淺談智能座艙的“一芯多屏”

邊旭東　張亦弛　謝卉瑜

摘 要：隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化水平提高，汽車座艙逐漸向以人機交互為核心、多屏聯(lián)動的智能座艙發(fā)展。在芯片研發(fā)制造、虛擬化技術(shù)大力發(fā)展下，在一顆性能強大芯片上運行多個車載操作系統(tǒng)，同時驅(qū)動多個顯示屏的“一芯多屏”智能座艙方案成為智能座艙的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：智能座艙 一芯多屏 人機交互 虛擬機監(jiān)視器

1 前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)智能網(wǎng)聯(lián)化進程的不斷發(fā)展，消費者對于汽車的認(rèn)識逐步從“代步的交通工具”向連接家和辦公室的“第三空間”轉(zhuǎn)變，汽車座艙作為空間承載體，愈加受到整車廠、汽車零部件廠商的重視。而傳統(tǒng)座艙中功能布局零散，機械式儀表與中控顯示屏的人機交互體驗較差，不能滿足消費者對汽車座艙智能化的需求。與此同時，在人工智能、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、汽車芯片以及操作系統(tǒng)等技術(shù)發(fā)展助推下，以人機交互為核心，能提供多屏聯(lián)動的智能座艙呼之欲出。

智能座艙是由車載娛樂系統(tǒng)、數(shù)字液晶儀表、抬頭顯示器（HUD）、流媒體后視鏡以及后排顯示屏等電子設(shè)備組成的一套完整系統(tǒng)。它是對傳統(tǒng)座艙全方位的升級，在硬件方面，將傳統(tǒng)機械式儀表升級為數(shù)字液晶儀表，為駕駛信息提供極富科技感的畫面展示;增加了流媒體后視鏡、HUD及后排顯示屏，為消費者提供完善的導(dǎo)航信息、周圍環(huán)境信息以及娛樂信息。在軟件方面，融入了多模態(tài)交互、智能場景、個性化服務(wù)，滿足多樣化人機交互需求，提升消費者駕駛體驗。

2 “一芯多屏”趨勢

近年來，大多數(shù)整車廠的座艙方案中車載娛樂系統(tǒng)、數(shù)字液晶儀表、HUD等電子設(shè)備均具備控制器，各個控制器單獨控制自身顯示界面輸出。這種方案主要存在兩大弊端：一方面是控制器數(shù)量增加，提高整車成本，導(dǎo)致整車廠成本控制壓力陡增;另一方面是在座艙電子設(shè)備日益頻繁的信息交互下，為實現(xiàn)多屏聯(lián)動，控制器之間通信開銷加大，通信延遲增加，同時對整車廠如何協(xié)同眾多廠商開展多屏信息交互開發(fā)工作提出巨大挑戰(zhàn)。

隨著芯片行業(yè)的快速發(fā)展，車載芯片的算力得到巨大提升，使得依靠一顆SoC系統(tǒng)級芯片運行多個操作系統(tǒng)、同時驅(qū)動多個顯示屏融合交互（即“一芯多屏”）逐漸成為現(xiàn)實。2015年世界通信大會上，偉世通首次推出智能座艙解決方案SmartCore[1]，它在一個多核SoC級芯片上運行車載娛樂系統(tǒng)、數(shù)字儀表、HUD等多個獨立系統(tǒng)，重新定義了信息傳輸方式，讓多屏交互更易實現(xiàn)。這一方案在2018年由奔馳率先完成量產(chǎn)，如圖1所示，標(biāo)志著智能座艙進入“一芯多屏”階段。

目前，國內(nèi)外汽車零部件廠商均積極加快“一芯多屏”式智能座艙的布局。安波福推出基于英特爾芯片的ICC智能座艙方案，目前已在長城、沃爾沃等車型量產(chǎn);電裝與黑莓聯(lián)合推出Harmony Core方案，在斯巴魯車型中實現(xiàn)量產(chǎn);一汽集團、東軟和英特爾聯(lián)合發(fā)布智能座艙平臺C4-Alfus，已在紅旗車型中投產(chǎn)[2];德賽西威基于高通820A車載芯片為理想ONE車型打造四屏互動的智能座艙方案。

“一芯多屏”式智能座艙方案將成為主流趨勢。在成本控制層面，與“多芯多屏”方案相比，“一芯多屏”方案的總成本降低;在通信層面，“一芯多屏”方案中多屏交互信息在芯片內(nèi)部完成傳輸，改變了多個操作系統(tǒng)之間通過CAN/LIN總線等通信傳輸信息的方式，通信時間大幅降低;在安全性層面，采用“一芯多屏”方案，系統(tǒng)復(fù)雜度降低，芯片等器件數(shù)量減少，整體可靠性增加。

3 “一芯多屏”關(guān)鍵器件與關(guān)鍵技術(shù)

在產(chǎn)品構(gòu)成上，“一芯多屏”式智能座艙的硬件部分主要包括以車載芯片為核心的計算平臺、顯示屏等，軟件部分主要包括操作系統(tǒng)、虛擬機監(jiān)視器（Hypervisor）、中間件、支撐工具等。

3.1 車載芯片

“一芯多屏”方案中車載芯片的CPU決定了多個應(yīng)用APP同時運行的流暢度，GPU決定了中控顯示屏、液晶儀表的清晰度，動畫效果流暢度[3]。為實現(xiàn)智能座艙中觸屏、語音、人臉識別、手勢識別等多模態(tài)順暢交互，實現(xiàn)多屏聯(lián)動、顯示畫面生動流暢，對車載芯片的CPU及GPU運算需求隨之提高，從而促進汽車芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

當(dāng)前智能座艙芯片市場主要包括恩智浦、瑞薩電子、德州儀器等傳統(tǒng)汽車芯片廠商，同時以高通、英特爾、三星為代表的消費電子芯片廠商也紛紛布局其中，形成了以恩智浦i.MX 8QM、瑞薩R-CAR H3、高通820A、英特爾A3950為代表的智能座艙主流芯片。表1是以上四種車載芯片的性能參數(shù)。通過對比四款芯片的參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)高通820A芯片在制造工藝、CPU主頻、GPU性能等方面均處于行業(yè)領(lǐng)先，并且理想ONE、2020款奧迪A4L、領(lǐng)克05、小鵬P7等近十款新車型均搭載高通820A座艙芯片，充分說明芯片運算能力決定其市場占有份額。

除了以上國際芯片廠商外，國內(nèi)芯片廠商也同樣加快產(chǎn)品研發(fā)步伐，推出各自座艙芯片產(chǎn)品。2018年亞洲CES上，全志發(fā)布了針對智能座艙的車規(guī)級SoC芯片T7[4];2020年6月，地平線開發(fā)的智能座艙AI芯片征程2在長安UNI-T正式下線應(yīng)用;黑芝麻發(fā)布了兩款車載芯片，計劃在2021年量產(chǎn);華為與比亞迪半導(dǎo)體合作，進一步加快智能座艙芯片研發(fā)的步伐。

3.2 車載操作系統(tǒng)

在“一芯多屏”趨勢下，車載操作系統(tǒng)將是智能座艙的軟件核心。通過車載操作系統(tǒng)管理智能座艙內(nèi)的硬件資源，調(diào)配軟件運行，為車載應(yīng)用APP提供運行環(huán)境，使得智能座艙的音、視頻信號發(fā)揮出最大作用，為駕駛員營造舒適駕駛環(huán)境，并提供車輛行駛信息、導(dǎo)航信息、音響娛樂等信息。

主流車載操作系統(tǒng)主要包括QNX、Linux和Android三大系統(tǒng)。QNX系統(tǒng)是黑莓（Blackberry）公司開發(fā)，可靠性強，安全性高，但其開發(fā)費用高，系統(tǒng)非開源，導(dǎo)致軟件生態(tài)并不完善。Linux是基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務(wù)，支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)[5]，并且是免費的開源系統(tǒng)，開發(fā)成本低。Android是基于Linux系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)而來的，它的優(yōu)勢在于軟件生態(tài)建設(shè)完善，系統(tǒng)開發(fā)者人數(shù)占據(jù)優(yōu)勢，與之適配的APP應(yīng)用數(shù)量眾多，但系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)黑屏、死機等現(xiàn)象，無法滿足數(shù)字儀表功能安全要求。另外，國內(nèi)阿里與上汽合作，基于Linux系統(tǒng)內(nèi)核打造了AliOS系統(tǒng)，依托于阿里云，可實現(xiàn)車端、云端、用戶端三者互聯(lián)互通。

在智能座艙中，數(shù)字液晶儀表負(fù)責(zé)向駕駛者顯示車內(nèi)傳感器的關(guān)鍵信息，涉及車輛安全，根據(jù)ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)中要求，數(shù)字液晶儀表必須符合ASIL B級標(biāo)準(zhǔn)，一般采用QNX或者Linux系統(tǒng)。而車載娛樂系統(tǒng)負(fù)責(zé)導(dǎo)航、藍牙電話、語音交互等非安全相關(guān)功能，大多采用Android系統(tǒng)。

各大整車廠目前均在三大操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)定制個性化操作系統(tǒng)，其中基于QNX系統(tǒng)的整車廠有奔馳、寶馬、奧迪、福特、大眾等，基于Linux系統(tǒng)的整車廠有特斯拉、雪佛蘭、豐田等，基于Android系統(tǒng)的整車廠有通用、吉利、一汽、廣汽、比亞迪等。

3.3 “一芯多屏”實現(xiàn)方式

“一芯多屏”的實現(xiàn)主要有兩種途徑，一種是硬件隔離（Hardware Partition），另一種是虛擬機監(jiān)視器（Hypervisor）。它們之間主要區(qū)別在于硬件資源是否共享。

硬件隔離[6]是通過硬件分區(qū)將SoC芯片的內(nèi)存區(qū)域、外圍設(shè)備、引腳等硬件資源進行劃分和管理，硬件分區(qū)對各自所屬資源具有訪問和管理功能，分區(qū)間硬件資源不能共享。以恩智浦i.MX 8QM芯片為代表的智能座艙方案是基于硬件隔離實現(xiàn)的。在芯片內(nèi)，分別建立了儀表和娛樂系統(tǒng)的硬件分區(qū)，將多核CPU及其他硬件資源按操作系統(tǒng)需求分配到各自分區(qū)內(nèi)，最終實現(xiàn)在儀表分區(qū)內(nèi)運行Linux系統(tǒng)，在娛樂系統(tǒng)分區(qū)內(nèi)運行Android系統(tǒng)。硬件隔離簡化了硬件資源分配與管理，為軟件開發(fā)提供極大便利性。

虛擬機監(jiān)視器（Hypervisor）[7]是運行在硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)之間的一種中間軟件層，允許多個操作系統(tǒng)共享硬件資源。在虛擬化環(huán)境下，Hypervisor可以調(diào)度CPU內(nèi)核、外部設(shè)備、內(nèi)存區(qū)域等硬件資源，并為每個虛擬機分配不同資源。在Hypervisor協(xié)調(diào)控制下，多個操作系統(tǒng)在硬件方面實現(xiàn)資源共享共用，在軟件方面保持獨立、互不干涉。即使一個操作系統(tǒng)出現(xiàn)軟件故障或發(fā)生崩潰，其他操作系統(tǒng)仍可繼續(xù)正常運行。

按照Hypervisor運行所在介質(zhì)，可將其分為兩大類，第一類是Hypervisor直接在硬件設(shè)備上運行，一般稱為Type-1型;第二類是Hypervisor在操作系統(tǒng)上運行，。在汽車領(lǐng)域中，第一類Hypervisor應(yīng)用十分廣泛，已成為“一芯多屏”式智能座艙的主流配置。常見的車載Hypervisor包括QNX Hypervisor、ACRN、XEN、COQOS等，其中QNX Hypervisor功能安全等級最高。

4 “一芯多屏”發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

從汽車芯片廠商角度，實現(xiàn)“一芯多屏”方案需要開發(fā)系統(tǒng)級芯片，技術(shù)門檻隨之升高。在前期芯片設(shè)計、測試驗證過程中，芯片廠商為滿足整車廠的車規(guī)級AEC-Q100要求，以及ISO 26262 ASIL B級功能安全認(rèn)證而需投入大量研發(fā)資金和時間。

從汽車零部件廠商角度，利用Hypervisor實現(xiàn)“一芯多屏”方案開發(fā)周期較長，平均需要12至18個月甚至更長時間，其開發(fā)難度在于虛擬化環(huán)境下多系統(tǒng)運行測試驗證，使其保障智能座艙平臺的流暢可靠。

從整車廠角度，面對激烈的市場競爭，想通過個性化智能座艙吸引消費者，必須在資金與技術(shù)研發(fā)進行足夠投入。而目前處于壓縮成本的大環(huán)境下，如何平衡成本與維持產(chǎn)品硬件品控、軟件穩(wěn)定可靠的之間關(guān)系是巨大挑戰(zhàn)。

智能座艙正處于快速發(fā)展時期，要解決以上問題，需要芯片廠商、汽車零部件廠商以及整車廠三者之間提早規(guī)劃，緊密合作，協(xié)同開發(fā)，建立以“芯片廠商-零部件廠商-整車廠”為核心的聯(lián)盟，共同努力推動我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車朝著“場景主導(dǎo)、軟件定義、數(shù)據(jù)驅(qū)動”的方向不斷前進。

參考文獻：

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