF的Whydell觀察到，在車輛中，使用當今最新架構的軟體管理難度非常大。
對此，不少人也非常贊同這種看法。咨詢公司麥肯錫稱，車輛軟體的複雜性正在迅速超越開發以及維護的能力。過去十年中，軟體的複雜性增加了四倍，但供應商和原始裝置制造商的軟體生産力卻幾乎沒有提高。此外，他們還認為，在未來十年内，軟體的複雜性可能還會再增加三倍。汽車制造商和供應商都在努力縮小“開發能力與生産能力之間的鴻溝”。
部分問題在于如何支援穩步增長的代碼庫。一位汽車公司負責人向麥肯錫公司分享道，按照目前的速度，如果開發與生産的差距不縮小，現有代碼庫的軟體維護将耗盡他們公司所有的軟體研發資源。事實上，Whydell觀察到，“在有些情況下，汽車行業不再将總代碼行數視為複雜性的衡量标準，而是以原始裝置制造商或供應商為滿足目前及未來的需求而雇用的軟體開發者數量。”
如果真如大衆汽車董事長Herbert Dies所說，“未來汽車創新的90%皆來自軟體”，那麼縮小開發能力與生産能力之間的差距是尤為艱巨的任務。而擁有必要的軟體專業知識将是成功的關鍵。麥肯錫公司表示，“雖然為了赢得軟體上的優勢，各個汽車企業必須在許多層面上都有優異的表現，但吸引和留住頂尖人才可能是最關鍵的因素。”Whydell承認，聘請到合适且優秀的軟體專業人才是“讓我夜不能寐”的原因之一。這同時也是其他供應商以及原始裝置制造商的高管寝食難安的原因之一。
原始裝置制造商認識到，根據特斯拉CEO Elon Musk提出的“軟體定義汽車”的概念（以特斯拉為代表），他們目前的做法——将必要的軟體和電子裝置外包給供應商，然後将它們內建到内燃機車輛的做法，并不适用于電動汽車。
WardsAuto網站引用了一級汽車供應商Continental AG 研究及進階工程主管Tamara Snow的一句話：内燃機車輛中使用的分散式ECU架構的功能和複雜性“已達到極限”，尤其是考慮到完全自動駕駛功能需要大約5億行或更多的代碼。
我們需要新的車輛軟體和實體架構來管理電池組，而不是内燃機和相關的動力傳動系統。這種架構僅包含少量功能強大、速度極快的計算機處理器，它們負責執行微服務驅動的代碼，并通過更輕量級的線束甚至是無線的方式在更多傳感器之間進行内部通信。外部溝通也将更加重要。ZF的Hartmann指出，這些新架構需要由原始裝置制造商和供應商的軟體團隊來開發，而且要低成本且不斷縮短開發周期，是以他們需要學習開發軟體以及系統的新方法。
Manfred Broy表示，最大的問題在于，高管層的軟體專業知識不足以了解當下所需的轉型。雖然車輛中硬體的複雜性非常明顯，但Broy觀察到，“更重要的是軟體的複雜性（這在很大程度上取決于硬體的選擇），尤其是軟體的成本，原始裝置制造商很難認清這一點，但這對于他們的長期發展尤為重要。”他表示，汽車行業的高管大多是“頑固派”，但是他們又手握大權。
克萊門森大學國際汽車研究中心汽車工程系主任Zoran Filipi解釋說：“一百多年來，原始裝置制造商的精力一直都集中在完善内燃機上，車輛的其餘元件都外包給供應商，最後将所有元件內建在一起。随着電子産品和軟體在車輛中的普及，他們也采用了相同的方法，即将它們視為內建到車輛中的另一個‘黑匣子’。而如今，原始裝置制造商及其供應商需要将工作重心從硬體至上轉變為軟體至上，同時在未來十年内仍然需要使用現有的方法支援和改進内燃機汽車。”
奧迪AG前研發主管兼董事會成員Peter Mertens最近在接受CleanTechnica采訪時表示，“德國汽車工業賦予了他們最關鍵的新産品，這将決定他們的公司能否在現有結構中生存下去，這些公司成功的關鍵在于軟體，但各位高管在這方面的經驗和知識卻非常薄弱。”
Mertens表示：“我們需要一種方法來淘汰不能勝任的高管，譬如可以讓大衆、奧迪、保時捷、寶馬和戴姆勒針對所有高層管理人員進行一次評估，并要求他們編寫一個小遊戲或一個簡單但有效的病毒。如果他們做不到，就立即解雇他們，因為他們不适合這份工作。看看這樣下來還能剩下多少人？”Mertens說道。
畢竟，曆史是血與淚的教訓。
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