对于大部分主机厂而言,采用功能域进行划分将会是长期的主流发展路径。因为这与 市场上大部分的 OEM 与 TIER 1 的设计采取同一路径,使得供应链采购更加方便。成熟的 第三方 TIER1 的产品可以帮助 TIER1 企业快速建立一个功能域的底层硬件能力。预计大部分主机厂仍会使用混合域的 EEA 架构,即部分功能域集中化,形成“分布式 ECU 域控 制器“的过渡方案,最后形成"super controller(中央超级计算机) zonal control unit(区 控制器)"的架构,这一 EEA 演进过程可能长达 5-10 年。
域控制器核心组成:高性能 SoC 驱动,搭载自动驾驶软件操作系统底座
1)底层芯片:异构分布 SoC 作为计算核心,AI 单元决定算力差距
硬件结构上,智能驾驶域控制器承载了车辆线控平台与多数量、多类型的外围传感器, 内部以大量多并行计算作为主要特点,向外则需要对接大量不同类型的传感器接口。大批 量、多类型的数据流入特征,使得自动驾驶域控制器的底层芯片应当是异构多核芯片。
核心计算芯片一般会采用一颗或多颗高性能的 SoC。当前主流厂商使用的均是多核异 构的 SoC,即传统的 CPU AI 计算单元的解决方案。SoC 通过在单块芯片上集成多个微 处理器、模拟 IP 核、数字 IP 核和存储器等部件来实现相关功能,包括 CPU、AI 计算、 DSP、ISP、Codec、NPU(ASIC)、Modem 等模块,其中最核心的是计算单元与 AI 单 元。
计算单元 CPU:多核 CPU 的计算单元具有主频高,计算能力强等优势,通过系 统内核管理软件和硬件资源、完成任务调度。CPU 执行了大部分自动驾驶相关 的核心算法,根据 AI 单元整合完成的多传感器融合数据,完成路径规划、决策 控制等功能。当前主流 SoC 选择的多是 ARM 架构的多核 CPU。
AI 单元:AI 单元的算力是决定异构芯片硬件框架算力的主要部分,当前主流的 AI 芯片有 GPU、FPGA、ASIC 等方式。通过系统内核进行加速引擎和软硬件资 源的分配、调度。AI 单元主要完成多传感器融合数据的分析和处理,输出用于 规划、决策和控制的周围环境信息。
MCU 控制单元:此外,在形成相关指令后,还需要控制单元 MCU 向车上的底盘 域等发出控制指令,完成车辆横纵向的控制任务。
根据 AI 芯片选择的差异,选择 GPU/ASIC/FPGA 等不同类型的芯片,会使得 SoC 的 整体设计产生较大的差异。大体而言可以分为两类,分别是采用 CPU GPU ASIC 的流派, 以英伟达、高通、特斯拉等海外科技龙头为主;以及采用了 CPU ASIC 模式的流派,代 表厂商包括了 Mobileye、华为以及地平线等。
此外,CPU 的选择也会使芯片在表现上有较大差异。当前主流的厂商在 SoC 的 CPU 中都会选择更适合移动场景的 ARM CPU,而较为特殊的是 Mobileye 选用的是 MIPS 的 CPU,这是一种 RISC 指令集架构下的 CPU,在安全性和功耗比上占据优势,缺点在于缺 乏生态支持,本身开发难度很大,不利于生态合作伙伴协同开发。
从已公布的 2022 年及此后的落地计划来看,搭载低级别自动驾驶芯片的域控制器料 将进入百花齐放的阶段,但与此同时,搭载高级别自动驾驶域控制器的厂商数量仍然十分 有限,目前能够看到成熟落地案例的第三方 TIER1 厂商仅有华为、德赛西威两家域控制器 厂商,其他均为主机厂自研 外部白牌代工厂,或主机厂内部 TIER1 厂商生产的模式。(报告来源:未来智库)
2)整体硬件配置:域控制器中主芯片占成本主体
在英伟达 ORIN 的域控制器量产之前,市场上当前最成熟、产量最大的域控制器是特 斯拉的 AP3.0。特斯拉自研 SoC,通过以太网总线的形式承担了海量数据输入与以太网交 换的功能。由于产品的具体硬件配置已经较为透明。我们可以通过拆分其 BOM 成本,理 解高端自动驾驶域控制器大致的成本分布。
我们估计 AP3.0 板上芯片价格在 5000 元人民币左右,加上高速通信以太网连接器接 插件与 PCB 等成本,整块板子成本约 7500-8500 元人民币。由于当前主流厂商选用的芯 片组已经实现 SoC 化,CPU 与 GPU 合二为一,省去了昂贵的 PCIe 交换机成本。其中, 主芯片 SoC FSD 占所有芯片成本约 61%,占整体硬件 BOM 成本的 20%。
值得注意的是,由于域控制器是软硬件一体化的嵌入式设备,单纯考虑硬件成本时会 忽略软件部分的成本,低估域控制器厂商的成本;此外,由于特斯拉的 FSD SoC 为自研 (三星代工),成本占比会低于其他第三方自动驾驶域控制器厂商的主芯片。此外,特斯 拉是纯视觉算法,没有使用传感器融合,一般的自动驾驶域控制器还需要配置快速傅里叶 变换功能的芯片如 DSP,进一步拉高了成本。
综合计算下,高级别的自动驾驶域控制器的主芯片占到整体成本的 30%左右,低级别 的自动驾驶域控制器由于对于交换、接串行、内存等芯片的配置需求更低,相对的主芯片 的成本占比更高,占到整体的 40%以上。
3) 软件:底层与应用层解耦,控制器厂商掌控底层软件开发
汽车 E/E 架构长期处于软硬件耦合的状态,这对于汽车统一的软件部署,OTA 升级, 算力集中等产生较大阻碍。随着域控化的推进,软件层也逐渐实现底层软件与应用层软件 解耦,域控制器厂商一般为车企提供硬件与底层的操作系统与中间件,上层应用层车企有 较多的选择空间。
AUTOSAR 是基于整体汽车电子开发的功能标准,发起于 2003 年,发起人包括了 BMW、DAIMLER、GM、TOYOTA、福特等主机厂和博世、大陆等 TIER1 厂商;标准设 立的初衷是避免业内重复开发功能相同相近的软件模块。通过使用独立于系统的标准软件 平台,可缩短产品上市时间,减少开发工作,并可从同一组组件中开发出更多产品,提高 产品质量。
2018 年,为满足汽车从传统 E/E 架构向域控化转型的需求,AUTOSAR 联盟在原有 的 Classic AUTOSAR 基础上,进一步推出了 Adaptive AUTOSAR 平台,满足车企对于高 度灵活、高性能且支持 HPC、动态通讯等特性的新软件架构平台的需求。当前 Classic AUTOSAR 目前已广泛应用于传统嵌入式 ECU 中,如发动机控制器、电机控制器、整车 控制器、BMS 控制器等,而 Adaptive AUTOSAR 未来会更多的应用于如 ADAS、自动驾 驶等需求高计算能力、高带宽通信、分布式部署的下一代汽车应用领域中。