2018-01-24 周彥武 老佐 佐思汽車(chē)研究
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進(jìn)入汽車(chē)智能化時(shí)代后，座艙電子也在快速變化，HUD、儀表、Infotainment、T-Box、ADAS系統(tǒng)、360度全景、自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)等不再是一個(gè)個(gè)孤島，而是互相聯(lián)系為一個(gè)整體。進(jìn)入L3時(shí)代，駕駛員行為監(jiān)測(cè)可能成為必備的功能，面部識(shí)別、眼球追蹤、眨眼次數(shù)跟蹤等將引入機(jī)器視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)算法。而L4時(shí)代則必備V2X，座艙電子的復(fù)雜程度和運(yùn)算資源需求量暴增。
為了應(yīng)對(duì)這些變化，域控制器、EAVB或TSN網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)AUTOSAR將成為標(biāo)配。座艙IC領(lǐng)域主要玩家，德州儀器的Jacinto 7、NXP的i.mx8、瑞薩的R-CARM3/H3、高通的820A/835A、英特爾的GO/AtomA3900，都將域控制器作為核心技術(shù)。關(guān)于座艙電子域控制器的叫法有多種，偉世通稱之為SmartCore、德?tīng)柛７Q之為Integrated Cockpit Controller (ICC)，德國(guó)大陸稱之為IntegratedInterior Platform(IIP)，德州儀器稱之為Integrated Cockpit，NXP稱之為eCockpit，瑞薩稱之為ConnectedCockpit，QNX還是稱之為Cockpit DomainController。
座艙電子域包括HUD、儀表和Infotainment三個(gè)最主要的組成部分。HUD很快會(huì)演變?yōu)锳R HUD，將ADAS和部分導(dǎo)航功能投射到擋風(fēng)玻璃上，諸如ACC、行人識(shí)別、LDW、路線提示、路口轉(zhuǎn)彎提示、變道提示、剩余電量、可行駛里程等。HUD將成為非常實(shí)用的功能，在L3和L4時(shí)代成為標(biāo)配。毫無(wú)疑問(wèn)，這將消耗大量的運(yùn)算資源。
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未來(lái)的汽車(chē)電子架構(gòu)
域控制器離不開(kāi)車(chē)載以太網(wǎng)，目前車(chē)載以太網(wǎng)可以簡(jiǎn)單分為三類，一類是EthernetAVB（TSN）、一類是車(chē)載診斷的ISO13400標(biāo)準(zhǔn)100BASE-TX，一類是時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)。時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng) ，由 Kopetz 等人首先提出的，它是另一個(gè)基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)車(chē)載通信或工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的候選。它的目的旨在允許時(shí)間觸發(fā)實(shí)時(shí)同步通信與低優(yōu)先級(jí)的事件觸發(fā)以太網(wǎng)消息的共存。這個(gè)技術(shù)通過(guò)應(yīng)用一個(gè)時(shí)間精度為 60μs 的時(shí)分多路方案得以在現(xiàn)有的 802.3 以太網(wǎng)上實(shí)施。時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)支持三個(gè)不同的通信類型，分別為：時(shí)間觸發(fā)（ TT），速度限制（ RC），和盡力傳（BE）。時(shí)間觸發(fā)通信需要比其它類型更高的優(yōu)先級(jí)，反之速度限制通信保證提供一個(gè)預(yù)設(shè)的帶寬級(jí)別。最大努力通信遵循標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)程序。時(shí)間觸發(fā)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是時(shí)間觸發(fā)開(kāi)關(guān)也允許搶占，這意味著，低優(yōu)先級(jí)的消息可被中斷并存儲(chǔ)在開(kāi)關(guān)緩存中以允許時(shí)間觸發(fā)消息搶占優(yōu)先級(jí)。時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)通過(guò)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)實(shí)現(xiàn) SAE AS6802 標(biāo)準(zhǔn)并由 TTTech 進(jìn)一步推廣。
Ethernet AVB是一種弱實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)，也因此在2012年11月EAVB小組改為T(mén)SN小組。不過(guò)目前TSN的標(biāo)準(zhǔn)還不算完備，整體成本也比較高，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的座艙電子領(lǐng)域，Ethernet AVB或許會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)具備競(jìng)爭(zhēng)力，由Ethernet AVB遷移到TSN也比較容易，之前的研發(fā)成果也能保留。
Ethernet AVB 技術(shù)是在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，使用精準(zhǔn)時(shí)鐘同步，通過(guò)保障帶寬來(lái)限制傳輸延遲，提供高級(jí)別服務(wù)質(zhì)量以支持各種基于音視頻的媒體應(yīng)用。 AVB 技術(shù)以IEEE1588 同步協(xié)議和 Zeroconf 零配置協(xié)議為基礎(chǔ)，可以將音視頻流數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)以太網(wǎng)控制信號(hào)一起進(jìn)行傳輸。寶馬于2013 發(fā)布的 X5 模型車(chē)上首次應(yīng)用了以太網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用于一套 360 度全景泊車(chē)系統(tǒng)。
Ethernet AVB 網(wǎng)絡(luò)包括 AVB 終端節(jié)點(diǎn)和AVB 網(wǎng)橋， 各個(gè) AVB 系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)橋橋接在一起，組成 AVB 網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須支持 AVB 協(xié)議族。為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸音視頻流數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)， Ethernet AVB 技術(shù)融合了高層的通信解決方案，主要包括： IEEE802.1AS 精準(zhǔn)時(shí)鐘定時(shí)和同步（Precision TimeProtocol, PTP）、 IEEE802.1Qat流預(yù)留協(xié)議 (Stream Reservation Protocol, SRP) 和IEEE802.1Qav：隊(duì)列及轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議(Queuing and Forwarding Protocol,Qav)，以及其他相應(yīng)協(xié)議。上述的三個(gè)協(xié)議整合到一起，這也就給在局域網(wǎng)中傳送實(shí)時(shí)的多媒體數(shù)據(jù)流提供了可行性。不過(guò)這也只是提供了在可以控制的延時(shí)和足夠帶寬的條件下提出的解決方案，真正在實(shí)際中應(yīng)用還需要以下這幾種上層的通信方案IEEE 1722： 音視頻橋接傳輸協(xié)議（ Audio/Video BridgingTransport Protocol， AVBTP）（二層），IEEE1733：實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（ Real-time Transport Protocol， RTP）（三層），IEEE 802.1BA： AVB 配置文件。
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上面是Ethernet AVB的協(xié)議棧。
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協(xié)議
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內(nèi)容
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功能
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IEEE802.1Qbu，IEEE802.3br
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轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)
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幀搶占
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IEEE802.1Qbv
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轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)
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增強(qiáng)的流量調(diào)度
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IEEE802.1Qca
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資源預(yù)留
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路徑控制和預(yù)留
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IEEE802.1Qcc
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資源配置
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增強(qiáng)功能和性能改進(jìn)
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IEEE802.1Qci
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轉(zhuǎn)發(fā)和排隊(duì)
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流量過(guò)濾和策略
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IEEE802.1CB
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無(wú)縫冗余
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可靠的幀復(fù)制和消除
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IEEE802.1Qch
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隊(duì)列和整形
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循環(huán)排隊(duì)和整形
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IEEE802.1Qcr
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隊(duì)列和整形
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異步流量整形
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IEEE802.1Qcj
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Auto-attch PBB
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IEEE802.1Qcp
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Bridges and Bridged Networks(YANG Model)
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IEEE802.1CM
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前向回傳（TSN for Fronthaul)
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IEEE802.1CS
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Registration
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TSN與EAVB相比主要增加了資源管理和流量控制的內(nèi)容。
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上圖為NXP i.MX系列產(chǎn)品路線圖，i.MX6系列產(chǎn)品是有史以來(lái)最成功的汽車(chē)處理器，i.MX6系列產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛。集成電路設(shè)計(jì)公司要提前市場(chǎng)4-6年設(shè)計(jì)產(chǎn)品，因?yàn)橐豢罴呻娐窂臉?gòu)思到正式量產(chǎn)應(yīng)用最少需要5年時(shí)間，也就是說(shuō)集成電路設(shè)計(jì)公司要按5年后的市場(chǎng)來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。i.MX7是針對(duì)低功耗可穿戴電子而設(shè)計(jì)的，可惜飛思卡爾對(duì)可穿戴市場(chǎng)高估了，i.MX7無(wú)用武之地。
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i.MX8系列有目前最頂級(jí)的A72內(nèi)核，比R-CAR H3的A57內(nèi)核還要略高，不過(guò)R-CAR H3比i.MX8晚了兩年多。
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傳統(tǒng)座艙域電子設(shè)計(jì)如上圖，需要3個(gè)ECU。
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顯示輸出方面，NXP仍然推薦低成本的解串行設(shè)計(jì)，也就是美信的GMSL或德州儀器的FPDLINK，目前解串行設(shè)計(jì)支撐720P的分辨率還是無(wú)任何壓力，德州儀器明確表示未來(lái)FPDLINK會(huì)支持4K，GMSL還不得而知，當(dāng)然你也可以選擇以太網(wǎng)輸出。i.MX8可以支持4路1080P輸出，通常此時(shí)NXP推薦使用車(chē)載以太網(wǎng)交換，也就是EAVB。
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上圖為NXP在2017年CES大展上的樣品。
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上圖為德州儀器對(duì)未來(lái)座艙電子技術(shù)發(fā)展的預(yù)測(cè)。
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上圖為德州儀器的路線圖，不過(guò)目前Jacinto 7還未露面，也沒(méi)有公開(kāi)資料介紹。目前主要還是Jacinto 6，不過(guò)Jacinto 6最高級(jí)的DRA77x已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)座艙電子域控制器的性能。原本以DRA74x為核心處理器的Infotainment設(shè)計(jì)都開(kāi)始轉(zhuǎn)向DRA77x的座艙電子域控制器設(shè)計(jì)，比較典型的有奧迪MIB II Plus。此外上汽與阿里合資的斑馬、寶馬、福特Sync和蔚來(lái)都有可能導(dǎo)入。
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在奧迪e-tron quattro概念車(chē)上，奧迪展示了基于座艙電子域的設(shè)計(jì)。
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這個(gè)設(shè)計(jì)有人稱之為MIB2+，采用德州儀器DRA76x和英偉達(dá)的K1做主芯片。此系統(tǒng)還集成了基于ISP的360度全景?？赡芤呀?jīng)用EAVB取代了原本奧迪一直使用的MOST總線。
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瑞薩的R-CAR H3于2015年12月2日正式推出，量產(chǎn)時(shí)間為2018年3月。R-CAR H3是目前運(yùn)算性能最強(qiáng)的汽車(chē)ARM架構(gòu)SoC，內(nèi)含4個(gè)A57內(nèi)核，4個(gè)A53內(nèi)核，1個(gè)R7安全內(nèi)核。采用臺(tái)積電16納米FinFET工藝制造，這是ARM架構(gòu)汽車(chē)SoC里制造工藝最先進(jìn)的芯片（英特爾的Atom A3900是14納米工藝），即便是尚未量產(chǎn)的i.MX8，也不過(guò)是28納米FD SOI工藝。先進(jìn)制程的優(yōu)點(diǎn)是同樣的運(yùn)算性能功耗更低，可靠性更高，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，16納米比28納米在晶圓方面成本增加了50%，這也是NXP仍然堅(jiān)持28納米的原因。NXP認(rèn)為16納米工藝性價(jià)比不夠高，NXP將在i.MX9上使用14納米工藝。德州儀器的Jacinto6都是28納米工藝，考慮到德州儀器自有晶圓廠，Jacinto7可能也使用16納米工藝或20納米工藝，英特爾在車(chē)載Atom系列還是22納米工藝，英偉達(dá)的Tegra K1也不過(guò)20納米工藝。唯一比較強(qiáng)的是高通的Snapdragon 820是14納米工藝，不過(guò)雖然是14納米，但是三星的LPP工藝，還是不如臺(tái)積電的16納米工藝。
R-CAR H3的硬核也比較多，還有GX6650 GPU，die尺寸巨大，達(dá)到111.36平方毫米，因此也成為目前價(jià)格最高的汽車(chē)SoC。R-CAR H3達(dá)到ASIL-B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，NXP的S32V234達(dá)到ASIL-C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，不過(guò)i.MX8也是ASIL-B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。座艙電子達(dá)到B級(jí)即可，Jacinto6和Snapdraon820都只過(guò)了AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。
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上圖為R-CAR H3內(nèi)部框架圖，可以對(duì)應(yīng)4路輸出。R-CAR H3價(jià)格高昂，2016年10月，瑞薩推出H3的縮水版，即M3，M3比H3減少了兩個(gè)A57內(nèi)核，GPU從GX6650降低為GX6250。但制造工藝仍然是臺(tái)積電的16納米FinFET。
英特爾的A3900系列則是采用了最先進(jìn)的14納米工藝。英特爾的運(yùn)算性能要比R-CAR H3可能還要強(qiáng)，不僅完全對(duì)應(yīng)座艙電子的儀表、Infotainment和HUD，還能夠?qū)崿F(xiàn)L2級(jí)預(yù)警類ADAS，諸如360度環(huán)視系統(tǒng)、LDW、FCW。不過(guò)如此高端的車(chē)肯定不會(huì)是只有L2級(jí)的警告，英特爾有些性能過(guò)剩。當(dāng)然也支持后座娛樂(lè)系統(tǒng)。
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英特爾A3900系列產(chǎn)品參數(shù)表
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后起之秀高通的Snapdragon 820A也值得一提，這款芯片首發(fā)于2016年1月，脫胎自手機(jī)用的Snapdragon820，A代表Automotive，汽車(chē)級(jí)。毫無(wú)疑問(wèn)這款芯片對(duì)安卓系統(tǒng)的支持是最好的。這款芯片被偉世通選中作為其第二代座艙電子域SmartCore控制器的核心芯片，將與某歐洲車(chē)廠（可能是PSA）在2018年上半年正式推向市場(chǎng)，支持HUD、全液晶儀表（1920*720分辨率）、基于安卓的Infotainment，只用一片820A。三塊顯示之間可以任意通訊切換，此外虛擬機(jī)配置工具也可以基于PC，不需要昂貴的開(kāi)發(fā)工具。820A強(qiáng)大之處在于擁有高通Gobi 9x15多模Modem，最高可支持CAT-12。可以省下部分通訊模塊的成本，其他方面也相當(dāng)優(yōu)秀，4核心1.5GHz的Krait CPU，Hexagon QDSP6型DSP（支持深度學(xué)習(xí)喲），Adreno 320型GPU。全面支持FPDLINK。缺點(diǎn)也有，就是接口不足，只有一個(gè)以太網(wǎng)，兩個(gè)CAN和一個(gè)LIN，跟車(chē)載專用SoC比要少很多。
座艙電子域控制器的軟件部分主要是虛擬機(jī)，在ARM v8架構(gòu)未推出前，主要都是基于軟件的虛擬機(jī)技術(shù)，通過(guò)在已有操作系統(tǒng)上不斷的加載新的虛擬機(jī)，從而達(dá)到一機(jī)同時(shí)控制多個(gè)系統(tǒng)的目的。不過(guò)，由于是主要基于軟件，因此其相應(yīng)的系統(tǒng)代碼數(shù)量也會(huì)隨著虛擬機(jī)的增加成指數(shù)倍的增加，系統(tǒng)出錯(cuò)幾率也成倍提升，而對(duì)于主打安全性的汽車(chē)來(lái)講是不太合適的，特別是最近興起的ISO26262標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)軟件工作量持續(xù)增加，也增加了成本。ARM v8架構(gòu)的A53和A57推出后，基于硬件的虛擬機(jī)技術(shù)后來(lái)居上。每個(gè)系統(tǒng)都會(huì)有相對(duì)應(yīng)的芯片內(nèi)核來(lái)進(jìn)行控制，就不會(huì)造成軟件系統(tǒng)的相互堆疊，極大的減少了系統(tǒng)代碼的編譯量，同時(shí)設(shè)定隔離池，把對(duì)安全要求比較高的對(duì)車(chē)輛控制部分放在安全等級(jí)高的操作系統(tǒng)（至少達(dá)到ASIL-B級(jí)）里，進(jìn)而保證了整個(gè)汽車(chē)系統(tǒng)的安全和可靠性，并降低了成本。把第三方應(yīng)用放在開(kāi)放的實(shí)時(shí)性要求不高的安卓系統(tǒng)里。
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瑞薩的R-CAR H3則實(shí)現(xiàn)了GPU和其他視頻IP的全硬件虛擬化，最大限度利用GPU資源，降低軟件復(fù)雜度。
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德州儀器則從OMAP 5時(shí)代就開(kāi)始運(yùn)用這種芯片級(jí)虛擬化，英特爾的A3900也支持芯片級(jí)虛擬化。
