2025年7月4日--本文闡述了汽車電子架構從分布式向集中化演進的趨勢,黑芝麻智能分析了集中化帶來的安全隔離、實時性等關鍵挑戰,并指出車用虛擬化技術是實現域控融合的核心解決方案。該技術能夠優化資源分配、保障功能安全,從而有效推動汽車的智能化變革。
汽車電子電氣架構的集中化趨勢
近年來,汽車電子電氣架構正經歷著從分布式到集中式的深刻變革。傳統汽車中,各個功能模塊(如儀表、娛樂系統、ADAS等)通常由獨立的電子控制單元(ECU)實現,導致系統復雜、線束繁多、成本高昂。隨著汽車智能化的發展,這種分布式架構已無法滿足需求,控制器融合成為必然選擇。
現代汽車電子電氣架構的演進可分為三個典型階段,其核心驅動力來自智能化需求爆發與"軟件定義汽車"理念的落地:
分布式架構階段( 2000-2015)
在分布式架構階段,汽車的每個功能模塊對應了獨立的ECU,全車ECU數量可達100個以上。以寶馬7系2015款為例,其ECU數量約為140個。這種架構雖然實現了功能的模塊化設計,但也帶來了一系列挑戰:
線束問題:線束總長度超過5公里,重量可達70公斤,不僅增加了整車重量,還提高了裝配復雜度。
通信協議碎片化:不同供應商的ECU采用不同的通信協議(如CAN、LIN、FlexRay),導致系統集成困難。
成本高昂:ECU數量的增加直接推高了硬件成本和維護成本。
升級困難:功能升級依賴硬件迭代,難以通過軟件OTA實現。
域控架構階段( 2015-2025)
隨著高性能車規級SoC的出現,多系統共存成為可能,汽車電子電氣架構進入域控階段。多個功能模塊被整合到同一個SoC中,形成區域控制器。典型的域控制器包括:
智能座艙域:整合組合儀表、HUD和車載娛樂系統。
智能駕駛域:融合攝像頭、雷達和激光雷達的數據處理功能。
車身域:集成車身控制模塊(BCM)、空調和燈光控制等功能。
域控架構不僅減少了ECU數量,還提升了系統的集成度和資源利用率。
中央計算+區域控制階段(2023-)
隨著技術的進一步發展,汽車電子電氣架構正向"中央計算+區域控制"的二級架構演進。中央計算平臺負責高算力任務,而區域控制器則負責執行具體的控制功能。在硬件層面,黑芝麻智能于2023年發布的武當C1200家族芯片是首個車規級智能汽車跨域多功能融合計算平臺,為中央計算和區域控制提供了強大的硬件支持。
集中化帶來的技術挑戰
盡管集中化架構大幅提升了系統集成度和資源利用率,但也引入了以下關鍵性技術挑戰:
安全隔離需求
在混合關鍵性系統中,不同安全等級的功能(如ASIL-B的儀表系統與QM級的娛樂系統)需在同一硬件平臺上共存。安全隔離的核心在于確保高安全功能不受低安全功能干擾,涵蓋功能安全和信息安全兩方面。例如,低安全功能的崩潰不能影響高安全功能的執行,同時需防范側信道攻擊等安全威脅。
實時性矛盾
車輛控制對實時性要求極高,而娛樂系統則更注重用戶體驗。如何協調實時系統與非實時系統的需求成為一大挑戰。解決方案包括通過系統隔離實現互不干擾,利用時間敏感網絡統一時間標簽,并采用混合關鍵性調度策略優化系統協同。
資源利用率優化
不同功能的負載峰值時間各異,靜態資源分配易導致算力浪費。特別是在輔助駕駛和智能座艙領域,算力需求日益增長。動態調度算力資源、實現負載均衡是提升硬件性能的關鍵。
帶寬挑戰
車內通信架構從信號轉向服務,對帶寬的需求急劇增加。激光雷達和高精度地圖的引入進一步加劇了通信負載。千兆以太網已成為量產車型的標配,而萬兆以太網也即將普及。此外,輔助駕駛算法對內存帶寬的需求顯著提升,未來中央計算平臺需支持超過100Gbps的通信帶寬。為此,新技術如硅光子互聯和一致性內存共享協議正在被探索和應用。
車用虛擬化技術
車用虛擬化技術是應對上述挑戰的核心解決方案之一。它能夠實現安全隔離、構建混合關鍵性系統、協調多系統調度,并優化資源分配。以下是虛擬化技術的具體分類及其特點:
安全隔離技術概覽
根據隔離程度的不同,安全隔離技術可分為以下四級:
芯片分離
實現方式:不同SoC獨立運行不同系統。
特點:物理隔離程度最高,資源完全獨立。
典型應用:早期智能座艙中,儀表與娛樂系統分屬不同芯片。
硬隔離
實現方式:通過SoC硬件分區劃分CPU、內存和IO資源。
特點:硬件級隔離,各分區運行獨立系統。
典型應用:當前主流域控制器中,儀表與娛樂系統共享芯片但硬件隔離。
IO透傳
實現方式:虛擬化CPU和內存,IO設備直接透傳給客戶機。
特點:IO性能接近原生,但需硬件支持SR-IOV等技術。
典型應用:需要高性能IO的場景,如攝像頭數據直傳ADAS系統。
全虛擬化
實現方式:CPU、內存、中斷和IO全部虛擬化。
特點:資源調度最靈活,但虛擬化開銷最大。
典型應用:中央計算平臺中的動態資源分配場景。
安全隔離技術比較與權衡
隨著隔離程度降低,系統的資源復用率和動態調整能力提升,但虛擬化開銷和安全風險也隨之增加。現代車用SoC通常采用混合方案,對安全關鍵功能使用硬隔離,對一般功能采用全虛擬化。
虛擬化架構的核心優勢
虛擬化技術在構建混合關鍵性系統方面具有以下顯著優勢:
部署靈活性增強:支持異構OS共存(如QNX與Android),實現計算資源動態分配,便于功能熱升級與OTA。
功能安全提升:通過故障隔離確保單個虛擬機崩潰不影響其他功能,資源監控可攔截非法內存訪問,安全啟動保障每個虛擬機的完整性。
信息安全強化:虛擬機間通信可控,關鍵數據加密隔離,支持細粒度訪問控制。
混合關鍵性調度:協調實時與非實時任務的執行,優化系統性能。
零拷貝系統間通訊:通過共享內存實現高效數據傳輸,減少延遲。
以智能座艙為例,虛擬化技術既保證了儀表系統的實時性與安全性(ASIL-B),又為娛樂系統提供了豐富的生態支持,同時通過Hypervisor監控阻止娛樂系統對關鍵資源的非法訪問。
虛擬化:域控融合的必經之路
隨著電子電氣架構向"中央計算+區域控制"演進,虛擬化技術已成為域控融合不可替代的解決方案。它有效解決了功能安全與信息安全的矛盾,實現了實時系統與通用系統的共存,并優化了資源利用率與隔離需求的平衡。未來,隨著芯片算力的提升和虛擬化技術的發展,全虛擬化方案將逐漸成為中央計算平臺的主流選擇。
其他虛擬化技術補充:
TypeII擬化(宿主型虛擬化):運行在通用OS之上(如VirtualBox),主要用于開發測試環境,由于性能和安全限制,不適合量產車。
容器技術:輕量級虛擬化,共享內核,適用于應用級隔離(如多個娛樂應用),但無法滿足ASIL要求,常與Type I虛擬化配合使用。
車用虛擬化技術正隨著電子電氣架構的演進持續發展。從當前域控制器的硬隔離主導,到未來中央計算平臺的全虛擬化應用,這一技術將持續推動汽車智能化變革,在保證安全的前提下實現計算資源的最大化利用。汽車廠商與供應商需根據具體功能需求,選擇適當的虛擬化方案,構建安全、高效、靈活的車載計算平臺。