产业调研：舱驾一体电气架构对芯片和软件的挑战

作者 | 初光

(资料图片仅供参考)

出品 | 车端、计算机文艺复兴

来源 |整数智能AI研究院

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核心要点

舱驾一体电子电气架构对芯片提出了诸多挑战。首先是算力需求，其次是功耗需求，因为功耗越低首先带来了续航里程的增加，再者，功耗越高，散热需求越强烈。第三是成本的需求，架构演进的动力之一也是为了降低成本，增加竞争力。

英伟达前瞻地推出了舱驾融合的芯片Thor。单芯片能达到1000 TOPS算力，还可以通过级联的方式，两块芯片并在一起能够产生 2000 TOPS的算力。智驾智舱只有一块芯片也可带来诸多好处，比如舱和驾之间的很多数据传输带宽就完全从芯片间或者板间的通讯变成片内通讯。

如果要实现舱驾一体，需要一个整车OS。这个 OS 可以管理智舱的、管理自驾的仪表的所有的工作任务，能确保自驾和仪表的这种高安全等级的任务能够满足实时性要求，同时这个又能满足娱乐域的灵活性或者开放性的需求。因而在这些变化下，主机厂和芯片厂商的关系也会发生很多变化。

正文

我们目前的整个时代大背景就是新“四化”——智能化、网联化、电动化、共享化。现在很多车辆的变革，最大的原因就是因为目前在新“四化”的新时代，所以说对汽车造成很多变化。

首先讲下电子电气架构的发展。什么叫做电子电气架构？它是一个德尔福公司提出的一个概念，它集成包括整车的设计原理，包括一些电源、信号、网络、诊断的一些分配，整体的一套概念叫电子电气架构。现在大家比较熟悉的一个图，就是上图右下角这张图，博世提出了一个电子电气架构分代的一个阶段的图。这个图里面，架构它分为三大步骤、六个阶段。三大步骤就是从分布式到集中式到中央计算式。目前正在处于从域集中向中央计算式的跨越。为什么要往这个方向去发展？要知道为什么这样做。

简单总结了一下架构发展背后的动力支撑。往后面去发展的动力是什么？第一就是减重降本。减重降本是因为在 2015 年之前，架构其实主要还是分布式。分布式架构有什么特点？就是每增加一个功能，就增加一个控制器，当车辆功能越来越多的时候，控制器的数量越来越多。之前有统计过一辆车，基本上整车上面的控制器数量大概能达到 70 多个。这只是控制器，还包含了一些小的节点，更不用说传感器、执行器这些东西，光控制器这种就有 70 多个。而且随着智联化、智能化之后，整个车的电子电气成本已经从之前的30% 会增加到50%。就是说其实以后买车你可能付出的成本里面有一半可能就是为电子电气的产品去付费。这样的话，同时随着电子电气的控制器数量的增加，线束也在增加，整个系统它的重量占比也越来越大（大约现在能占到 5% 左右）。对一个车来说，肯定是要推出一个性能又好、成本又便宜，这样才更有竞争力。所以减重降本是当时做架构进化的动力之一。

第二个动力是汽车新“四化”的背景。因为互联网等新技术的发展对汽车也产生很大的影响。以前车辆跟外界是没有任何通讯交互的，最开始的时候就是听收音机。但现在的车辆基本上要跟外界进行大量通讯，包括刚才说的 v2x。这种通讯对带宽提出更高的要求。智能座舱、智能驾驶对车的控制器的芯片算力包括车内通讯的带宽都会有更高的要求。传统的分布式的架构，它已经越来越不能满足新要求了。

第三个动力是关于快速迭代。之前的架构是一个低内聚、高耦合的一个定性架构，例如，单独为这个控制器开发的软件，这个软件它的移植性、扩展性都很差。如果说新开发一个功能，那肯定要在这个控制器原先的链接上面进行大改。所以不论成本还有周期都很长，这也跟现在要求快速迭代的需求不符。

各个相关的主机厂的架构规划。基本上目前他们都是在从传统的域集中到域融合的这个阶段。但未来他们都向中央计算式架构演进。不论是稍微快一点的、激进一点的小米、蔚来、吉利，他们都会在 2024 年左右就会达成中央计算式的架构实现。像大众他们最迟到 2026 年也会完成自己的架构升级。

中央计算式架构它并不是一个非常统一的概念。什么叫计算式？中央计算式它其实有很多种形态，第一种形态就是智舱、智驾可能放在不同的盒子里，就是不同的控制器。这种控制器之间通过以太网连接，这种是目前比较主流的、比较普遍的一种形态。不论是理想还是蔚来，他们目前的智舱智驾也是有两个控制器，之间也是通过以太网连接。

还有一种形态，就是把它们放在一个盒子里面，但是两个智舱智驾之间通过两块板子，两个板子之间可以通过以太网或者 PCIe 来连接。比较典型的就是特斯拉，它的中央计算单元里面就包含了娱乐板和 FSD自驾板，而且娱乐板和自驾板之间通过以太网连接，这是特斯拉的一种设计方案，这种方案跟上面相比它带来什么好处？首先从布置上讲，肯定一个板它放在一个盒子里面，整个占地空间肯定要比两个盒子空间要小。第二就是这种方式可以省点进入的东西。比方冷却管路，它通过一套冷却管路可以把两边智舱智驾的板都可以冷却。如果说当初用两块板、两盘控制器的话，可能需要接两个管路，现在只需要接一套管路就行了，它会带来成本上的降低。

分析特斯拉的架构，会发现其实特斯拉很多动作的初心是降低成本。它并不是为了追求所谓的先进，个人觉得特斯拉很多动作的初心在于它是想追求降低成本，据行业消息，特斯拉曾经在最开始第一代 Model S，那时大概要卖六七十万的价格，考虑成本可以能有六七万的利润。但现在model 3、Model Y 卖二十几万，他还能把单车的利润控制在六七万左右。这种降本带来的好处就是，它可以持有很高的利润，带来最直观的优势在于它可以随意降价，当然它可以涨价，但它确实也可以随意降价。当它降价的时候，其他的主机厂跟它竞争就会有很大的压力。特斯拉它追求所谓的设计突破的逻辑就是考虑它的成本，把成本降到最低，然后通过硬件出售之后软件收费的方式来进行利润收入，这种方式有点像乐视小电视，让你持续付费。特斯拉把这种互联网思维应用到汽车行业，现在也引起大家的共振，目前大家都往这个方向去转。

第三种方式更彻底，还是一个控制性，而且还不需要两块板，就一块板上把所有的智舱智驾都放在一起了，即舱驾一体的SOC。这个SOC能把智舱的功能又把智驾的功能统一集成，集中在SOC里。这就是今天说的一个主题——舱驾一体的电子电气架构。可以说舱驾一体电子电气架构属于中央集成式架构其中的一个典型的特征或案例。

舱驾一体电子电气架构对芯片的挑战。车内有智舱和智驾，智舱方面一般都是希望对CPU 、GPU有很高的需求，因为在芯片里面 CPU 是决定了数据处理能力，GPU决定了图像的渲染能力，GPU它比较适合并行运算。而座舱恰恰就是这个场景的最佳应用环境。因为在座舱里面目前最大的应用就是大屏。当然座舱里面不仅仅包含大屏，智舱里面包含HUD、音响，但智舱目前最大的一个特点就是大屏，大屏的渲染能力、显示效果，这就跟GPU 的能力就有很大的关系（GPU 就是 Gflops 的能力要强）。

智驾对芯片有算力方面的需求。智驾里面会涉及到很多种视觉处理，包括很多传感器的数据处理，因为除了雷达之外，智驾里现在用的比较主流的一个就是图像处理，图像处理方面就神经网络这种算法，而网络算法对 AI 算力有很大的需求，所以智驾肯定对 AI 算力有很大的需求。上图列了一个表，就不同的智能驾驶的等级对应的设计需求是多少，比如对L2 级，个位数的TOPS就够了，到L3 就是十位数的TOPS，到 L4 就是百位数的TOPS，要到L5级别的可能是千位的TOPS的算力需求。

如果现在要做一个舱驾一体的架构，那芯片应该有的需求主要分三大块。第一块是算力——CPU 算力、GPU 算力、GPU AI 算力。为什么算力有需求？因为满足舱驾一体架构的芯片既能做舱又能做驾，那么它肯定要算力非常高。

第二是对功耗的需求。不是说功耗越高越好，这个恰恰相反，是希望功耗能越低越好，现在把舱和驾芯片放在一起，就希望新的芯片能够比把它分开的芯片更低一点，因为对电动车来说，功耗越低首先带来了续航里程的增加。例如，以Orin芯片为例，因为Orin芯片现在大概是250TOPS，它的功耗大概是100 瓦左右，如果像蔚来它用 4 片orin 芯片的话，那么它这块控制器功耗至少要达到400瓦，400瓦其实挺高的，如果按照400瓦，2.5 小时就是一度电，也就是10个小时开车就会用 4 度电，控制器就用了 4 度电，这对续航里的影响还是蛮大的。

再者，功耗越高，散热需求越强烈。传统的时候只需要一个自然散热或者加一个风扇散热就行了。现在需要帮它进行冷却，需要用液冷去进行散热，液冷散热不论是对它的布置还是成本都会有很大的负荷。而且芯片的要求越高的话，散热系统越复杂的话，那失效的可能性越大。如果这个芯片不需要散热，它没有那么多复杂的结构，那么相比于一个芯片它需要各种包括水泵、各种冷却方式，一旦水泵和风扇产生单点失效的话，那么就有可能导致这个芯片工作失效，它不仅仅对成本会带来压力，也对失效点带来很多种风险。所以我希望他的功耗能比舱驾分开的时候要更低一点。

第三就是成本。常规上做一个舱驾一体的芯片的话，肯定希望芯片的成本能够比我同样算力下的舱驾分开的成本要低，架构演进的动力之一也是为了降低成本，增加竞争力。

在以上的情况下，芯片解决方案是什么？英伟达给出的一个方案是在9月20号开发者大会上面宣布推出的Thor芯片。英伟达最开始它是做娱乐显卡，到后来从消费电子切入到车载电子，后来专注于做智驾，现在英伟达定位成一个自驾芯片的顶级供应商。在舱驾一体的架构大趋势下，英伟达它其实非常前瞻地推出了舱驾融合的一个芯片Thor。这个单芯片它能达到恐怖的1000 TOPS算力。这个Thor它还可以通过级联的方式，就两块芯片并在一起能够产生 2000 TOPS的算力，2000 TOPS同时用来做智驾和智舱是绰绰有余了。它推出了舱驾一体的一个芯片，所以它叫 one cheap to rule them all，即用一块芯片来把智驾和智舱全部给做掉，那么在它发布这个芯片之后，老对手高通（智舱这一块的王者）在看到了舱驾一体架构趋势之后，也不甘示弱。在 9 月 23 号的一个汽车投资大会上，宣布推出了一个超级的SOC 叫骁龙 Ride Flex ，按照他们说法也是也可以达到恐怖的2000 TOPS的算力。

可以看到，在舱驾一体的架构下，很多顶级厂商他们都推出了舱驾一体的芯片。当然目前据我所知，目前的芯片可能还没法做到完全的算力动态分配。目前他们的芯片可能还是偏物理分配的（配置好舱用多少算用多少），但他们已经迈出了第一步，到后面肯定会从这种静态配置的算力到动态分布的算力来发展。到动态分布的算力的话，下一代舱驾一体芯片就很恐怖了。比方说当我需要用自驾的时候，我可以把 80% 用来自驾，当车停下来开始玩游戏的时候，可以把它全部用来做智舱，这种就很有价值了。

而且智驾智舱它们有一块芯片还带来一个好处，就是舱和驾之间的很多数据传输带宽就完全从芯片间或者说板间的通讯变成片内通讯。这就带来了很多视频流的共享。比如智舱挂了一些摄像头，智驾也挂了一些摄像头，这些摄像头的数据它们之间的共享其实是有延时的，但现在就一块芯片全部接进来，这些所有数据都同时共享，摄像头也可以共享，摄像头可以少很多，摄像头带来的成本上体验上的优势也不会减少。同时，在这种算力下，它的成本肯定要比同等算力下需要四片Orin的成本要低，因而成本也会带来优势。同时还有它的功耗，Orin 250TOPS大概是100瓦，但Thor功耗目前是在 150 瓦，只比 Orin高了 50 瓦的功耗，但算力是它的 4 倍。加量不加价其实很有竞争优势的。劣势刚也说了，Thor目前只是初代的舱驾一体的方案，可能后面还需要能够支持动态分配的一个能力。

阐述下在当前域集中式架构下的整个架构形式。当前架构下域集中的时候，智舱这一块，无论是 8295、8155 ，它一般都是一个芯片里面通过 Hypervisor来分成两块系统，一块系统是支持做仪表的，就是做实时性要求比较高的、显示一些仪表数据的。同时另一块是做娱乐域的，不论是安卓系统或者Linux系统，为什么要分Hypervisor，是因为仪表系统和娱乐系统它们的功能安全要求是不一样的，因为仪表系统它要求功能安全等级更高，所以这里面通过 Hypervisor进行虚拟化，在一块芯片上可以同时跑两块系统，能够支持仪表，也可以支持娱乐系统，这是智舱的软件架构。智驾也是分为一部分是 Linux（它 Linux 的安全等级要比安卓的要高很多，是车规级的AGL Linux），因为智驾对安全要求比较高、等级要求也比较高，所以它里面会有安全岛设计或QNX的一些设计，它的架构也会通过Hypervisor梳理成两块系统。

如果说我想把它做成舱驾一体的话，那这里面需要一个整车OS。如果有一块芯片，它既做智驾又做智舱的时候，那就相当于一个芯片上面要同时支持三块系统，至少三个系统同时在操作。这就需要一个整车OS ，这个 OS 可以管理智舱的、管理自驾的仪表的所有的工作任务，能确保自驾和仪表的这种高安全等级的任务能够满足实时性要求。同时这个又能满足娱乐域的灵活性或者开放性的需求。这样就对一个整车OS有更高的需求了。目前英伟达放出的方案里，他可以支持同时处理智舱、智驾和仪表的所有任务的管理。以上就是未来舱驾一体的架构对软件架构的挑战，就是如何发展这么一个整车的 OS 去管理不同的安全等级的任务。

在这种情况下，主机厂和芯片厂商的关系就会发生很多变化。以前芯片厂商他们只提供基础的软件，那么在上面所有的包括虚拟化、中间件都是由主机厂来完成。但现在如果要是想打造一个整车 OS，就需要主机厂要么就具备能力去支持垂直到底层的 OS 层、垂直到整车 OS 的这么一个能力。这一块我相信主机厂和芯片厂商他们之间会有一点新的博弈。

Q&A

Q：您刚才也提到了有三种的中央集成架构的方式，您个人推荐哪个？

A：中央计算式的一个架构其实目前比较成熟的、对很多主机厂都可以适用的，就是目前的Two box/To board，就两块板的那种方式，因为这种方式目前是比较成熟的。但这种方式肯定会带来成本更高、舱和驾的通讯或信息共享会不充分的问题。目前来说这个方案是最优解，但未来想进一步发展，以后绝对是要走到舱驾一体这么一个路上去的。

Q：特斯拉这种成本优先的设计，对于我们国内的主机厂适用吗？

A：他的思想我认为是非常先进的，我们有很新的科技就是要把新的科技运到车上去，但是我感觉其实就有点堆料的思想，没有从系统性去考虑。所谓的为了成本，并不是说把这个东西不用，而是说怎么方式来把它集成，用一种更先进的方式能够把这种方案上车，而且成本又更低，这才是我们应该要学习的一个点。

Q：智己汽车的域控现在到什么阶段了？是多 box 还是说one box？

A：我们目前的产品还是 two box，但我们下一个产品就是往 one box方向去做。

Q：舱驾一体化目前最大的障碍在哪？

A：因为一个芯片既管舱又管驾，如何来分配这些不同的任务之间的功能安全性，之前的时候舱和驾互相不影响，现在如果一块芯片，中间这个系统性怎么去走。首先系统怎么去分配？第二出了问题怎么去排查？第三，这么大的系统谁来集成？这在操作中都是需要慢慢地探索的，就是这个方向很先进，但是这个方向背后如果做到的话，背后需要做很多努力。

Q：舱驾一体对传统主机厂的 Tier one 的角色会带来什么样的变化？

A：首先肯定Tier one会变少，因为之前我可能舱找家供应商、驾找家供应商，现在可能去找一家就够了。Tier one肯定是有些挑战的。第二点就是对Tier one的要求更高了。如果说你想跟主机厂一起去做舱驾一体的架构的话，那你肯定要不仅只做舱这一块，也不能说我只做驾这一块，你需要去融合，需要去对这些其中好多数据流的传输，包括好多设计的工作安全的考虑，都需要有一个通盘的了解。

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