麦肯锡：软件驱动重写汽车行业竞争法则

当汽车逐渐从一个硬件驱动的机器逐渐进化成软件驱动的电子产品，汽车行业的竞争法则将被重新书写。

发动机是整个20世纪汽车的技术核心和工程核心，而今天，强大的算力、高级的传感器们正越来越多的扮演着这样的角色：从效率、到互联、到无人驾驶、到电动化、到新型出行解决方案……它们让更多这样的时代创新成为可能。

可是，随着电子和软件的重要性变强，复杂度也升高了。举个例子就是现在汽车内部暴增的软件代码行数SLOC（Software Lines of Code，译者注）。2010年时有些车里的SLOC就有千万行，2016年时这个数字就增长了15倍达到大概1.5亿行。这样滚雪球似的复杂度上升造成了严重的软件质量问题——有近期数百万级的汽车召回为证。

汽车向提供越来越高级的自动化在定位，汽车厂商们也把车内软件的质量和安防当作确保车辆安全的关键必要条件。行业也因此需要重新对现今的车内软件和电子电气架构进行构思。

说一个较为迫切的行业问题

整个行业正在经历一个车从硬件定义到软件定义的转换，每个车平均的软件和电子电气相关内构快速增长。

软件，在今天，能占到一辆D级车或说一辆大型车全部内构的10%（约$1,200美元），而这一占比的增速将达到每年11%的复合增长率：2030年将达到30%（约$5,200美元）。

于是也毫不奇怪整个数字汽车价值链上的每个参与者都想在这些软件和电子技术带来的创新中分一杯羹（图1）。软件公司和其他数字技术公司开始从他们原有的二三级供应商位置跳脱，成为汽车厂商的一级供应商。他们开始在汽车技术的“堆栈”（stack）里扩大自己的参与感，从提供功能、app进化到操作系统。

与此同时，传统的一级电子系统供应商则大胆踏入由科技巨头们占领的功能、app地盘；高端车厂们则正进入这“堆栈”下层，比如操作系统、硬件简化、信号处理等等——他们须要捍卫他们的技术独特性和优势。

图1

这样战略动作带来的后果之一是车辆架构将变为基于广义计算平台的面向服务的SOA（Service-Oriented Architecture，译者注）。开发者们可以加入新的互联解决方案、应用、人工智能元素、高级分析和操作系统。所以未来差异化将不像传统车那样在于硬件，而在于软件和高级电子赋能的UI、体验部分。

明日之车将转向搭载全新差异化因子的平台（图2）。这些因子要素可能包含信息娱乐创新、自动驾驶能力、以及那些基于“运行失败”的智能安全功能（例如，系统可以在部分失灵的情况下仍完成关键任务）。软件将在数字技术的分层里逐渐下移，以智能传感器的形式与硬件相互集成。“堆栈”将横向集成，形成让车辆架构向SOA转变的新层级。

图2

最终，新的软件和电子架构会带来多项改变游戏规则的新趋势，驱动复杂度和相互依赖程度的提升。

比如，这些新的智能传感器和应用就会给车辆带来“数据爆炸”，厂商们若想保持竞争力，就得能更有效率的处理并分析这些数据；

模块化SOA和OTA更新将成为管理车队复杂软件和功能按需（function-on-demand）商业模式可行的关键条件；

信息娱乐以及低级别ADAS在越来越多第三方开发者提供内容的情况下将进一步被“app化”；

对数据安全的要求从聚焦纯访问控制策略向一个可以预测、避免、检测并防御网络攻击的集成安防概念转向；

高级别自动驾驶能力（HAD，Highly automated driving）的来临对功能的融合、高算力以及高集成度都提出了要求。

探寻未来电子电气架构的十个假设

技术与商业模式的前路未定，我们还是基于广泛的研究和专家见解对未来的汽车电子电气架构做了十个假设并分析了他们对行业的意义。

一、多ECU将被整合

汽车行业将转向整合的ECU架构而非与特定功能对应的一大堆特定ECU（即现在这种“加个功能就加个盒子”的模式）。

第一步中，大多数功能将开始被集中在主要车辆域（domain）的集成域控制器上，这些控制器会部分代替当下在不同分布式ECU中运行的功能。

这样的发展业已开始且将在两三年内打入市场，这种整合特别适用于跟ADAS和HAD功能相关的技术层级，基本的车辆功能则可能会继续保持去中心化的状态。

在向自动驾驶的进化过程中，软件功能的虚拟化和硬件的抽象化将变得更加迫切，而这种新的手段可以通过不同几种形式实现。

情况其一是将硬件合并为针对延迟和可靠性提出不同要求的“堆栈”，比如支持HAD和ADAS功能的高性能堆栈以及用于基本安全功能的一个独立的、时间驱动的低延迟堆栈。

另一种情况，ECU被一个冗余的“超级计算机”替代.

而第三种情况，控制单元概念被彻底放弃以支持一个智能节点计算网络（smart-node computing network）。

这一变化驱动因素有三：成本、市场新入者、通过HAD实现的需求。首先无论对于功能开发还是计算硬件，也包括通信硬件，成本减少都会加速上述整合；新入玩家来到汽车领域，通过软件导向的车辆架构对整个行业造成的破坏力也是同样效果；对HAD功能以及冗余性日益增长的需求也需要更高集成化ECU。

几家高端车厂和他们的供应商已经在ECU整合问题上积极行动，先行一步升级电子架构，尽管明确的行业定式还未出现。

二、汽车行业将限制特定硬件所用的堆栈数量

伴随整合的将是堆栈限制的规范化，实现车辆功能和ECU硬件的分离，提升虚拟化。硬件和嵌入式固件（包括操作系统）将依赖关键非车辆功能条件而非被分配到车辆功能域的一部分。要实现这样的分离和SOA架构，以下四个堆栈可能成为未来五到十年内下一代汽车的基本：

·时间（Time-driven）堆栈。在此域中，控制器直接与传感器、执行器连接，系统须支持严格的实时要求和低延迟时间；资源调度基于时间。此堆栈包括达到最高汽车安全完整性等级的系统，比如经典汽车开放系统架构域（AUTOSAR, Automotive Open System Architecture,译者注）。

·事件-时间（Event/time-driven）堆栈。此混合型堆栈将高性能安全应用相连结，比如和支持ADAS和HAD的功能相接。应用程序和外设通过操作系统分离，应用程序按时间进行调度，应用程序内的资源调度则既可以根据时间或是优先级。操作环境确保重要安全应用在独立的容器（container）运行并与其他车内应用明确分隔，现有的例子就是自适应AUTOSAR。

·事件堆栈（Event-driven）。这以堆栈以信息娱乐系统为中心，对安全性来说并不关键。应用程序与外设将明确分离，资源和调度遵循最优化或基于事件的调度策略。此堆栈中包含用户可见的、常用的功能且是用户与车辆形成交互的介质，比如像安卓（Android），Automotive Grade Linux，GENIVI和QNX。

·云堆栈（非板载堆栈）（Cloud-based，off-board）。最后一种堆栈负责和协调从车外获取车内数据和使用车内功能。于是此堆栈负责沟通，同时还负责对应用的安全性和保护性检测（即认证），由它建立一个已定义的车的接口（interface），包括远程诊断。

供应商和技术提供商已经开始在以上堆栈中建立自己的专长，举个值得注意的例子就是信息娱乐系统（事件堆栈），公司们已经在推动人车沟通能力的拓展，如3D或增强现实式导航。另一个例子就是人工智能和传感器在高性能应用程序上的引入，关键供应商在此领域已经和主要的汽车厂家进行合作开发计算平台。

在时驱域，AUTOSAR和JASPAR则在支持着时间堆栈的标准化。

扩展后的中间件层（middlewarelayer）将从硬件中将应用进行抽象

车不断进化为移动的计算平台，中间件将让车辆的重新配置成为可能，同时允许软件的安装和升级。不像今天在每个不同ECU里的中间件只是负责单元间的通讯，下一代汽车中的中间件将是域控制器访问功能的链接，在ECU硬件之上运行的中间件层将实现抽象和虚拟化、SOA和分布式计算。

已有证据表明，汽车厂商正向柔性架构努力，这也包括一个总体的中间件。比如AUTOSAR的自适应平台，它是一个动态的系统，包括中间件、对复杂操作系统的支持和最先进的多核微处理器。但是目前这类发展只限制在单个ECU中。

三、中期看，车载传感器个数将迅速升高

后面两到三代汽车产品上，厂商们将通过安装多个有相似功能的传感器以确保足够的安全性冗余（图3）。然而从长远角度，汽车行业将必然开发特有传感器以减少传感器数量以及相关成本。

我们认为接下来的五到八年雷达和摄像头相结合的方案将占据主流，而当自动驾驶能力逐渐提升，激光雷达的引入对于确保物体分析（object analysis）和本地化（localization）的冗余成为必要。

以SAE的L4（高级自动）自动驾驶为例，实现L4的初期可能需要4到5颗激光雷达，包括以城市运营和近360度可视为目的的固定在车后方的后置激光雷达。

图3

长期来看，车辆传感器个数问题将会出现不同的情况：继续增加、数量稳定或数量减少。到底哪一种情况将真正到来则依赖法规要求、不同解决方案的技术成熟度以及在不同用例中使用多个传感器的能力。法规方面，如若要求加强驾驶员监控，则车内传感器必然增多。

可以预见的是汽车内饰中消费电子传感器将会开始应用。动作传感器和用于测心率和困倦成都的健康检测、面部识别、虹膜追踪，这些只是多种潜在用例中的一小部分。当然，随传感器数量上升或稳定，相应的物料成本也将上升，不只是传感器本身的成本，还有车内网络，所以减少传感器数量能带来的成本节约也一定可观。

在高级自动驾驶或完全自动驾驶时代到来，未来的高级算法和机器学习技术将增强传感器的性能和可靠性，结合更强大、性能更高的传感器技术，多余传感器的数量将有希望减少。今天在用的这些传感器可能由于其功能被高性能传感器淘汰而变得过时（例如，一个基于摄像头或激光雷达的停车辅助功能将可能取代超声传感器）。

四、传感器将更加智能

系统架构的需求，决定了智能、集成的传感器们需要为管理和处理高级自动驾驶所需的海量数据而存在。如传感器融合或3D定位等高级别功能将需要在中心化计算平台上运行，但数据的预处理、过滤、快速反应等则将更多在传感器周边或直接在传感器内完成。

有估计称对于一辆自动驾驶汽车每小时产生的数据量将达到4TB，因此，智能化将从ECU们逐渐转移至传感器，靠传感器进行基础的、要求低延迟、只要求低算力的预处理，尤其是当权衡数据处理成本时，在传感器内处理数据对比将海量数据在车内传来传去相比更应把这些工作交给传感器。

而且HAD下驾驶决策冗余无论如何也需要集成的中心化算力，这更可能是基于已经过预处理的数据。智能传感器将对自身功能进行监督而传感器冗余则将提升传感器网络的可靠性、可用性和安全性。另外，为确保不同情况下传感器的正确运行，需要新一类传感器清洁方案和应用——如需要除冰能力、除尘除垢能力等。

五、全电力和数据网络冗余成为必须

高可靠性要求的关键安全应用和其他类似应用，将充分利用整个冗余圈来实现与安全操控相关的那些关乎巨大的一切内容，比如数据传输和电力供应。

电动车技术、中央计算机以及对电力要求较高的分布式计算网络都会对新的冗余电量管理网络提出要求。支持线控转向和其他HAD功能的故障运行系统将需要冗余的系统设计，这也是对现今的故障安全监控实施的巨大架构改进。

六、“汽车以太网”将崛起并成为车的中坚

今天的车辆网络不足以满足未来车辆的需求。

HAD数据速率和冗余要求的提高，连接环境中的安全性和保障性以及对行业内标准化协议的需求将极可能导致汽车以太网成为关键推动因素，特别是对于冗余中央数据总线。

以太网解决方案将需要通过添加像音频-视频桥接（AVB）和时间敏感网络（TSN）等以太网扩展来确保可靠的域间通信并满足实时要求。行业参与者和OPEN联盟支持采用以太网技术，许多汽车制造商已经取得了这样的飞跃进展。

传统网络（如本地互联网络和控制器区域网络）将继续用于车辆内，但仅用于封闭的低级网络，例如传感器和执行器位置。FlexRay和MOST等技术很可能会被汽车以太网及其扩展，AVB和TSN，所取代。

继续发展的话，我们预计汽车行业也同样会拥抱未来以太网技术，比如高延迟宽带产品（HDBP）和10千兆位技术。

七、OEM将始终严格控制用于功能安全和HAD的数据连接，但会为第三方访问数据开发界面

发送和接收安全关键数据的中央连接网关将始终直接连接到OEM后端，除规定的要求外，第三方可以通过这些进行数据访问。但在信息娱乐方面，受车辆“APP化”的驱动，出现新的开放接口来允许内容和应用程序提供商部署内容，而OEM将尽可能保持相应的标准。

今天的车载诊断端口将被车联网解决方案取代。将不再需要对车辆网络的物理维护但可以通过OEM的后端进行维护。OEM们将在其车辆后端提供数据端口用于特定用例，如遗失车辆跟踪或个体保险。但是，售后市场设备对车辆内部数据网络的访问会越来越少。

大型车队（fleet）运营将在用户体验中发挥更强大的作用，并将为终端客户创造价值，例如通过在一套服务（例如周末或每日通勤）中为不同目的提供不同的车辆。这要求他们利用不同OEM的后端并开始整合其车队的数据。之后更大型的数据库将允许车队运营商在OEM级别无法获取的数据集成和分析上变现。

八、汽车通过云将车载信息与车外数据结合

虽然OEM以外的其他厂商可用的数据将取决于未来的监管和相关磋商，但对云计算中不断增加的非敏感数据（即非个人数据或安全相关数据）的处理将可以得到更多深入洞察结果。

随数据量增长，数据分析对于处理信息并将其转化为可操作的知识将变得至关重要。利用数据以实现自动驾驶和其他数字化创新的有效果取决于多个玩家之间的数据共享。目前虽然还不清楚这将如何、由谁完成，但主要传统供应商和技术供应商已经在构建能够处理这种新数据的集成汽车平台。

九、汽车将引入双向通信的可更新组件

车载测试系统将允许汽车自动检查功能和集成更新，从而实现生命周期管理以及增强或解锁售后的产品功能。所有ECU将向传感器和执行器发送和接收数据，检索数据集以支持创新用例，例如基于车辆参数的路线计算。

OTA更新是HAD的先决条件;同时还将因为OTA出现新的功能、确保网络安全、并使汽车制造商能够更快地部署功能和软件。实际上OTA更新功能是前面介绍的许多车辆体系结构重大变化背后的驱动。

此外，OTA还需要在从车辆外部堆栈每层到车辆中ECU们的端到端的安防解决方案。这种安防解决方案仍有待设计，而由谁做、怎么做都将会是非常有趣的观察。

要实现像智能手机那样的可升级性，业界需要克服限制性经销商合同、监管要求以及安全和隐私问题。这里各种汽车厂商也公布了部署OTA服务的计划，其中包括对它们的车辆的无线更新。

OEM将在OTA平台上对其车队进行标准化，并与该领域的技术提供商密切合作。由于车的互联性和OTA平台变得越来越重要，我们可以认为OEM将在这个细分市场中占据更多的所有权。

车辆将获得软件和功能升级，同时也会收到针对设计使用寿命的安防更新。监管机构可能会强制要求软件维护以确保车辆设计的安全完整性。这种更新和维护软件的任务将引出关于车辆维护和运营的新商业模式。

十、评估汽车软件和电子体系结构的未来影响

影响当今汽车行业的趋势们为硬件相关的内容带来很多大的不确定性，对软件和电子体系结构来说，看来未来的破坏性可能也不会少多少。

许多战略举措都有可能：汽车厂商可以选择建起行业联盟来规范和标准化车辆架构、数字行业巨头可以引入车载云平台、出行服务商可以自己自己造车或开发开源车辆堆栈和软件功能，汽车厂商则可以引入日渐复杂的互联、自动驾驶汽车。

对于传统的汽车公司来说，从以硬件为中心的产品向以软件为导向的服务驱动型行业的转变尤其有挑战性。然而考虑到本文所述的趋势和变化，汽车行业内的任何人都没有其他选择，只能做好准备。我们能看到几大战略推力：

·解耦车辆和车辆功能的开发周期。OEM和一级供应商需要从技术和组织两个角度确定如何开发、提供和部署功能，而且是大部分在车辆开发周期之外。鉴于目前的汽车开发周期，企业需要找到一种管理软件创新的方法。此外，也应该思考如何为现有车队创建改造和升级解决方案（例如计算单元）。

·定义软件和电子产品开发工作的目标增值（value added）。OEM必须确定他们能够建立控制点的差异化特征。另外，明确定义自己软件和电子产品开发的目标附加价值非常重要，同样的还有，找到可以形成商品或话题的区域且仅一家供应商或合作伙伴能够实现。

·给软件贴上一个明确的价签。将软件与硬件分离意味着需要OEM重新考虑其单独购买软件的内部流程和机制。除了传统已有的设定之外，分析采购过程中如何将敏捷的软件开发方法固定下来也很重要。这里指的供应商（一级，二级和三级）也发挥着至关重要的作用，因为他们需要为其软件和系统产品提供明确的商业价值，以使其获得更大的收入份额。

·围绕新的电子架构设计一个特定的组织（包括相关的后端）。除了改变内部流程以交付及销售先进的电子和软件之外，行业玩家们（OEM和供应商）还应该考虑针对车辆电子相关的主题设置一个新的不同的组织。主要是，新的“分层”架构要求有可能打破目前的“垂直”流程并引入新的“横向”组织单元。再说一句就是，他们也需要为自己的软件和电子开发团队提升专门的能力和技能。

·围绕作为产品的汽车特征设计商业模式（特别是对汽车供应商来说）。为了保持竞争力并在汽车电子领域分一杯羹，分析哪些功能才是为未来架构增添实际价值并可以变现是致关重要的。随后，玩家需要为软件和电子系统的销售推出新的商业模式，无论当时是作为产品、服务或者全新的东西。

随着汽车软件和汽车电子新纪元的开始，它正在彻底改变各种业务模式，客户需求以及竞争性质的行业既有的确定性。我们对将建起来的收入和利润池感到乐观。但要从转变中受益，业内所有参与者都需要重新思考并在新环境中仔细定位（或重新定位）其价值主张。

麦肯锡注：本文与全球半导体联盟合作开发。

原文：Ondrej Burkacky, Johannes Deichmann, Georg Doll, and Christian Knochenhauer

翻译：胡嘉禾