软件如何颠覆汽车行业（上）

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编者按：芯片短缺对汽车行业的巨大冲击让很多人意识到今天的汽车使用了大量的微芯片，运行了惊人的代码。软件已经成为了汽车不可缺少的一部分。10 年前仅有高档车才会使用 100 个基于微处理器的微控制单元，运行大约一亿行代码。今天像福特 F-150 运行的代码行数高达 150 亿。甚至低端汽车使用的 ECU 都接近 100 个，代码行数 1 亿以上。德勤估计，汽车四成以上的开发预算与系统集成、测试和验证相关。原文标题How Software Is Eating the Car，作者Robert N. Charette。

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持续的半导体短缺，造成的全球汽车产量预期损失继续上升。在1月份，分析师预测，由于短缺，汽车产量将减少150万辆；到4月份，这个数字已经稳步攀升到270多万辆，到5月份，超过410万辆。

半导体短缺不仅凸显了汽车供应链的脆弱性，而且使人们更加关注汽车行业对嵌入车辆的几十个隐蔽计算设备的依赖性。

克莱姆森大学国际汽车研究中心汽车工程系主任Zoran Filipi说：“没有任何一个行业像汽车行业那样，正在经历着快速的技术变革。这是因为需要解决即将到来的、越来越严格的二氧化碳和标准排放法规，同时在自动化和信息娱乐的发展方面保持前所未有的进步速度，满足客户对性能、舒适性和实用性的期望。”

未来几年将有更大的变化，因为越来越多的汽车制造商承诺，逐步淘汰内燃机（ICE）驱动的汽车，以满足全球气候变化的目标，用最终能够自主运行的电动汽车（EV）取代。

过去十年内燃机汽车的发展说明它已经取得了快速进展，并明确了发展方向。

芯片短缺造成的汽车减产

“曾经，软件只是汽车的一部分。现在，软件决定了一辆车的价值。”慕尼黑工业大学信息学名誉教授、汽车软件方面的权威专家曼弗雷德·布罗伊指出：“一辆汽车的成功取决于它的软件，而不是机械方面”。现在汽车制造商（业内人士所称的原始设备制造商）的几乎所有车辆创新都与软件有关。

十年前，只有高档汽车才包含100个基于微处理器的电子控制单元（ECU），这些电子单元遍布整个车身，并与网络相连，执行1亿行或更多的代码。今天，像宝马7系列这样拥有先进技术（如高级驾驶辅助系统（ADAS））的高端汽车可能包含150个ECU或更多，而像福特的F-150这样的皮卡最高有1.5亿行代码。即使是低端汽车也正在迅速接近100个ECU和1亿行代码，因为许多曾经的豪华功能，如自适应巡航控制和自动紧急制动，正在成为标准配置。

自2010年以来，欧盟强制规定了更多的安全功能，如电子稳定性控制、倒车摄像头和自动紧急呼叫（eCall），以及更严格的排放标准，内燃机汽车只有使用更多的创新电子和软件才能满足这些标准，这进一步推动了ECU和软件的激增。

咨询公司德勤会计师事务所估计，截至2017年，新车成本的约40%可归于基于半导体的电子系统，这一成本自2007年以来翻了一番。该公司估计，到2030年，这一数字将接近50%。该公司进一步预测，今天每辆新车都有价值约600美元的半导体，由多达3000个各种类型的芯片组成。

对ECU和软件行的数量的统计，只是暗示了今天在汽车中发现的错综复杂的电子和软件编排。通过了解它们是如何协同工作，普通驾驶者看不到的复杂性开始显现出来。新的安全、舒适、性能和娱乐功能，为车主提供几十种选择，导致每个品牌和车型的多种变体，以及从汽油和人类驾驶员到电动和人工智能驾驶员的转变，需要编写、检查、调试和防止黑客入侵的数亿行新代码，都使汽车成为车轮上的超级计算机，并迫使汽车行业适应新的变化。

功能和变体增加了复杂性

在过去的二十年里，为了提供更多安全和娱乐功能，汽车已经从单纯的运输工具，转变为移动计算中心。ECU和线束代替了服务器机架和高速光纤互连，在整个车辆和外部进行数据通信。还有就是每次你开车去杂货店的时候，都有几千万行代码在运行。功能和变体增加了复杂性。

沃尔沃汽车公司的软件质量专家Vard Antinyan，写了大量关于软件和系统复杂性的文章，他解释说，截至2020年，“沃尔沃有一个大约120个ECU的超集，它从中选择创建每辆沃尔沃汽车中都存在的系统架构。它们总共包括1亿行的源代码”。Antinyan说，这些源代码 “包含1000万条条件语句以及300万个函数，这些函数在源代码中的大约 3000 万处被调用”。

每个ECU中的软件数量和类型差别很大，主要取决于ECU的计算能力、ECU控制的功能、需要处理的内部和外部信息和通信，以及它们是由事件还是由时间触发的，还有规定的安全和其他监管要求。在过去的十年中，更多的ECU软件致力于确保运行质量、可靠性、安全性和保障性。

ZF Friedrichshafen AG是世界上最大的汽车零部件供应商之一，ZF的软件解决方案和全球软件中心副总裁Nico Hartmann说：“为检测错误行为以确保质量和安全而编写的软件数量正在增加。十年前，一个ECU的软件可能只有三分之一用于确保质量操作，而现在往往超过一半或更多，特别是在安全关键系统中。”

沃尔沃的豪华SUV XC90车型有大约110个ECU，哪些ECU和相关软件最终会进入，取决于几个因素。沃尔沃和所有的汽车制造商一样，针对不同的细分市场，有各种型号的车型在销售。正如Antinyan所指出的，“一个人在瑞典购买完全相同的沃尔沃车型，可能与在美国销售的车型不一样”。不仅每辆车需要满足的区域监管制度不一样，而且每个车主都可以选择沃尔沃提供的几个发动机、驱动、安全或其他功能选项。无论选择什么样的标准、可选和法律要求的设备配置，都将决定嵌入车辆的ECU、软件和相关电子装置的数量和类型，所有这些都必须能够无缝地协同工作。

对汽车制造商来说，“车辆变体管理是非常困难的”，Antinyan说，“因为它涉及各个方面的人”。例如，市场营销部门和设计及工程部门之间存在着天然的紧张关系，前者希望有许多类型的车辆和无数的功能，以提供给不同的客户群，后者则希望有较少的变体，以帮助保持系统集成、测试、验证和确认工作的可控性。每一个功能的增加都意味着额外的传感器、执行器、ECU和相应的软件，因此需要额外的集成工作以确保它们正常工作。

德勤公司估计，一辆汽车从开始开发到开始生产，有40%或更多的开发预算来自系统集成、测试、验证和确认。追踪每一个生产和销售的车型中的所有现有和遗留的电子和软件是一项艰巨的任务。毫不奇怪，有效管理变体的复杂性是整个汽车行业的一个重要关注点。

连接所有的ECU、传感器和其他电子设备并为其供电，需要大量的布线和人工努力。需要数以千计的线束变体支持车辆定制和多个物理网络总线来控制车辆的信号流。

车辆的物理电子结构带来了更多的网络设计限制。许多ECU需要靠近与之互动的传感器和执行器，如制动系统或发动机控制的ECU。因此，一辆汽车的网络线束可以连接数千个部件，可能包含1500多条线，总长度达5000米，重量超过68公斤。随着ECU、传感器和相关电子设备数量的增加，减少线束重量和复杂性已成为汽车制造商的一个主要目标。

译者：蒂克伟

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