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軟體定義汽車的電子系統架構
為了更安全與更智慧而生

【作者: 籃貫銘】   2024年03月21日 星期四

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自德國戴姆勒和賓士在19世紀初發明燃油引擎車至今,汽車已在全球的道路上行駛超過一百年。在這一百多年的時間裡,汽車科技的發展可說從未曾間斷,持續朝著更安全、更舒適、以及更佳的使用效率前進。


如今汽車科技的演進又要邁入新的篇章,一種以軟體控制為核心的汽車電子系統架構-「軟體定義汽車(Software Defined Vehicle;SDV)」,正被逐步導入新的汽車之中,而它的目標始終一致,就是要為駕駛與乘客帶來更上一層的安全性與乘坐體驗。


什麼是軟體定義汽車

軟體定義汽車(SDV)是指汽車大部分的操作,都能透過軟體進行管理。它能夠藉由軟體創造全新的乘坐體驗與駕駛功能,並透過無線(Over The Air;OTA)的方式進行功能更新並提供服務。


不同於傳統的汽車系統是以硬體為中心,絕大多數的汽車功能和性能都是由硬體決定,軟體僅是用來控制硬體的執行。但SDV則是以軟體為中心,汽車的功能和性能都可以透過軟體來更新或進行改進。


SDV的發展緣起可以歸納為以下幾個因素:


‧ 汽車電子技術的發展:隨著汽車電子技術的發展,汽車中的電子控制單元(ECU)數量不斷增加,汽車的電氣化程度也不斷提高。但傳統汽車開發模式是以硬體為中心,隨著汽車電子系統的複雜化,傳統開發模式已難以滿足汽車開發的需求。


‧ 軟體技術的發展:由於軟體技術發展迅速,軟體的開發效率和可靠性不斷提高,進而提升了汽車開發商導入了更多軟體控制功能,以提高汽車的性能和功能。


‧ 消費者需求的變化:消費者對汽車的需求越來越個性化和智能化,而SDV的架構則有助於透過軟體的更新來滿足消費者的不同需求。



圖一 : 隨著汽車電子系統的複雜化,傳統開發模式已難以滿足汽車開發的需求。
圖一 : 隨著汽車電子系統的複雜化,傳統開發模式已難以滿足汽車開發的需求。

具體來說,SDV的發展可以追溯到20世紀90年代。當時,汽車電子技術開始快速發展,而裏頭使用的電子控制單元(ECU)數量也不斷增加,並造成了系統開發的負擔。為了解決這一問題,汽車製造商便開始探索新的開發模式。


1994年,通用汽車(GM)公司提出了「汽車電氣/電子架構(E/E架構)」的概念。E/E架構將汽車的電氣/電子系統劃分為不同的域,每個域(Domain)由一個或多個ECU組成,而域之間可透過網路進行通訊。因此E/E架構的提出,可以說為軟體定義汽車的發展奠定了基礎。


2000年,特斯拉電動車的推出,則是把SDV的實現和普及再往前推進了一個層次。其最大的特色,就是特斯拉的電動車從一開始就採用了軟體定義汽車的開發模式,他們使用中央處理器的架構,所有的軟體都在中央處理器上運行。而這種架構使得特斯拉可以透過軟體更新來不斷改進汽車的性能和功能。


到了2013年,Google推出了汽車的作業系統「Android Auto」,以取代傳統汽車上的軟體系統,目的是讓智慧手機的應用程式可在汽車中使用,並與手機能有深度的連結。之後,博世(Bosch)則又提出了軟體定義汽車的概念,並發布了其第一款SDV平台。


而隨著ADAS、車聯網、自動駕駛等汽車技術的持續發展,更多的功能與應用被陸續地加入汽車電子系統之中,促使SDV的架構也開始有了新的風貌,而其最主要的變化就是控制的架構開始從域的概念,轉向區(zone)的模式,進一步把控制功能專精化。



圖二 : 軟體定義汽車的電子系統架構發展示意圖。
圖二 : 軟體定義汽車的電子系統架構發展示意圖。

軟體定義汽車的優勢與特性

由於SDV是一種新興的汽車設計概念,它把汽車視為一個可程式化的平台,並透過軟體來定義和控制汽車的功能。與傳統的汽車電子系統架構相比,SDV具備以下幾項優勢:


系統靈活性更高

傳統汽車電子系統架構採用分散式設計,由多個電子控制單元(ECU)組成,這些 ECU 各自負責特定的功能,雖然彼此之間的連結性(Coupling)較高,但靈活性較差。SDV 則採用集中式或域控制器架構,將多個 ECU 整合到一個或幾個中央控制器中。如此,系統的複雜度降低,靈活性也得到提升。


功能擴展性更強

傳統的汽車功能通常是固定的,只有在硬體變更或升級時才能進行改動。而SDV 則可以透過軟體更新來實現功能擴展。


安全性更高

傳統汽車電子系統架構不易修復漏洞,一旦遭到破解就容易受到攻擊。SDV可以透過軟體更新來修復安全漏洞,進而提高汽車的安全性。


開發成本更低

SDV 可以簡化汽車的電子系統架構,透過增加中央處理單元的方式,來減少 ECU的數量,讓系統的設計可以更模組化,從而提升彈性與靈活性,進而降低開發時程與成本,最終降低整體的生產成本。


滿足客製化需求

相較於以硬體為主的設計,SDV可以透過軟體更新來提供不同的服務與功能,有助於滿足消費者的不同需求。


表一:軟體定義汽車電子系統架構與傳統架構的具體比較:

特性

SDV電子系統架構

傳統汽車電子系統架構

架構

集中式或域控制器架構

分散式 ECU 架構

功能

可程式化、可擴展

固定功能

更新

軟體更新

硬體升級

安全性

更高

較低

成本

更低

較高


具體來說,SDV的電子系統架構具備三大特性:


1.區/域控制器:使用區/域控制器將車輛的功能劃分為不同的區或域,而每個區域都由相對應的控制器負責。


2.高性能運算平台:為了滿足對算力的需求,SDV系統都需要採用高性能的運算平台,以實現即時的資料處理效能。


3.高速網路技術:由於SDV對通訊速度有較高的要求,因此需要採用高頻寬的網路通訊技術,例如車用乙太網路等。


軟體定義汽車的關鍵技術

由此可知,要發展SDV不僅只是電子系統架構的變更,它仍須要有相對應的軟硬體及通訊技術的配合才能實現,它包含了新的控制與運算單元,以應對目前的先進駕駛輔助系統與自動駕駛系統;高速的網路傳輸系統,以滿足SDV對資料的即時傳輸的需求;軟體定義架構,書明軟體的整體結構和各個組件之間的關係。


處理運算平台

在運算單元方面,SDV 需要運行大量的軟體應用程式,因此需要高性能的處理元件。目前,主流的 SDV 運算單元包含CPU、GPU與FPGA等。


車用乙太網

傳統汽車電子系統採用 CAN 等低速匯流排,無法滿足 SDV 對高速數據傳輸的需求。而車用乙太網路最高可達 100 Gbps,可以提供更高的數據傳輸速率和更低的延遲。


軟體架構與開發工具

SDV 的軟體架構需要支持模組化、可再用和可擴展等特性,以適應不同功能的需求。主流的 SDV 軟體架構包括POSIX、AUTOSAR、AUTOSAR Adaptive等。軟體開發工具則是開發SDV軟體所必需的工具,它能幫助開發人員提高開發效率和質量。


雲端服務與更新

SDV 需要透過雲端服務來收集和儲存相關的汽車數據,進而實現資料的分析,以及更新等功能。雲端服務可以提高 SDV 的效率和靈活性。而常用的軟體更新方式如空中更新(OTA)。


網路與資訊安全

由於SDV大幅採用網路傳輸與數位軟體的控制方式,因此將面臨著更高的網路安全挑戰,就必需要採取有效的安全措施來保護車輛免受攻擊。包含加密技術、防火牆、入侵偵測與防護等。


車聯網技術

要實現汽車智慧化,使汽車與汽車、基礎設施和外部服務能夠彼此進行溝通與互聯是重要的一環,因此進行通訊就是必然,從而實現智慧交通管理和車輛自動化。



圖三 : SDV 需要透過雲端來收集汽車數據,進而實現資料的分析,以及更新等功能。
圖三 : SDV 需要透過雲端來收集汽車數據,進而實現資料的分析,以及更新等功能。

結語

整體而言,軟體定義汽車的誕生,就是為了改進傳統汽車電子系統架構而來,而它的目的就是要讓汽車電子系統的設計更加地有效率,同時性能也更強大,其背後的目標,都是朝向提升駕駛安全與增進乘坐體驗。而隨著SDV的逐步落實和普及,也將會帶來全新的汽車應用與零組件的商機。


展望未來,我們將可以預期SDV的電子系統將會更加開放、更加標準化。雖然說目前各個汽車製造商都採用自己的車載軟體平台,但隨著整體市場的逐漸開展以及消費者的要求下,這種碎片化與相容性的問題也會逐步的被打破,未來車載軟體平台將更一致性,以便汽車製造商可以更輕鬆共享和使用軟體資源。


而對零組件製造商來說,在軟體平台的基礎穩固之後,元件開發的效率與效益也會水到渠成,並在全新的電子系統架構的帶動下,迎來全新的市場機會。市場研究Market Research Future 的報告就指出,全球軟體定義汽車關鍵元件市場預計將從 2022 年的 2,850 億美元增長到 2028 年的 5,600 億美元,複合年增長率(CAGR)將高達 12.5%。


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