芯與核今非昔比，智能汽車的發(fā)力點(diǎn)在哪兒？

文︱立厷

圖︱網(wǎng)絡(luò)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車（ICV）催生了整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)的巨大變革，而當(dāng)前行業(yè)首當(dāng)其沖的是缺芯少核，不僅是作為硬件的芯片，還有作為汽車靈魂的軟件，特別是操作系統(tǒng)。中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)如何在這樣的大背景下尋求發(fā)展，來(lái)看看國(guó)汽智控（北京）科技有限公司總經(jīng)理、首席技術(shù)官尚進(jìn)博士在以“智車智駕 智創(chuàng)未來(lái)”為主題的2021中關(guān)村智能網(wǎng)聯(lián)汽車國(guó)際創(chuàng)新論壇上怎么解讀。他也是國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車創(chuàng)新中心首席技術(shù)專家、中國(guó)智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟基礎(chǔ)軟件工作組組長(zhǎng)、清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院客座研究員。

芯與核今非昔比，發(fā)力點(diǎn)在哪兒？

尚進(jìn)博士表示，我們的汽車電子發(fā)展了幾十年，本來(lái)就有芯和核，但在智能網(wǎng)聯(lián)時(shí)代，芯是加入了AI（人工智能）形成的比較大的SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）；核在軟件定義汽車時(shí)代有了全新的定義，絕不是計(jì)算機(jī)的傳統(tǒng)內(nèi)核，更不是汽車中原來(lái)有的一些東西。所以，需要搞清操作系統(tǒng)是什么？核是什么？在智能汽車中有什么樣的作用？

倒退二三十年，從Windows－Intel的互聯(lián)網(wǎng)到今天的智能汽車時(shí)代，未來(lái)五到十年，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟或核是什么？既有封閉體系，從傳統(tǒng)的微軟、蘋果到今天汽車行業(yè)的特斯拉；也有開放體系，如Linux、Google和Android。

今天大家都在講軟件定義、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，但我們對(duì)特斯拉的了解有點(diǎn)像盲人摸象。倒退3到4年，人們認(rèn)為特斯拉的新能源三電做的不錯(cuò)，后來(lái)又覺得特斯拉的AutoPilot智駕不錯(cuò)，近一年多在說特斯拉EE架構(gòu)最好；近大半年，發(fā)現(xiàn)特斯拉的真正武器是軟件定義汽車。

很明顯，汽車行業(yè)需要新的產(chǎn)業(yè)鏈出現(xiàn)，如Tier 1．5的新模式。半年來(lái)汽車數(shù)據(jù)安全、信息安全也成為了熱點(diǎn)。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展，數(shù)據(jù)越來(lái)越多，車輛越來(lái)越智能，軟件也越來(lái)越多。對(duì)中國(guó)而言，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的本地化屬性和中國(guó)方案標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越受到關(guān)注。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)并不是封閉的，需要基于中國(guó)傳統(tǒng)汽車的發(fā)展，結(jié)合ICT與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以此推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的新功能、新架構(gòu)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，反過來(lái)帶動(dòng)創(chuàng)新，并進(jìn)一步推向世界。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車可以理解為四個(gè)輪子上的一個(gè)數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心當(dāng)然有硬件及其操作系統(tǒng)或基礎(chǔ)軟件。幾年前，博世就提出了整個(gè)車輛EE架構(gòu)的變化，現(xiàn)在行業(yè)都認(rèn)識(shí)到集中域控的重要性。博世說下一步是車內(nèi)域控和云計(jì)算的結(jié)合，但直到今天整個(gè)行業(yè)都沒有回答這個(gè)終極架構(gòu)問題。現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外的主機(jī)廠不僅做硬件，也都有自己的軟件公司。

事實(shí)上，我們所熟知的芯片硬件企業(yè)其核心或發(fā)力點(diǎn)是基礎(chǔ)軟件，比如特斯拉最強(qiáng)大的武器是軟件定義OTA（空中下載技術(shù)）。其核心是操作系統(tǒng)應(yīng)用的開發(fā)新模式，它更新的是應(yīng)用，而不是整個(gè)軟件棧。否則，從定義一個(gè)功能到實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、部署，就不可能在短時(shí)間內(nèi)完成。

所以，行業(yè)一定要有一個(gè)好操作系統(tǒng)和架構(gòu)。博世不僅提硬件架構(gòu)，也提軟件架構(gòu)。它創(chuàng)造性地分了三層架構(gòu)，下面是ICT基礎(chǔ)架構(gòu)、內(nèi)核和車輛的AUTOSAR中間件；中間是針對(duì)應(yīng)用的可插入模塊；上面是應(yīng)用開發(fā)層。左邊是同樣的架構(gòu)在云上的映射，然后是數(shù)字孿生。

從整個(gè)行業(yè)發(fā)展看，不論是代表硅谷ICT進(jìn)入汽車行業(yè)的特斯拉，還是傳統(tǒng)汽車巨頭，都認(rèn)為變革不僅僅是芯片硬件，更主要的是定義軟件或汽車操作系統(tǒng)。傳統(tǒng)內(nèi)核只是一部分，更重要的是連接計(jì)算機(jī)內(nèi)核和應(yīng)用平臺(tái)之間的部分。

什么是自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)？

尚進(jìn)博士說，兩年前提出的中國(guó)自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)現(xiàn)在看起來(lái)還是極具前瞻性的頂層設(shè)計(jì)，回答了智能汽車操作系統(tǒng)不僅僅是內(nèi)核，而是包含行業(yè)共性東西的問題，如駕駛功能或應(yīng)用開發(fā)需要的基礎(chǔ)軟件。

在開發(fā)車輛應(yīng)用時(shí)，主機(jī)廠怎么開發(fā)自動(dòng)駕駛功能呢？應(yīng)該像基于AUTOSAR開發(fā)網(wǎng)關(guān)那樣進(jìn)行開發(fā)，使用集中域控開發(fā)自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)。自動(dòng)駕駛的研發(fā)包括底盤域、座艙域等，然后還要把動(dòng)力域集成在一起，這就要使用智能汽車操作系統(tǒng)。它是對(duì)中央域控、與云結(jié)合的很多ICT的一個(gè)抽象共性解析，一定離不開車輛功能的共性。

中國(guó)正在定義車輛操作系統(tǒng)的國(guó)標(biāo)，包括車控和車載。車控分成兩個(gè)階段，第一個(gè)現(xiàn)在已經(jīng)有了，叫做安全車控，包括傳統(tǒng)的AUTOSAR CP；而在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景，需要基于域控的行業(yè)融合支撐的公共軟件，進(jìn)一步開發(fā)整車操作系統(tǒng)及云操作系統(tǒng)。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車OS開發(fā)實(shí)踐

今年3月，工信部發(fā)布了《車載智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)參考架構(gòu)1．0》（簡(jiǎn)稱“車載計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)白皮書”），作為其編撰者之一，尚進(jìn)博士表示，不論是汽車操作系統(tǒng)，還是手機(jī)操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)首先要向下跟硬件解耦，一是跟芯片解耦，二是跟硬件架構(gòu)解耦。

自動(dòng)駕駛域控基于的硬件架構(gòu)有幾種。一種是Mobileye，用智能傳感器來(lái)做；另一種是一個(gè)大的SoC；還有一種是AI和計(jì)算分離的硬件。不同的硬件架構(gòu)應(yīng)該使用同一套操作系統(tǒng)，要能夠跟架構(gòu)或芯片解耦。

從自主角度看，這樣的操作系統(tǒng)不僅支持華為，也支持地平線、黑芝麻，以及一些國(guó)外廠商。另一點(diǎn)是優(yōu)化，做車用產(chǎn)品，特別是車控自駕，包括底盤、車身等，必須具有實(shí)時(shí)性和安全性，又離不開深度耦合。

在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方面，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)內(nèi)核、AUTOSAR或傳統(tǒng)車輛操作系統(tǒng)，還有功能軟件起什么作用呢？主要是銜接ICT和應(yīng)用開發(fā)，具體包括保證整個(gè)域控器的實(shí)時(shí)性、可靠性和平臺(tái)化，還有數(shù)據(jù)安全。

操作系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)聯(lián)云控功能，不僅有傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)定義的CPU調(diào)度、內(nèi)存分配，還包含網(wǎng)絡(luò)棧，甚至包含防火墻功能。所以，任何一個(gè)定義的操作系統(tǒng)不僅包含行業(yè)本身的應(yīng)用開發(fā)，也包含很多應(yīng)用中需要的共性東西。這個(gè)操作系統(tǒng)向上要提供應(yīng)用開發(fā)接口，能夠讓主機(jī)廠、Tier 1高效地開發(fā)自動(dòng)駕駛應(yīng)用。

在軟件定義汽車時(shí)代，需要開發(fā)更多的擴(kuò)展功能，比如各種HMI（人機(jī)接口）、面向SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）的各種接口。一個(gè)好的操作系統(tǒng)平臺(tái)要向下跟硬件解耦，同時(shí)具有控制性。隨著芯片功能的提升，操作系統(tǒng)性能也要提升。支持L1、L2、L4功能的應(yīng)該是同一套操作系統(tǒng)，也包括算法。主機(jī)廠需要找到自己的發(fā)力點(diǎn)，有自己的開發(fā)習(xí)慣，而操作系統(tǒng)也要跟主機(jī)廠共建，能夠?qū)⒁恍┲鳈C(jī)廠定制化的算法無(wú)縫插入，最后形成主機(jī)廠的定制OS。

主機(jī)廠有所為，有所不為

尚進(jìn)博士認(rèn)為，產(chǎn)業(yè)鏈不同部分的廠商應(yīng)該有所為，有所不為。汽車最終一定是硬件和軟件集成在一起的產(chǎn)品，離不開整體系統(tǒng)架構(gòu)。智能汽車操作系統(tǒng)要求分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件的協(xié)同，所以包含一些硬件和軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)。操作系統(tǒng)是頂層設(shè)計(jì)，我國(guó)也在同步推進(jìn)和建設(shè)汽車國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)標(biāo)。

今年7月，汽車操作系統(tǒng)架構(gòu)已準(zhǔn)備國(guó)標(biāo)立項(xiàng)，團(tuán)標(biāo)也在推進(jìn)中，應(yīng)該在下個(gè)月正式發(fā)布，整個(gè)行業(yè)有四、五十家企業(yè)參與。

未來(lái)的操作系統(tǒng)將向下跟硬件解耦，向上支持全生態(tài)鏈的所有主機(jī)廠。目前這樣的操作系統(tǒng)向上提供七類接口，總共有60多個(gè)API（應(yīng)用程序接口），有多達(dá)150多項(xiàng)數(shù)據(jù)類型和消息。這些不是傳統(tǒng)車的信號(hào)，而是基于集中域控為自動(dòng)駕駛開發(fā)和新增的內(nèi)容，不久將推動(dòng)團(tuán)標(biāo)做進(jìn)一步的補(bǔ)充，希望有全行業(yè)的積極參與。

應(yīng)用開發(fā)到底怎么做？

關(guān)于應(yīng)用開發(fā)，尚進(jìn)博士以自動(dòng)駕駛中人們最熟悉的多源融合ACC功能為例解釋說，基于單雷達(dá)的ACC可以通過增加攝像頭等多源傳感器來(lái)增加車道線識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)橫向控制能力的快速開發(fā)。

其五個(gè)步驟包括：通過默認(rèn)狀態(tài)機(jī)加載一個(gè)ACC應(yīng)用，以單毫米波達(dá)為感知源；通過車輛系統(tǒng)適配SKD新傳感器；用狀態(tài)機(jī)配置SKD功能狀態(tài)和參數(shù)；用插擴(kuò)算法SDK配置新的融合算法；通過規(guī)劃控制SDK選擇合適的規(guī)控算法和組件。在這個(gè)過程中，環(huán)境型數(shù)據(jù)不需要通過環(huán)境模型SDK重構(gòu)，傳感和算法適配好后數(shù)據(jù)自動(dòng)按新配置輸出，即可獲取使用。

整個(gè)開發(fā)過程是一個(gè)完整的SDK環(huán)境，從開發(fā)編譯到仿真測(cè)試都集中在一起。現(xiàn)在主機(jī)廠跟以前不一樣，一定要下沉，這也是為什么利用所提供的操作系統(tǒng)，由主機(jī)廠做應(yīng)用開發(fā)的原因。主機(jī)廠可以自定義ACC狀態(tài)機(jī)，針對(duì)別規(guī)控算法，主機(jī)廠可以使用一個(gè)無(wú)縫API接口來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠和功能安全。

比較熱門的NGP（自動(dòng)導(dǎo)航輔助駕駛）功能也是這樣，主機(jī)廠可以利用七類不同SDK定義自己的NGP屬性，根據(jù)需要自定義算法。算法、狀態(tài)機(jī)或控制邏輯都可以自動(dòng)加入。操作系統(tǒng)與硬件集成在一起提供了幾大數(shù)字底座功能，保證整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和不同硬件平臺(tái)的優(yōu)化。

另一個(gè)很有意思的是HMI，軟件定義并不只是自動(dòng)駕駛，還有更多擴(kuò)展功能，自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)可以由主機(jī)廠來(lái)定義和定制，HMI可以是座艙，也可以是云端，由第三方以SOA的形式提供不同的消息和數(shù)據(jù)，并通過接口來(lái)定義開發(fā)。

數(shù)據(jù)安全和信息安全不可或缺

尚進(jìn)博士指出，數(shù)據(jù)安全和信息安全是智能汽車的必需，也是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。車輛需要車規(guī)級(jí)的實(shí)時(shí)性和可靠性，所以一定要跟自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)和核心操作系統(tǒng)耦合在一起。

行業(yè)所面臨的一個(gè)創(chuàng)新性挑戰(zhàn)是自動(dòng)駕駛安全和車輛數(shù)據(jù)安全，因?yàn)檐囕v數(shù)據(jù)量巨大，而且車輛智能化的處理能力都不是傳統(tǒng)信息安全溯源所能夠處理的。

傳統(tǒng)信息安全架構(gòu)包括防火墻和認(rèn)證，仍然會(huì)存在，它是行業(yè)發(fā)展的引路或借鑒。但是我們所面臨的新挑戰(zhàn)是自動(dòng)駕駛安全和數(shù)據(jù)安全。

在自動(dòng)駕駛的感知規(guī)劃決策、感知規(guī)劃控制之間需要做一定程度的隔離，以保證數(shù)據(jù)安全。從攝像頭收到數(shù)據(jù)、處理、存儲(chǔ)，最后傳輸?shù)恼麄€(gè)過程中，需要做更好的數(shù)據(jù)分類和分級(jí)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和保護(hù)。很明顯，這與自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)是強(qiáng)耦合的。同樣，用操作系統(tǒng)也可以做自動(dòng)駕駛、數(shù)據(jù)安全核心應(yīng)用的開發(fā)。

這里的主要工作是配置，可以提供給主機(jī)廠，也可以提供給終端用戶，更可以實(shí)現(xiàn)國(guó)家監(jiān)管。利用SDK接口可以為ACC配置不同的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)防護(hù)，通過自動(dòng)駕駛架構(gòu)SDK配置數(shù)據(jù)安全。

針對(duì)ICVOS，根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律、法規(guī)開發(fā)的電子圍欄功能包括：數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)分級(jí)、策略執(zhí)行和數(shù)據(jù)脫敏。在缺省情況下，可以將四類分級(jí)數(shù)據(jù)都上傳到云端。此外，如果車開到敏感區(qū)域，比如市政府，只有低等級(jí)的一級(jí)、二級(jí)數(shù)據(jù)可以上傳，三級(jí)、四級(jí)數(shù)據(jù)不能上傳；如果開到軍事區(qū)，不僅是上傳數(shù)據(jù)，對(duì)周邊攝像頭也會(huì)進(jìn)行限制，如打上馬賽克，只能識(shí)別做巡航的車道線。再往前開，不僅不能上傳數(shù)據(jù)，不能巡航，車也要停下來(lái)。數(shù)據(jù)安全分類大局已定，但是真正要做數(shù)據(jù)安全防護(hù)，一定要跟自動(dòng)駕駛強(qiáng)耦合。

在車云計(jì)算協(xié)同中，我們可以將一個(gè)物理單車數(shù)字化，或者叫智能網(wǎng)聯(lián)化的數(shù)字抽象，用硬件加上操作系統(tǒng)完成所有應(yīng)用的開發(fā)。今天的車就像一個(gè)四個(gè)輪子上的數(shù)據(jù)中心，但現(xiàn)實(shí)情況是，ICT必須是云計(jì)算，必須融合在一起，有實(shí)時(shí)的安全架構(gòu)。

從車控角度看，傳統(tǒng)的幾大域：行駛智駕域、動(dòng)力車身域、底盤域，都需要實(shí)現(xiàn)計(jì)算自然延伸到邊緣，即5G MEC，只有利用操作系統(tǒng)才能擴(kuò)充應(yīng)用，將物理單車計(jì)算與邊緣融合在一起，實(shí)現(xiàn)真正的延伸。

在實(shí)踐中，通過與各主機(jī)廠的合作，在試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了車邊計(jì)算架構(gòu)，融合了車、路、云、網(wǎng)、圖?；谝粋€(gè)邏輯上統(tǒng)一的OS，從單車到云端，通過不同配置實(shí)現(xiàn)車云協(xié)同，車和邊緣都運(yùn)行OS，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算、協(xié)同感知、決策規(guī)劃。

生態(tài)鏈協(xié)作剛剛開始

在推動(dòng)頂層設(shè)計(jì)和行業(yè)工程產(chǎn)品過程中，整個(gè)體系架構(gòu)不是一家所有，需要團(tuán)結(jié)整個(gè)生態(tài)鏈推進(jìn)、支撐實(shí)現(xiàn)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，幫助中國(guó)主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)騰飛。操作系統(tǒng)向下支撐幾乎所有的中國(guó)自主技術(shù)，也包括國(guó)外的芯片硬件平臺(tái)；向上服務(wù)全部主機(jī)廠，分兩層融入成熟的產(chǎn)業(yè)鏈和算法；另一方面，主機(jī)廠也會(huì)開發(fā)很多模塊，最后在定制操作系統(tǒng)上做應(yīng)用開發(fā)。

展望未來(lái)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車正在走向硬件趨同、軟件定義和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。未來(lái)將是彈性異構(gòu)分布硬件平臺(tái)＋可移植開放架構(gòu)、車云協(xié)同的操作系統(tǒng)＋廣泛應(yīng)用開發(fā)，還必須有信息安全和數(shù)據(jù)安全。

尚進(jìn)博士最后表示，我們的事業(yè)剛剛開始，智能網(wǎng)聯(lián)是汽車行業(yè)變革的下半場(chǎng)。今后將繼續(xù)基于行業(yè)平臺(tái)持續(xù)進(jìn)行前瞻研究、標(biāo)準(zhǔn)研制、測(cè)評(píng)、示范，共同推進(jìn)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。