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在 130 年后，計(jì)算能力將取代驅(qū)動(dòng)馬力

在本文中，泰克公司的 Sudipto Bose 和 Joern Hoepfner 概述了推動(dòng)汽車革命的趨勢(shì)。

在長(zhǎng)達(dá) 130 的悠久歷史中，汽車業(yè)從未經(jīng)歷過(guò)目前發(fā)生的革命。 在電氣化、自動(dòng)化、連接性和移動(dòng)性的推動(dòng)下，制造商不得不重新評(píng)估迄今為止毋庸置疑的實(shí)踐和技術(shù)：實(shí)際上，隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，汽車正從機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)變成車輪上的迷你數(shù)據(jù)中心。

但是，汽車對(duì)電子控制系統(tǒng)的依賴時(shí)間遠(yuǎn)超大多數(shù)人的預(yù)期：批量生產(chǎn)的第一款電子燃油噴射系統(tǒng)為 Chrysler 電子噴射器，共有 35 輛汽車在 1958 年裝備該電子噴射器。 有趣的是，在這些早期先驅(qū)產(chǎn)品中，大多數(shù)均采用 4 腔化油器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改裝，這主要因?yàn)樵缙陔娮酉到y(tǒng)非常慢，難以滿足“快速”燃油計(jì)量的需求。

如今，復(fù)雜的電子發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)不僅能控制燃油噴射和點(diǎn)火，還能在 Otto、Miller 和 Atkinson 間切換工作循環(huán)，近，它們甚至使制造商實(shí)現(xiàn)對(duì)均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的極精確控制的商業(yè)化。

ADAS 正在催生網(wǎng)絡(luò)要求

但是，汽車業(yè)正面臨電子系統(tǒng)的新挑戰(zhàn)，此項(xiàng)挑戰(zhàn)是由電氣化的穩(wěn)定發(fā)展和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 帶來(lái)的，該系統(tǒng)正向全自動(dòng) 5 級(jí)操作快速邁進(jìn)。

“5 級(jí)自動(dòng)化”一詞由 SAE J3016 標(biāo)準(zhǔn)定義，其中介紹了如下六個(gè)自動(dòng)化級(jí)別：
零級(jí)： 人類完全控制汽車，包括轉(zhuǎn)彎、剎車和油門?；颈３竹{駛路線。

一級(jí)： 汽車可以自動(dòng)完成微小駕駛操作，例如剎車。

汽車的未來(lái)依賴于數(shù)據(jù)傳輸

國(guó)際測(cè)試、檢查、審核和認(rèn)證服務(wù)提供商 TüV SüD 的首席技術(shù)官 Dirk Schlesinger 曾說(shuō)過(guò)：“未來(lái)的汽車將是車輪上的 PC，但是，卻極具挑戰(zhàn)性?！?

例如，F(xiàn)ord GT 具有 1 億行代碼，相比之下，Windows 10 具有 2700 至 5000 萬(wàn)行可執(zhí)行代碼，再算上主板、顯卡和 Office 等應(yīng)用程序時(shí)，代碼行數(shù)增至 1 億行。

但是，計(jì)算能力不僅使人們反思電子系統(tǒng)：自動(dòng)化汽車可能配備 15 個(gè)傳感器組（50 個(gè)不同傳感器），它們每天生成大約 4,000 GB 或 4 TB 數(shù)據(jù)：

• 攝像機(jī)生成 20-60 MB/s
• 雷達(dá)需要 10 kB/s 以上的速率
• Sonar 需要 10-100 kB/s 速率
• GPS 在 50 kB/s 速率下運(yùn)行
• LIDAR 速率范圍為 10-70 MB/s

這些數(shù)據(jù)均需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)，自 1986 年起，該網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榭刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò) (CAN)。 初，CAN 總線用于在大約 1 Mbps 的高總線速率和高 8 字節(jié)的數(shù)據(jù)包有效載荷下在汽車內(nèi)的 ECU 間傳輸控制流量。

為了應(yīng)對(duì)大幅的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)， CAN 已經(jīng)完成協(xié)議更改，成為高位速率升至 15 Mbps 且有效載荷升至大約 64 字節(jié)的 CAN FD（靈活數(shù)據(jù)速率） 。

在這些速率下，CAN 仍然無(wú)法應(yīng)付 LIDAR 和攝像機(jī)等成像系統(tǒng)。 此外，控制單元必須在 ECU 間傳輸更多數(shù)據(jù)，以便協(xié)調(diào)子系統(tǒng)。 這將迫使汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)師不僅重新評(píng)估速度，還重新評(píng)估架構(gòu)。

為了支持這些數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)，汽車業(yè)已經(jīng)開發(fā)出幾款替代品，例如：

• 總部位于德國(guó)卡爾斯魯厄的面向媒體的系統(tǒng)傳輸 (MOST) 聯(lián)盟（初針對(duì)多媒體）已經(jīng)創(chuàng)建傳輸速度達(dá)到 150 Mbps 的 MOST150。 此額外帶寬也使 MOST150 非常適合駕駛輔助技術(shù)，例如車道偏離警告、攝像機(jī)系統(tǒng)和自適應(yīng)巡航控制。
• 另一系統(tǒng)為低壓差分信號(hào) (LVDS)，它并非專門針對(duì)汽車應(yīng)用開發(fā)。 它提供帶寬高達(dá) 655 Mbps 且使用銅雙絞線的高速信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。 此較高速度使 LVDS 成為非常吸引汽車攝像機(jī)制造商的方案。
• 近，制造商已經(jīng)采用以太網(wǎng)作為兼具高性能帶寬和低成本單芯“雙絞線”的汽車解決方案。此技術(shù)專門用于滿足汽車業(yè)的嚴(yán)苛車內(nèi)要求，可以針對(duì)多種車內(nèi)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。 這種適合汽車的技術(shù)可提供 100Mbps 的高性能帶寬。

大多數(shù)汽車設(shè)計(jì)包括這些總線標(biāo)準(zhǔn)中的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，具體取決于特定子系統(tǒng)。 FlexRay 具有嚴(yán)格的延遲和時(shí)間特性，因此，它非常適合確定性能至關(guān)重要的“線控操縱”應(yīng)用。 SENT 可以用于與傳感器通信。 此外，我們可以預(yù)計(jì) CAN 和 LIN 繼續(xù)用于久經(jīng)驗(yàn)證的可靠性超出速度需求的應(yīng)用中。 許多 ECU 不僅用作控制器，還用作網(wǎng)關(guān)。

由于高度自動(dòng)化的聯(lián)網(wǎng)汽車將依賴多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)， 因此設(shè)計(jì)師將面臨同時(shí)測(cè)試和排除多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)故障的挑戰(zhàn) 。在 IT 數(shù)據(jù)中心，許多技術(shù)更像在本地一樣，但在汽車中，它們必須在許多溫度和濕度范圍內(nèi)完美運(yùn)行，承受沖擊和振動(dòng)并在大程度上保持與其他模塊和所處環(huán)境的電磁兼容性。

電能管理強(qiáng)化了智能汽車

有牽引系統(tǒng)電氣化的文章較多，這很容易理解。 但是，電力分配系統(tǒng)通常不被承認(rèn)。 在此情況下，12V 網(wǎng)絡(luò)將處理傳統(tǒng)工作量：照明、點(diǎn)火、娛樂(lè)、音頻系統(tǒng)和電子模塊，較高電壓系統(tǒng)將支持主動(dòng)底盤系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)以及反饋制動(dòng)和扭矩輔助。

隨著制造商希望提高性能、降低成本和優(yōu)化動(dòng)力電子產(chǎn)品的包裝，氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體的開發(fā)已經(jīng)開辟新途徑。 例如，在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中，這些寬禁帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)較高開關(guān)速度，從而減少電感器、變壓器和電容器的尺寸，通常還減輕重量并減少尺寸。 它們實(shí)現(xiàn)上述所有目標(biāo)并在上世紀(jì) 90 年代達(dá)到轉(zhuǎn)換效率。

一旦這些系統(tǒng)更符合計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)業(yè)（與傳統(tǒng)汽車制造商相比），新標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試程序?qū)⒅饾u出現(xiàn)來(lái)確保其安全性和使用性能。

然而，2030 年的汽車廣告可能不會(huì)推銷馬力，更可能宣揚(yáng)名為 Xeon、Snapdragon 和 Drive PX 的處理器的計(jì)算能力，為此，仍然需要做出很多準(zhǔn)備工作。 不僅在開發(fā)和提煉技術(shù)方面，還在制定標(biāo)準(zhǔn)和確保系統(tǒng)經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的方面。