自動駕駛技術和電動汽車的發展將為汽車增加數億行代碼。汽車行業能否應對？
持續的半導體短缺令全球汽車行業損失還在持續上升。在一月，分析師預計，由于供應短缺，汽車產量將減少150萬輛。到4月，這一數字穩步攀升至270萬部以上，到5月，增至410萬部以上。
半導體短缺的出現不僅凸顯了汽車供應鏈的脆弱性，也讓人們密切關注到汽車目前需要陷入數十臺隱蔽計算機的現狀。「沒有任何其他行業像汽車行業一樣經歷著如此迅速的技術變革」，克萊姆森大學國際汽車研究中心汽車工程系主任Zoran Filipi說。「汽車對于半導體芯片的需求，源于越加嚴格并且急迫的二氧化碳排放法規和標準，同時還為了保持自動化和信息娛樂的空前發展速度，并滿足客戶在性能、舒適性和實用性方面的期望?！刮磥韼啄?，我們將看到更大的變化，因為更多的汽車制造商為了實現全球氣候變化目標將致力于逐步淘汰內燃機(ICE)驅動的汽車，取而代之的是最終能夠自動駕駛的電動汽車(ev)。
過去十年ICE汽車的發展顯示了它取得的快速進步，以及它未來的發展方向。汽車軟件領域的權威專家、慕尼黑工業大學信息學名譽教授Manfred Broy說「曾經，軟件只是汽車的一部分?，F在，軟件決定了汽車的價值。一輛汽車的成功更多地取決于軟件，而不是機械方面?！顾f，幾乎所有汽車制造商，或業內人士所稱的原始設備制造商(OEM)的汽車創新都與軟件捆綁在一起。十年前，只有高檔汽車才會有100個微處理器的電子控制單元(ecu)，這些電子控制單元貫穿整個汽車機體，執行1億行甚至更多的代碼。如今，寶馬7系等擁有先進技術如高級駕駛輔助系統(ADAS)的高端汽車可能包含150個或更多的ecu，而福特F-150等皮卡的代碼則多達1.5億行。隨著如自適應巡航控制和自動緊急制動等更多曾被視為豪華車型選項的功能成為標配，即使是低端車型也很快接近100個ecu和1億行代碼。自 2010 年起強制實施的其他安全功能，如歐盟的電子穩定控制、倒車照相機,和自動緊急呼叫(eCall)，以及更嚴格的排放標準，迫使內燃機驅動車輛只能使用更具有創新性的電子設備才能達到使用要求，這些都進一步推動ECU和軟件的普及。咨詢公司 Deloitte Touche Tohmatsu Limited 估計，截至 2017 年，約 40% 的新車成本為基于半導體的電子系統，這一數字自 2007 年以來成本翻了一番。據估計，到 2030 年，總數將接近 50%。公司進一步預測，如今每輛新車都裝有價值約 600 美元的半導體，其中包括多達 3,000 個各種類型的芯片。將 ECU 和軟件線加起來的總數僅暗示了車輛中錯綜復雜的電子編排和軟件編排。從駕駛員的角度出發，通過觀察它們如何協同工作，本應不可見的復雜性開始出現。新的安全性、舒適性、和娛樂功能的要求，為購買者提供多種選擇的商業必要性進而出現每種品牌和型號的多種變體，以及從汽油和人類駕駛員轉向電動和人工智能駕駛員的需求，還有數百種需要編寫、檢查、調試和抵御黑客攻擊的數百萬行新代碼，正在使汽車成為帶輪子的超級計算機，并迫使汽車行業不斷適應。但是這些能做到么？
功能特性和變體驅動的復雜性
在過去的二十年里，為了提供更多安全和娛樂功能已經將汽車從單純的交通工具轉變為移動計算中心。與服務器機架和高速光互連不同，ECU 和線束在整個車輛內外進行數據通信。所以即便只是去雜貨店，都會運行數百萬行代碼。
Vard Antinyan 是沃爾沃汽車的軟件質量專家，他撰寫了大量有關軟件和系統復雜性的文章，他解釋說，截至 2020 年，「沃爾沃擁有大約 120 個 ECU 的超集，每輛沃爾沃汽車從中選擇創建系統架構。它們總共包含 1 億行源代碼?！?Antinyan 說，這個源代碼「包含 1000 萬條條件語句以及 300 萬個函數，這些函數在源代碼中的大約 3000 萬處被調用。」每個 ECU 中駐留的軟件數量和類型差異很大，這取決于 ECU 的計算能力、ECU 控制的功能、需要處理的內部和外部信息和通信以及它們是否是事件或時間觸發，以及強制性安全和其他監管要求。在過去的十年中，越來越多的 ECU 軟件專門用于確保運行質量、可靠性、安全性和保障性?！赣糜跈z測不當行為以確保質量和安全的軟件數量正在增加，」采埃孚軟件解決方案和全球軟件中心副總裁 Nico Hartmann 說，采埃孚是全球最大的汽車零部件供應商之一。Hartmann 表示，十年前可能有三分之一的 ECU 軟件專門用于確保質量運行，現在通常超過一半或更多，尤其是在關鍵安全系統中。沃爾沃豪華 SUV XC90擁有大約 110 個 ECU，那么哪些 ECU 和相關軟件最終會進入這種車型取決于幾個因素。與所有汽車制造商一樣，沃爾沃針對不同的市場提供不同車型的變體。正如 Antinyan 所指出的，「在瑞典購買完全相同型號沃爾沃的人可能與在美國銷售的不同?！共粌H每輛車都需要滿足區域監管制度，而且每個車主都可以在沃爾沃提供的多種可選發動機、驅動、安全或其他功能中進行選擇。無論什么樣的標準、選擇和法律要求最終形成的設備配置，都將決定嵌入車輛的 ECU、軟件和相關電子設備的確切數量和類型，所有這些都必須能夠無縫協同工作。對于一家汽車制造商來說，「車輛變體管理非常困難」，Antinyan 說，「因為它涉及到每個人?！估纾袌霾块T和設計、工程部門之間存在著自然的緊張關系，營銷部門希望為不同的客戶群提供具有不同功能的多種類型的車輛，而設計和工程部門則希望減少變體以幫助保持系統集成、測試和驗證工作是可控的。功能的每一次增加都意味著需要額外的傳感器、執行器、ECU 和隨附的軟件，因此需要額外的集成工作以確保它們正常運行。德勤估計，從研發開始到生產開始，車輛開發預算的 40% 或更多可歸因于系統集成、測試、驗證。跟蹤生產和銷售的每個模型中的所有新研發或固有的電子產品、軟件可能是一項艱巨的任務。毫不奇怪，有效管理變體復雜性是整個汽車行業的一個重要問題。毫無疑問，連接所有ecu、傳感器和其他電子設備并為它們供電，需要大量布線和人工讓他們在整個車輛中交織。數以千計的線束變體支持車輛定制，多個物理網絡總線來控制通過車輛的信號流。車輛的物理電子架構帶來了更多需要應對的網絡設計約束。許多 ECU 需要靠近與其交互的傳感器和執行器，例如用于制動系統或發動機控制的 ECU。因此，一輛汽車的網絡線束可以連接數千個部件，可能包含超過1500根總長5000米、重量超過68公斤的電線。隨著 ECU、傳感器和相關電子設備數量的增加，減少線束重量和復雜性已成為汽車制造商的主要目標。
車輛測試的挑戰
即使花費了大量精力、時間和金錢來確保所有不同的電子設備協同工作，也不是每個潛在 ECU 構建組合都可以在生產開始前進行徹底測試。雖然車輛的安全配置往往是固定的，但 ECU 構建的復雜性更多地體現在消費者選擇的舒適性和便利性或性能功能上。在某些情況下，由于可選特性和功能的特定組合，「從生產線下線的車輛將是第一次測試的特定配置，」采埃孚汽車系統產品規劃副總裁 Andy Whydell 說。
汽車制造商擁有數十萬種單個車型的潛在構建組合，甚至更多。他說，要對某些車型中可能的各種電子設備組合進行現場測試，「將需要十億次測試設置」。 然而， Whydell 表示在車輛開發過程中，原始設備制造商可以使用「面包板」對多個 ECU 構建組合進行實驗室測試，無需為每種情況構建獨特的車輛。即使是經過高度測試的流行型號，軟件相關的錯誤也會在售出后定期發現并糾正。有時更正也需要校正，通用汽車公司在召回其最暢銷的汽車 2019 年雪佛蘭 Silverado 以及 GMC Sierra 輕型卡車和凱迪拉克 CT6 時就發生了這種情況。Whydell指出，「幾乎所有ECU的設計和軟件都外包給了供應商，所以ECU由OEM集成，這使得變體管理更具挑戰性?！?Whydell 表示，個別供應商通常對 OEM 如何將 ECU 集成在一起沒有深入的了解。同樣，原始設備制造商對駐留在 ECU 中的軟件的了解也有限，這些軟件通常作為「黑匣子」來支持信息娛樂、車身控制、遠程信息處理、動力系統或自動駕駛輔助系統等功能之一。時任大眾汽車集團首席執行官、現任董事長的Herbert Diess 在 2020 年發表的評論說明了汽車制造商開發的軟件是多么少，當時他承認「幾乎沒有一行軟件代碼來自我們?！勾蟊姽烙嫞滠囕v中只有 10% 的軟件是內部開發的。其余 90% 由數十家供應商提供，據報道，在一些 OEM 中，這一數字達到 50 多個。如此多的軟件供應商，每個都有自己的開發方法，使用自己的操作系統和語言，這顯然增加了另一層復雜性，尤其是在執行驗證和確認方面。最近，在 Strategy Analytics 和 Aurora Labs 針對汽車供應鏈的軟件開發人員進行的一項調查中，曾提出一個問題——「當更改某個ECU代碼時，是否難以評估它對其他ECU的影響？」。大約 37% 的受訪者表示很難，31% 表示非常困難，7% 表示幾乎不可能，而 16% 表示不可能。汽車公司及其供應商意識到他們必須進行更多地合作以保持對數據配置管理的更嚴格控制，防止由于意外的 ECU 代碼更改而發生產生的后果。但兩方都承認還有很長的路要走。
加強保密性
當然，汽車制造商必須確保軟件不僅安全可靠，而且保密。安全研究人員在 2015 年遠程接管了 2014 年的 Jeep Cherokee，這為該行業敲響了警鐘。現在，每個供應商和 OEM 都認識到網絡安全乏力的威脅。據報道，通用汽車有 90 名工程師全職致力于開發網絡安全對策。然而，十年前，「汽車軟件的設計初衷是為了安全。保密性緊隨其后，」車輛網絡安全專家、美國運輸部克萊姆森大學互聯多式聯運中心主任 Mashrur Chowdhury 說。值得注意的是，因為今天仍在 ECU 中使用的大部分軟件仍是在十年或更長時間前設計的，當時保密性不是優先事項。此外，在過去十年中，車輛內部和外部通信呈爆炸式增長。2008 年，估計有 2,500 個數據信號在豪華汽車的 ECU 之間交換。沃爾沃的 Antinyan 表示，如今有 7,000 多個外部信號連接了沃爾沃汽車中的 120 個 ECU，而汽車內部的交換信號數量要高出兩個數量級。咨詢公司 McKinsey & Company 估計，這些信息每小時可以輕松超過 25 GB 的數據。Chowdhury 說，隨著過去十年移動應用程序和云端服務的爆炸式增長，以及汽車本身內置的越來越復雜的電子設備，「潛在的攻擊面幾乎每天都在增加」。各國政府也注意到了這一點，并對汽車制造商下達了多項網絡安全條例。其中包括建立一個經過認證的網絡安全管理系統 (CSMS)，該系統要求每個制造商“展示基于風險的管理框架，以發現、分析和防范相關威脅、漏洞和網絡攻擊”。此外，OEM 將需要一個軟件更新管理系統，以確保安全地管理無線軟件更新。還鼓勵汽車制造商「維護每個汽車 ECU、每輛組裝車輛中使用的操作軟件組件的數據庫，以及記錄車輛生命周期內所應用的版本更新歷史記錄?！乖撥浖锪锨鍐慰梢詭椭囍圃焐炭焖俅_定哪些 ECU 和特定車輛會受到網絡漏洞的影響。
軟件機械師
大多數司機不會太注意周圍的電子陳列——除非它們很煩人或停止工作。隨著過去十年電子內容的增加，駕駛員有很多機會關注他們車輛的電子設備。根據金融咨詢公司 Stout Risius Ross 編制的 2020 年汽車缺陷和召回報告，2019 年是創紀錄的一年，有 1500 萬輛汽車因電子元件缺陷而被召回。一半的召回涉及軟件的缺陷，這是 Stout 自 2009 年以來測得的最高比例。
近30%的缺陷與軟件集成有關，故障是由于軟件與車輛中的其他電子部件或系統的接口導致的。三菱汽車召回了 60,000 輛 SUV，因為其液壓單元 ECU 中的軟件錯誤干擾了多個安全系統。另外，超過 50% 的故障不是由明顯的軟件缺陷引起的故障，可將軟件作為補救措施。福特汽車公司召回了 Fusion 和 Escape 車輛的某些型號，因為冷卻液可能會進入發動機氣缸孔，這可能會永久損壞發動機。福特的解決方法是重新編程車輛的動力傳動系統控制軟件，以減少冷卻液進入發動機氣缸的可能性。Stout 的數據顯示，在過去五年中，使用軟件來修復車輛硬件問題的發生率在穩步上升?！钙骄倩匾幠Ｒ恢痹谙陆担囕v的平均年齡也在下降，」Stout 董事總經理，Neil Steinkamp說。 「制造商正在利用一些技術，更快地發現缺陷，」尤其是那些涉及電子產品的缺陷。與軟件相關的缺陷往往出現在較新的車輛中，而 ECU 和其他電子元件缺陷往往在車輛推出一段時間后才會出現。Stout主管Robert Levine指出，「從方便車主，轉到關鍵安全組件」的汽車電子產品相關零部件缺陷最近有所增加。例如，自從 2018 年 5 月 1 日之后制造的所有車輛都被要求為駕駛員提供車輛正后方 3 x 6 米的可見區域以來，美國發生了一系列倒車攝像頭召回事件。許多原始設備制造商發現，將更復雜的攝像頭軟件與其他車輛安全系統集成是困難的。其他新安全系統的運行也并非順利。美國汽車協會 (AAA) 對一個可以幫助駕駛員進行轉向或制動/加速的高級駕駛輔助系統進行的研究表明，這些系統通常會駕駛員在沒有注意到的情況下自動脫離，立即將控制權交還給駕駛員。測試表明，這個系統平均每 13 公里就會出現某種類型的問題，包括難以將車輛保持在車道上或與其他車輛或護欄太近。
攀升的維修費用
許多車主在必須支付維修費用時才意識到他們的車輛越來越復雜。修復涉及具有高級安全功能的車輛的碰撞事故中，人工成本將近 60% 來自車輛的電子設備。2018 年AAA 研究表明，如果車輛配備安裝在擋風玻璃上的攝像頭，用于自動緊急制動、自適應巡航控制和車道偏離警告系統，即使是輕微的損壞，例如擋風玻璃的破損，之前其維修價格在 210 至 220 美元之間，現在也攀升至 1,650 美元。校準所有這些系統所需的費用（通常是手動完成的）是主要的成本驅動因素。因為即使傳感器的微小校準錯誤也會大大降低這些安全功能的有效性，「供應商開發了自動校準系統，可以消除或簡化手動過程，」采埃孚的Whydell 說，有助于提高校準精度，同時減少維修成本。Whydell 還表示，供應商和原始設備制造商 (OEM) 正在研究如何將安裝在車輛周邊的傳感器放置在不太可能在事故中收到損壞的地方。AAA 報告稱，僅維修位于后保險杠中的停車輔助超聲波系統的成本約為 1,300 美元。如果用于盲點監測和交叉路口警報的后方雷達傳感器也被損壞，則可能會產生另外 2,050 美元的費用。
EV + AI = 難以控制的復雜性
汽車制造商陷入了一個特殊的難題。根據最新的 J.D. Power 美國車輛可靠性研究，如今的內燃機車輛是 32 年來最可靠的。它們也更舒適、更安全且污染更少。然而，為了解決政府和公眾對全球氣候變化日益增長的擔憂，制造商發現自己不得不放棄精心制作的 ICE 汽車，轉而使用能夠在未來某個時候具備自動駕駛能力的電動汽車。讓他們的困境更加困難的是，要開發電動汽車，制造商必須跨越軟件深淵。ZF 的 Andy Whydell 觀察到，在現代車輛中，「使用當今架構的軟件變得難以管理」。各方聲音也都贊同這種觀點。據咨詢公司麥肯錫公司稱，車輛軟件的復雜性正在迅速超過開發和維護的能力。在過去十年中，軟件復雜性增加了四倍，但供應商和 OEM 軟件的生產力沒有同時提高。此外，它表示，在未來十年內，軟件的復雜性可能會再增加三倍。汽車制造商和供應商都在努力縮小「開發-生產力差距?！共糠謫栴}在于如何支持一個穩定增長的代碼庫，一位汽車公司負責人告訴麥肯錫，按照目前的速度，如果差距不縮小，現有代碼庫的軟件維護將消耗其所有軟件研發資源。事實上，Whydell觀察到，「在某些情況下，汽車行業不再將總代碼行數視為復雜性的衡量標準，而是 OEM 或供應商為滿足當前和未來需求而雇用的軟件人員數量。」如果正如大眾汽車董事長赫伯特·迪斯所說，「軟件將占未來汽車創新的 90%」，那么縮小開發與生產之間的差距看起來尤其令人氣餒。擁有必要的軟件專業知識專家將是成功的關鍵。正如麥肯錫所說，「雖然汽車組織必須在許多層面上出類拔萃才能贏得和軟件的博弈，但吸引和留住頂尖人才可能是最關鍵的方面。」 ZF 的Whydell 承認，怎么樣才能雇傭到軟件專業的專家是「讓我夜不能寐」的原因之一。這也是所有其他供應商和 OEM 經理頭疼的問題。由于埃隆馬斯克以特斯拉形式提出的軟件定義汽車概念。OEM 已經認識到，他們目前將必要的軟件和電子設備外包給供應商，然后將它們集成到 ICE 車輛中的方法不適用于電動汽車。Wards Auto 援引一級汽車供應商 Continental AG 研究和高級工程負責人 Tamara Snow 的話說，ICE 車輛中使用的分散式 ECU 架構的功能和復雜性「已經達到極限」。 特別是，對于完全自動駕駛功能，需要大約 5 億或更多行代碼。汽車行業需要新的車輛軟件和物理架構來管理電池組，而不是內燃機和相關的動力傳動系統。該架構將僅包含少數功能強大、速度極快的計算機處理器，這些處理器執行微服務驅動的代碼，并通過更輕的線束甚至無線方式在更多傳感器之間進行內部通信，而這僅僅只是開始。外部溝通也將更加重要。ZF 的 Hartmann 指出，這些新架構需要由 OEM 和供應商的軟件團隊學習開發軟件和系統的新方法，以低成本和不斷縮短的時間周期開發。Manfred Broy表示，最大的問題可能是管理層的軟件專業知識不足，無法達到轉換所需要的。雖然硬件復雜性是顯而易見的，但 Broy 觀察到，「我認為更重要的是軟件的復雜性(這主要取決于硬件的選擇)，特別是軟件的成本， oem對這些是完全不清楚的，由于軟件的還在不斷發展，這一點更為關鍵。」他說，汽車行業的高管辦公室里都是「過去的人」，「但他們仍在掌控著局面。」克萊姆森的 Zoran Filipi 解釋說：「一百多年來，原始設備制造商一直專注于完善內燃機，將車輛的其余部分外包給供應商，然后將所有零部件整合在一起。隨著電子產品和軟件開始在車輛中使用，也采用了相同的方法——它們只是集成到車輛中的另一個‘黑匣子’?！宫F在，他說，「原始設備制造商及其供應商需要從硬件優先的方法轉變為軟件優先，同時至少在未來十年內仍然使用現有方法支持和改進 ICE 車輛?！箠W迪股份公司前研發負責人兼董事會成員Peter Mertens在最近接受 CleanTechnica采訪時表示，「德國汽車工業把決定他們能否在現有結構中生存下去的最關鍵的新產品——軟件，交給了對他們最缺乏經驗和知識的管理人員?！筆eter接著說，我們需要的是一種方法淘汰不適合其職位的高管。 「明天與大眾、奧迪、保時捷、寶馬和戴姆勒的所有高層管理人員進行一次工作評估，并要求他們編寫一個小游戲，或一個簡單但有效的病毒?！顾f， 「如果他們做不到，立即解雇他們，因為他們不適合這份工作?！?Mertens 問道，還剩下多少人？留在地板上的血將是一個線索。
