原创 【AutoSEMI】软件定义汽车对汽车芯片设计的变革

文章来源：https://semiengineering.com/how-software-defined-vehicles-change-auto-chip-design/

软件定义汽车的转型正在改变汽车设计的几乎每个方面，从车辆搭载的硬件配置、功能更新节奏到硬件淘汰机制都面临重构。

将核心功能从硬件迁移到软件，不仅能让车企以更低成本快速推出新功能并实现敏捷迭代，更将推动当前约290亿美元的汽车软件市场以每年15%的速度增长至2030年。但这也显著增加了车辆设计的复杂性：硬件与软件需要多层级集成，且必须持续深入理解单个功能或系统的变更如何影响整车其他部分。更重要的是，设计过程中还需预判未来技术演进对系统架构的潜在影响。

"软件定义汽车将持续成为重要趋势，因为软件方案比硬件更具成本优势，"Ansys汽车业务首席技术官Judy Curran解释道，"以早期特斯拉Model 3为例，其价格下探的关键并非电池成本大幅降低，而是通过取消物理按键、仪表盘和传统钥匙（改用卡片钥匙），依托大屏幕实现功能集成。新型电气架构将减少硬件模块数量，转而采用更集约化的集成模块。"

但这绝不意味着设计会变得更简单。关乎行车使命与安全的关键硬件、软件和固件，必须确保在未来十年甚至更长时间内都能支持持续升级。对于这个以快速迭代为特征的行业，既要预测软件十年后的演进路径，又要保证其与当前硬件架构的兼容性，这带来了巨大的工程挑战——其结果往往是过度设计。

既有软硬件体系仅是问题的一部分。这些系统需要的仿真精度在某些维度已超越当前数字孪生技术的能力边界。本质上，它们必须能预判技术趋势、为安全需求持续适配，同时保持足够性能以应对尚未明确的安全标准升级。因此，软件定义汽车的设计师们正面临独特的工作范式：适当超出芯片当前需求的设计成为行业共识。

"行业存在两种思路，"Cadence计算解决方案事业部副总裁David Glasco分析道，"其一是预留充足余量。考虑到整车成本结构，增加几颗处理器或GPU并不会显著影响总成本。比如从8核CPU扩展到12核，芯片面积增加对成本影响有限。其二是采用可现场升级的模块化设计，类似PC时代的插卡式GPU，用户可根据软件需求随时升级。此外，车企普遍要求产品线采用统一架构，这意味着低配车型也会搭载高配硬件，后续通过软件解锁功能来实现价值延伸。"

这种过度设计的需求直接源自主机厂的前瞻性要求。英飞凌美洲汽车市场营销副总裁Bill Stewart透露："客户需求中原本20%的缓冲余量已不再够用。设计方法论正在变革——过去我们会平衡1MB存储的方案，现在必须规划2MB甚至4MB的配置。处理性能、网络技术选择同样如此，我们必须为未来扩展预留空间，毕竟后期无法追加内存或算力。"

这种可扩展性需求始于基础硬件平台。"不同车型的硬件工程复杂度各异，"Rambus汽车业务开发总监Adiel Bahrouch指出，"工程师既要满足当前所有车型需求，又需前瞻5-10年可能出现的功能需求。"

软硬件关系的重构

汽车产业软硬件深度耦合的历史正在改写。"传统车辆每个功能都对应独立的ECU黑盒子，"Bahrouch回忆道，"虽然这种模式运行多年，但无法适应软件定义汽车的全生命周期功能扩展需求。"

长期目标是实现软硬件解耦，尤其对不自研硬件的车企更为关键。"虽然各厂商都想效仿特斯拉垂直整合模式，但多数选择松耦合路径，"Glasco比喻道，"这种关系介于CPU厂商与游戏开发者之间——既不像英特尔与游戏公司完全独立，也不如NVIDIA与游戏厂商那般紧密协同。"

紧密耦合的软硬件关系存在多重隐患。"有些功能攸关安全，有些则不然，"西门子数字工业软件混合虚拟系统副总裁David Fritz举例道，"当系统同时处理后排娱乐视频流和紧急避障时，如何确保极端工况下的芯片性能？芯片设计师和软件工程师都难以独自解决，需要系统级需求管理者通过整车电子系统的数字孪生来协调。"

这意味着开发流程的重构：软件团队需基于未完工的硬件编写代码，硬件团队则要适配尚未存在的软件功能。解决方案除了加强软硬件协同，更需建立多层级仿真体系。

"仿真工具生态正在蓬勃发展，"Stewart介绍，"主机厂采用不同层级的方案：既有快速验证高层功能的轻量级仿真，也有取代硬件在环的全面虚拟验证。我们提供支持故障注入的虚拟原型，开发者可以模拟各类异常场景。"

安全防线构筑

在快速迭代的同时，全设备的安全防护必须持续强化。"安全始终是移动靶，"Stewart强调，"加密算法、网络协议都需要持续升级。功能安全同样关键，必须预判芯片、软件或外部事件可能引发的失效模式，并建立监测防护机制。软件定义汽车放大了这些要素的重要性。"

面对多供应商芯片共存的复杂环境，建立统一安全标准成为挑战。Synopsys科学家Mike Borza指出："主机厂通过SAE等组织推动安全标准。以奔驰为例，他们建立可信根体系，通过物料清单验证每个组件的身份认证，确保网络接入安全。"

可靠性设计：汽车电子的终极考验

在软件定义汽车(SDV)的开发中，确保组件长期稳定运行是最后一道关键防线。系统级设计必须采用军用装备标准来打造普通家用轿车——与数据中心服务器在恒温恒湿环境中运行不同，车载电子系统必须在酷暑严寒(-40℃至85℃)的极端条件下保持正常工作。为此，设计师必须确保所有器件都符合汽车电子委员会AEC-Q100标准规定的严苛应力测试要求，这是汽车级元器件的基本准入门槛。

"快速热管理是核心技术难点，"Cadence的Glasco指出，"电动车电池需要持续进行温度调节以维持稳态。从芯片设计角度看，我们已经掌握宽温域（-40℃~125℃）稳定运行的解决方案。比如后视摄像头必须在0.5秒内完成低温启动，这种'冷启动即满血运行'的要求，早已成为汽车芯片设计的基本功。"

结论

软件定义汽车（SDV）正成为蓬勃发展的汽车行业中一个新兴且快速增长的领域。虽然芯片长期以来一直是汽车的重要组成部分，但SDV的出现要求设计人员采用新的设计思路以应对独特挑战。

这些挑战包括：设计能够支持未来多年软件更新的硬件，这可能需要在初期进行一定程度的超前设计；尽管软硬件团队在汽车领域一直需要紧密协作，但SDV的兴起要求两者在保持深度交互认知的同时实现一定程度的解耦。

此外，设计人员在开发系统时还需统筹考虑安全需求，以及车辆运行环境的复杂多样性。

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