技术专家经常过度使用"颠覆性"和"革命性"等词,但最近汽车设计和制造的演变无疑既具有颠覆性又具有革命性。这些变化代表了过去100年来交通设计中最重大的变革,这是自汽车诞生以来最大的进步,整个汽车正在大修,这次是用电子设备,将汽车改造成带轮子的超级计算机。

 

宝马的一位工程师感叹说,他的团队花了几十年时间设计出操控性和性能都很好的汽车,然而买家首先想知道的是,这辆车是否可以与他们的手机集成。当电子和软件取代机械设计成为客户选择标准时,你可以想象传统汽车设计师会有多么失落。

 

梅赛德斯-奔驰、日产、沃尔沃和其他汽车公司都在投放广告,重点宣传其汽车的无线电话充电器、全数字仪表板、防撞系统和24声道立体声系统,这并非偶然。没有人提及马力、转速、行驶、操控,甚至精致皮革等。就连福特卡车的广告也在兜售12V插座和内置发电机数量的卖点,而不是卡车的载货能力或牵引能力。车辆总重(GVWR)已让位给每秒万亿次浮点运算(Teraflops)和兆赫(MHz)。

 

电机、自动驾驶技术、信息娱乐电子产品、服务订阅、售后无线更新和新兴的V2X通信,都成倍地增加了对半导体芯片和软件的需求。行业分析师现在将汽车电子视为一个独特的类别,就像计算一样作为一个独立的子行业。

 

汽车电子及电动相关技术的研发支出超过了车辆其它投入的总和

 

图片来源:德勤(Deloitte)

 

现在,互联网和云数据中心的强制性连接将汽车制造商的核心竞争力从机械设计转移至软件和芯片拥有量。车联网将不依靠汽油甚至电力,而是依靠数据。这些数据由片上系统(SoC)半导体进行收集、处理、通信和存储。

 

汽车SoC驱动需求
 

全球汽车制造商每年生产约1亿辆汽车和卡车。IHS Markit(2020年10月)的数据显示,到2026年,其中一半以上将包括15-24个复杂的电子SoC设备,平均每辆车23个SoC。将这23个SoC乘以约6000万辆汽车,仅汽车市场每年就有近15亿个复杂的SoC,而这仅仅是五年后的事情。到2030年初,即10年后,需求将增加到20多亿辆复杂的汽车SoC。

 

车联网代表了自智能手机以来,半导体行业遇到的另一个重要机遇。其中一些硅材料用于高级驾驶辅助系统(ADAS)的自动驾驶技术。尽管如此,大部分还是进入了信息娱乐和远程信息处理领域,这是几乎每辆车都具有的功能:收音机、GPS导航、电子仪器、手机集成、发动机管理等等。这些都是受消费者需求驱动的汽车零售市场的必备功能,因此,功能前卫的汽车广告应运而生。

 

但这项技术背后的基础设施究竟如何?汽车制造商需要一个巨大的房间,里面装满了计算机服务器,这与BAT、华为、亚马逊、谷歌、Facebook或微软这些互联网企业从本质上讲并没有什么不同。

 

2021-2026年汽车半导体收入将猛涨超50%

图片来源:HIS Markit

 

假设每200辆车有一台服务器,那么每年就有30万台服务器。此外,全球各地的市政当局正积极建设基础设施。"智能城市"技术已被部署在数百万个交通信号灯、公路标识、摄像头、路灯、路边传感器和车辆到基础设施V2I网络中,并由无数英里的有线和无线接入点提供支持。汽车将相互通信,并与路侧基站进行通信,以获得对延迟敏感的反应。而如上所述所有这些基础设施都需要额外的硅来进行支撑。

 

除此之外软件是硅需求的另一大缺口。保守估计,车内软件堆栈大约有3000万行代码。(相比之下,微软Windows的旧版本大约有5000万行代码)一些人估计,一辆配备了各式花哨的新车会有超过1亿行代码。无论哪种方式,它都是一个复杂的、网络化的、高可靠性的多处理器系统。

 

硬件可靠性至关重要,因为汽车制造商将在法律上受到任何危险故障的牵连。芯片设计人员以故障保护和功能冗余作为回应,其中SoC有两个或两个以上的内部处理器并排运行,不断地相互检查。这给SoC设计增加了更多的硅元素和复杂性需求。

 

虽然一般车企商用现货芯片通常就足够了,但如果车企想设计自己的定制化芯片,就需要从硬件中获得更高的性能,并在软件中增加差异化。例如,图像处理神经网络需要非常特殊的机器学习特性,这些特性又大又复杂。这种发展的一个例子是最新的特斯拉Dojo SoC,它将来自特斯拉车队的数百万视频转化为神经网络学习,以改善自动驾驶用户体验。

 

汽车决策系统在完全定制芯片或集成到半定制芯片中的知识产权(IP)模块中工作得最好。这意味着,2030年初将出现的20亿SoC中,许多将完全或部分定制,以满足新汽车生态系统的需求。

 

全球汽车公司都在寻求开发自己的解决方案,这就是为什么许多最终都会与提供SoC IP许可的公司合作。

 

数据为王

 

很难说特斯拉的股价是被高估了还是被低估了,但毫无疑问,该公司是电子汽车制造的典范。特斯拉的市值被视为一家硅谷科技公司,这绝非巧合。在许多消费电子公司的领导下,它设计了许多芯片并开发了软件。其核心竞争力是电子产品。特斯拉还管理其数据中心服务器。其车辆始终连接到互联网和特斯拉的服务器,大量数据以地图、娱乐、交通信息、车载传感器收集的视觉数据和软件更新的形式双向流动。这些数据对特斯拉和其他汽车互联网公司具有巨大的价值,也就是说,所有这些公司都需要建立类似的系统。

 

Mobileye是另一家利用来自客户的数据不断改进基于前沿软件、SoC硅和机器学习技术的典型公司。当然,汽车制造商并非一切从头开始,而是依赖于由供应商(Bosch、Continental、Denso、ZF、Magna等)组成的完善网络,设计和构建主要子系统。这些主要是机电设备,如自动变速器或空调。在未来,这些顶级供应商必须建立SoC设计和软件开发团队,以继续向汽车制造商提供高价值的子系统。否则,其他拥有更多电子行业经验的公司将很可能取代他们的位置。许多定制SoC开发将涉及构建SoC的传统半导体设计公司与具有应用知识的汽车OEM和Tier 1之间的合作。

 

尽管汽车互联网需要很长时间才能成熟,但它已经出现了,它的燃料不是电、氢或汽油,而是数据。数据推动了用户体验的不断改进和演变,消费者愿意为此变革买单。汽车制造商的核心竞争力正从发动机和底盘的机械设计转向软件和硅材料储备。因此,可以说车联网是用硅铺就而成的。

 

 

参考文献:

作者:Charles Janac