McKinsey: преосмисляне на софтуерната и електронната архитектура в автомобилостроенето

Тъй като автомобилът продължава своя преход от хардуерно към софтуерно управлявано, правилата на конкуренцията в автомобилната индустрия се променят драматично.

Двигателят беше технологичното и инженерно ядро ​​на автомобила от 20-ти век. Днес тази роля все повече се изпълнява от софтуер, по-голяма изчислителна мощност и усъвършенствани сензори; повечето иновации включват всичко това. От тези неща зависи всичко – от ефективността на автомобилите, достъпа им до интернет и възможността за автономно шофиране, до електрическата мобилност и новите решения за мобилност.

Въпреки това, тъй като електрониката и софтуерът стават все по-важни, тяхното ниво на сложност също се увеличава. Вземете като пример нарастващия брой редове код (SLOC), съдържащи се в съвременните автомобили. През 2010 г. някои превозни средства имаха приблизително десет милиона SLOC; до 2016 г. тази цифра се е увеличила 15 пъти до приблизително 150 милиона реда код. Лавинообразната сложност причинява сериозни проблеми с качеството на софтуера, както се вижда от многобройните прегледи на нови автомобили.

Автомобилите имат повишено ниво на автономност. Затова хората, работещи в автомобилната индустрия, считат качеството и безопасността на софтуера и електрониката за ключови изисквания за осигуряване на безопасността на хората. Автомобилната индустрия трябва да преосмисли съвременните подходи към софтуера и електрическата и електронната архитектура.

Решаване на належащ проблем в индустрията

Тъй като автомобилната индустрия преминава от хардуерно управлявани към софтуерно управлявани устройства, средното количество софтуер и електроника в едно превозно средство бързо нараства. Днес софтуерът съставлява 10% от общото съдържание на автомобили за D сегмент или по-големи автомобили (приблизително $1220). Средният дял на софтуера се очаква да нарасне с 11%. Предвижда се, че до 2030 г. софтуерът ще съставлява 30% от общото съдържание на автомобила (около $5200). Не е изненадващо, че хората, участващи в някои етапи от разработването на автомобили, се опитват да се възползват от иновациите, активирани от софтуера и електрониката.

Софтуерните компании и други дигитални играчи вече не искат да бъдат изоставени. Те се опитват да привлекат производителите на автомобили като доставчици от първо ниво. Компаниите разширяват участието си в набора от автомобилни технологии, като преминават от функции и приложения към операционни системи. В същото време компаниите, свикнали да работят с електронни системи, навлизат смело в сферата на технологиите и приложенията на технологичните гиганти. Производителите на първокласни автомобили вървят напред и разработват свои собствени операционни системи, хардуерни абстракции и обработка на сигнали, за да направят продуктите си уникални по природа.

Има последствия от горната стратегия. Бъдещето ще види архитектура, ориентирана към обслужване на превозни средства (SOA), базирана на общи изчислителни платформи. Разработчиците ще добавят много нови неща: решения в областта на достъпа до Интернет, приложения, елементи на изкуствения интелект, усъвършенствани анализи и операционни системи. Разликите няма да са в традиционния хардуер на автомобила, а в потребителския интерфейс и начина, по който той работи със софтуер и усъвършенствана електроника.

Автомобилите на бъдещето ще преминат към платформа с нови конкурентни предимства на марката.

Те вероятно ще включват иновации в информационно-развлекателната система, възможности за автономно шофиране и интелигентни функции за безопасност, базирани на „безопасно“ поведение (напр. система, способна да изпълнява ключовата си функция, дори ако част от нея се повреди). Софтуерът ще продължи да се движи надолу по цифровия стек, за да стане част от хардуера под прикритието на интелигентни сензори. Стековете ще станат хоризонтално интегрирани и ще получат нови слоеве, които ще преместят архитектурата към SOA.

Модните тенденции променят правилата на играта. Те влияят на софтуера и електронната архитектура. Тези тенденции водят до сложността и взаимозависимостта на технологиите. Например ще създадат нови интелигентни сензори и приложения "бум на данни" в превозното средство. Ако автомобилните компании искат да останат конкурентоспособни, те трябва да обработват и анализират данните ефективно. Модулните SOA актуализации и актуализациите по въздуха (OTA) ще станат ключови изисквания за поддръжка на сложен софтуер във флотилии. Те също са много важни за внедряването на нови бизнес модели, в които функциите се появяват при поискване. Ще има нарастващо използване на информационно-развлекателни системи и, макар и в по-малка степен, напреднали системи за подпомагане на водача (ADAS). Причината е, че има все повече разработчици на приложения от трети страни, които предоставят продукти за превозни средства.

Поради изискванията за цифрова сигурност, стратегията на конвенционалния контрол на достъпа престава да бъде интересна. Време е да преминете към интегрирана концепция за безопасност, предназначени да предвиждат, предотвратяват, откриват и защитават срещу кибератаки. С появата на възможности за силно автоматизирано шофиране (HAD) ще се нуждаем от сближаване на функционалността, превъзходна изчислителна мощност и високи нива на интеграция.

Проучване на десет хипотези за бъдещата електрическа или електронна архитектура

Пътят на развитие както на технологията, така и на бизнес модела все още не е ясно определен. Но въз основа на нашите обширни изследвания и експертни мнения, ние разработихме десет хипотези относно бъдещата архитектура на електрическите или електронни превозни средства и нейните последици за индустрията.

Консолидирането на електронни блокове за управление (ECU) ще става все по-често срещано

Вместо множество специфични ECU за специфични функции (както в настоящия стил „добавете функция, добавете прозорец“), индустрията ще премине към унифицирана архитектура на ECU на превозното средство.

В първата фаза по-голямата част от функционалността ще бъде фокусирана върху обединени домейн контролери. За основните домейни на превозни средства, те ще заменят частично функционалността, налична в момента в разпределените ECU. Разработките вече са в ход. Очакваме готовия продукт на пазара след две-три години. Консолидацията е най-вероятно да се случи в стекове, свързани с ADAS и HAD функции, докато по-основните функции на превозното средство могат да запазят по-висока степен на децентрализация.

Преминаваме към автономно шофиране. Следователно виртуализацията на софтуерните функции и абстрахирането от хардуера ще станат съществени. Този нов подход може да се прилага по различни начини. Възможно е да се комбинира хардуер в стекове, които отговарят на различни изисквания за латентност и надеждност. Пример може да бъде стек с висока производителност, който поддържа функционалност HAD и ADAS, и отделен стек с ниска латентност, управляван от времето за основните функции за сигурност. Или можете да замените ECU с един резервен „суперкомпютър“. Друг възможен сценарий е, когато напълно изоставим концепцията за контролно устройство в полза на интелигентна изчислителна мрежа.

Промените се движат основно от три фактора: разходи, нови участници на пазара и търсене на HAD. Намаляването на разходите за разработване на функции и необходимия компютърен хардуер, включително комуникационно оборудване, ще ускори процеса на консолидация. Същото може да се каже и за новите участници в автомобилния пазар, които има вероятност да разрушат индустрията с ориентиран към софтуера подход към архитектурата на автомобила. Нарастващото търсене на HAD функционалност и излишък също ще изисква по-висока степен на консолидация на ECU.

Някои първокласни производители на автомобили и техните доставчици вече участват активно в консолидирането на ECU. Те правят първите стъпки за актуализиране на електронната си архитектура, въпреки че в момента все още няма прототип.

Индустрията ще ограничи броя на купчините, използвани за конкретно оборудване

Подкрепата за консолидация нормализира ограничението на стека. Той ще раздели функциите на автомобила и хардуера на ECU, което включва активно използване на виртуализация. Хардуерът и фърмуерът (включително операционната система) ще зависят от основните функционални изисквания, а не са част от функционалната област на превозното средство. За да се осигури разделяне и ориентирана към услугата архитектура, броят на стековете трябва да бъде ограничен. По-долу са купчините, които биха могли да формират основата за бъдещи поколения автомобили след 5-10 години:

• Задвижван от времето стек. В този домейн контролерът е директно свързан със сензора или изпълнителния механизъм, докато системите трябва да поддържат строги изисквания в реално време, като същевременно поддържат ниска латентност; планирането на ресурсите е базирано на времето. Този пакет включва системи, които постигат най-високо ниво на безопасност на превозното средство. Пример за това е класическият домейн Automotive Open Systems Architecture (AUTOSAR).
• Задвижван от време и събитие стек. Този хибриден стек съчетава приложения за сигурност с висока производителност с поддръжка за ADAS и HAD, например. Приложенията и периферните устройства са разделени от операционната система, докато приложенията са планирани по време. В рамките на едно приложение планирането на ресурсите може да се основава на време или приоритет. Работната среда гарантира, че критичните за мисията приложения работят в изолирани контейнери, като ясно разделят тези приложения от другите приложения в автомобила. Добър пример е адаптивният AUTOSAR.
• Стек, управляван от събития. Този набор се фокусира върху информационно-развлекателната система, която не е критична за безопасността. Приложенията са ясно отделени от периферните устройства и ресурсите се планират с помощта на оптимално или базирано на събития планиране. Стекът съдържа видими и често използвани функции: Android, Automotive Grade Linux, GENIVI и QNX. Тези функции позволяват на потребителя да взаимодейства с автомобила.
• Облачен стек. Последният стек покрива достъпа до данни и ги координира външно с функциите на автомобила. Този стек отговаря за комуникациите, както и за проверката на сигурността на приложението (автентификация) и установява специфичен автомобилен интерфейс, включително дистанционна диагностика.

Доставчиците на автомобили и производителите на технологии вече са започнали да се специализират в някои от тези групи. Ярък пример е информационно-развлекателната система (event-driven stack), където компаниите развиват комуникационни възможности – 3D и разширена навигация. Вторият пример е изкуственият интелект и сензорите за приложения с висока производителност, където доставчиците се обединяват с ключови производители на автомобили за разработване на изчислителни платформи.

В домейна, управляван от времето, AUTOSAR и JASPAR поддържат стандартизацията на тези стекове.

Мидълуерът ще абстрахира приложенията от хардуера

Тъй като превозните средства продължават да се развиват към мобилни изчислителни платформи, междинният софтуер ще позволи превозните средства да бъдат преконфигурирани и техният софтуер да се инсталира и актуализира. В днешно време мидълуерът във всяко ECU улеснява комуникацията между устройствата. В следващото поколение превозни средства той ще свърже домейн контролера с функциите за достъп. Използвайки хардуера на ECU в колата, междинният софтуер ще осигури абстракция, виртуализация, SOA и разпределено изчисление.

Вече има доказателства, че автомобилната индустрия преминава към по-гъвкави архитектури, включително мидълуер. Например, адаптивната платформа AUTOSAR е динамична система, която включва междинен софтуер, поддръжка на сложна операционна система и модерни многоядрени микропроцесори. Въпреки това, наличните в момента разработки са ограничени само до едно ECU.

В средносрочен план броят на бордовите сензори ще се увеличи значително

В следващите две до три поколения превозни средства автомобилните производители ще инсталират сензори с подобни функции, за да гарантират, че резервите, свързани с безопасността, са достатъчни.

В дългосрочен план автомобилната индустрия ще разработи специални сензорни решения, за да намали техния брой и цена. Вярваме, че комбинирането на радар и камера може да бъде най-популярното решение през следващите пет до осем години. Тъй като възможностите за автономно шофиране продължават да растат, въвеждането на лидари ще бъде необходимо. Те ще осигурят резервиране както в областта на анализа на обекта, така и в областта на локализацията. Например, SAE International L4 (висока автоматизация) конфигурация за автономно шофиране първоначално вероятно ще изисква четири до пет lidar сензора, включително тези, монтирани отзад за градска навигация и почти 360-градусова видимост.

Трудно е да се каже нещо за броя на сензорите в превозните средства в дългосрочен план. Техният брой или ще се увеличи, или ще намалее, или ще остане същият. Всичко зависи от регулациите, техническата зрялост на решенията и възможността за използване на множество сензори в различни случаи. Регулаторните изисквания биха могли например да увеличат наблюдението на водача, което да доведе до повече сензори в автомобила. Можем да очакваме да видим повече сензори за потребителска електроника, използвани в интериора на автомобила. Сензори за движение, наблюдение на здравето (пулс и сънливост), разпознаване на лице и ирис са само някои от възможните случаи на употреба. Въпреки това, за да се увеличи броят на сензорите или дори да се запазят нещата същите, ще е необходима по-широка гама от материали не само в самите сензори, но и в мрежата на автомобила. Следователно е много по-изгодно да се намали броят на сензорите. С появата на силно автоматизирани или напълно автоматизирани превозни средства, усъвършенстваните алгоритми и машинното обучение могат да подобрят производителността и надеждността на сензорите. Благодарение на по-мощните и способни сензорни технологии вече може да не са необходими ненужни сензори. Използваните днес сензори може да остареят - ще се появят по-функционални сензори (например ултразвукови сензори могат да се появят вместо базиран на камера асистент за паркиране или лидар).

Сензорите ще станат по-умни

Системните архитектури ще се нуждаят от интелигентни и интегрирани сензори за управление на огромните количества данни, необходими за силно автоматизирано шофиране. Функции на високо ниво като сливане на сензори и XNUMXD позициониране ще работят на централизирани изчислителни платформи. Веригите за предварителна обработка, филтриране и бърза реакция вероятно ще бъдат разположени на ръба или ще се изпълняват в самия сензор. Според една оценка количеството данни, генерирано от автономна кола всеки час, е четири терабайта. Следователно AI ще се премести от ECU към сензорите, за да извърши основна предварителна обработка. Това изисква ниска латентност и ниска изчислителна производителност, особено когато сравнявате разходите за обработка на данни в сензори и разходите за предаване на големи количества данни в превозно средство. Излишъкът от пътни решения в HAD обаче ще изисква конвергенция за централизирано изчисление. Най-вероятно тези изчисления ще бъдат изчислени въз основа на предварително обработени данни. Интелигентните сензори ще наблюдават собствените си функции, докато резервирането на сензорите ще подобри надеждността, достъпността и следователно сигурността на сензорната мрежа. За да се осигури правилна работа на сензора при всякакви условия, ще са необходими приложения за почистване на сензори, като размразяващи средства и средства за премахване на прах и мръсотия.

Ще са необходими пълна мощност и резервни мрежи за данни

Ключови и критични за безопасността приложения, които изискват висока надеждност, ще използват напълно излишни цикли за всичко необходимо за безопасно маневриране (комуникации на данни, захранване). Въвеждане на технологии за електрически превозни средства, централните компютри и гладните за енергия разпределени изчислителни мрежи ще изискват нови излишни мрежи за управление на захранването. Устойчивите на грешки системи, които поддържат кабелно управление и други HAD функции, ще изискват разработването на резервни системи. Това значително ще подобри архитектурата на съвременните устойчиви на грешки реализации за мониторинг.

"Automotive Ethernet" ще се издигне до гръбнака на автомобила

Днешните автомобилни мрежи не са достатъчни, за да отговорят на нуждите на бъдещия транспорт. Повишените скорости на данни, изискванията за излишък за HAD, необходимостта от сигурност и защита в свързани среди и нуждата от междуиндустриални стандартизирани протоколи вероятно ще доведат до появата на автомобилен Ethernet. Това ще се превърне в ключов инструмент, особено за резервна централна шина за данни. Ethernet решенията ще са необходими, за да осигурят надеждна комуникация между домейни и да отговорят на изискванията в реално време. Това ще бъде възможно благодарение на добавянето на Ethernet разширения като Audio Video Bridging (AVB) и чувствителни към времето мрежи (TSN). Представители на индустрията и OPEN Alliance подкрепят приемането на Ethernet технологията. Много автомобилни производители вече са направили тази голяма стъпка.

Традиционните мрежи като локални мрежи за свързване и мрежи на контролери ще продължат да се използват в автомобила, но само за затворени мрежи от по-ниско ниво, като сензори. Технологии като FlexRay и MOST вероятно ще бъдат заменени от автомобилния Ethernet и неговите разширения AVB и TSN.

В бъдеще очакваме, че автомобилната индустрия ще използва и други Ethernet технологии - HDBP (продукти с честотна лента с голямо забавяне) и 10-Gigabit технологии.

OEM производителите винаги ще имат строг контрол върху свързаността на данни, за да осигурят функционална безопасност и HAD, но те ще отварят интерфейси, за да позволят на трети страни достъп до данни

Централните комуникационни шлюзове, които предават и получават критични за сигурността данни, винаги ще се свързват директно към OEM бекенда. Достъпът до данните ще бъде отворен за трети лица, когато това не е забранено от правилата. Инфотейнмънтът е „приставка“ към автомобила. В тази област възникващите отворени интерфейси ще позволят на доставчиците на съдържание и приложенията да внедряват своите продукти, докато OEM производителите се придържат към стандартите възможно най-добре.

Днешният порт за бордова диагностика ще бъде заменен от свързани телематични решения. Достъпът за поддръжка за мрежата на превозното средство вече няма да се изисква, но ще може да протича през задните части на OEM. OEM производителите ще предоставят портове за данни в задната част на превозното средство за определени случаи на употреба (проследяване на откраднато превозно средство или лична застраховка). Устройствата след пазара обаче ще имат все по-малък достъп до вътрешни мрежи за данни.

Операторите на големи автопаркове ще играят по-голяма роля в потребителското изживяване и ще създават стойност за крайните клиенти. Те ще могат да предлагат различни превозни средства за различни цели в рамките на един и същи абонамент (например за ежедневно пътуване до работното място или бягства през уикенда). От тях ще се изисква да използват множество OEM бекендове и да консолидират данни в своите флотилии. След това големите бази данни ще позволят на операторите на автопаркове да монетизират консолидирани данни и анализи, които не са налични на ниво OEM.

Автомобилите ще използват облачни услуги, за да комбинират бордовата информация с външни данни

„Нечувствителните“ данни (т.е. данни, които не са свързани с идентичност или сигурност) все повече ще се обработват в облака, за да се получи допълнителна информация. Наличието на тези данни извън OEM ще зависи от бъдещите закони и разпоредби. С нарастването на обемите ще бъде невъзможно да се направи без анализ на данни. Анализът е необходим за обработка на информация и извличане на важни данни. Ние сме ангажирани с автономното шофиране и други цифрови иновации. Ефективното използване на данни ще зависи от споделянето на данни между множество играчи на пазара. Все още не е ясно кой и как ще направи това. Въпреки това, големи автомобилни доставчици и технологични компании вече изграждат интегрирани автомобилни платформи, които могат да обработват това ново богатство от данни.

Компонентите с възможност за надграждане ще се появят в автомобили, които ще поддържат двупосочна комуникация

Бордовите тестови системи ще позволят на превозните средства автоматично да проверяват за актуализации. Ще можем да управляваме жизнения цикъл на превозното средство и неговите функции. Всички ECU ще изпращат и получават данни от сензори и изпълнителни механизми, извличайки данни. Тези данни ще бъдат използвани за разработване на иновации. Пример за това е изграждането на маршрут въз основа на параметрите на превозното средство.

Възможността за OTA актуализация е задължителна за HAD. С тези технологии ще имаме нови функции, киберсигурност и по-бързо внедряване на функции и софтуер. Всъщност възможността за OTA актуализация е движещата сила зад много от важните промени, описани по-горе. В допълнение, тази възможност също изисква всеобхватно решение за сигурност на всички нива на стека - както извън автомобила, така и вътре в ECU. Това решение все още предстои да бъде разработено. Ще бъде интересно да видим кой и как ще го направи.

Ще могат ли актуализациите на автомобила да се инсталират като на смартфон? Индустрията трябва да преодолее ограниченията в договорите с доставчици, регулаторните изисквания и опасенията за сигурност и поверителност. Много автомобилни производители обявиха планове за въвеждане на предложения за OTA услуги, включително безжични актуализации за техните автомобили.

OEM производителите ще стандартизират своите автопаркове на OTA платформи, като работят в тясно сътрудничество с доставчиците на технологии в тази област. Свързването в автомобила и OTA платформите скоро ще станат много важни. OEM производителите разбират това и се стремят да придобият повече собственост в този пазарен сегмент.

Превозните средства ще получат актуализации на софтуера, функциите и сигурността за техния проектен живот. Регулаторните органи вероятно ще осигурят софтуерна поддръжка, за да гарантират целостта на дизайна на автомобила. Необходимостта от актуализиране и поддръжка на софтуер ще доведе до нови бизнес модели за поддръжка и експлоатация на превозни средства.

Оценка на бъдещото въздействие на автомобилния софтуер и електронната архитектура

Тенденциите, оказващи влияние върху автомобилната индустрия, създават значителни несигурности, свързани с хардуера. Бъдещето на софтуера и електронната архитектура обаче изглежда обещаващо. Всички възможности са отворени за индустрията: производителите на автомобили биха могли да формират индустриални асоциации за стандартизиране на архитектурата на превозните средства, дигиталните гиганти биха могли да внедрят бордови облачни платформи, участниците в мобилността могат да произвеждат свои собствени превозни средства или да разработват пакети от превозни средства с отворен код и софтуер с функции, производителите на автомобили могат да въведат все по-усъвършенствани автономни автомобили с интернет свързаност.

Продуктите скоро вече няма да бъдат ориентирани към хардуера. Те ще бъдат софтуерно ориентирани. Този преход ще бъде труден за автомобилните компании, които са свикнали да произвеждат традиционни автомобили. Въпреки това, предвид описаните тенденции и промени, дори малките компании няма да имат избор. Те ще трябва да се подготвят.

Виждаме няколко основни стратегически стъпки:

• Отделни цикли на разработка на превозни средства и функции на превозни средства. OEM производителите и доставчиците от ниво XNUMX трябва да решат как ще разработят, предложат и внедрят функции. Те трябва да са независими от циклите на разработване на превозни средства, както от техническа, така и от организационна гледна точка. Предвид настоящите цикли на разработка на превозни средства, компаниите трябва да намерят начин да управляват софтуерните иновации. Освен това те трябва да обмислят опции за надстройки и надстройки (като изчислителни единици) за съществуващи флоти.
• Определете целевата добавена стойност за разработката на софтуер и електроника. Производителите на оригинално оборудване трябва да идентифицират отличителни характеристики, за които могат да поставят критерии. Освен това е изключително важно ясно да се дефинира целевата добавена стойност за техния собствен софтуер и разработки на електроника. Трябва също така да идентифицирате области, в които ще са необходими продукти и теми, които трябва да се обсъждат само с доставчика или партньора.
• Задайте ясна цена за софтуера. За да отделят софтуера от хардуера, OEM производителите трябва да преосмислят вътрешните процеси и механизми за директно закупуване на софтуер. В допълнение към традиционното персонализиране е също така важно да се анализира как един гъвкав подход към разработката на софтуер може да бъде свързан с процеса на възлагане. Това е мястото, където доставчиците (първо ниво, второ ниво и трето ниво) също играят критична роля, тъй като те трябва да предоставят ясна бизнес стойност на своите софтуерни и системни предложения, така че да могат да уловят по-голям дял от приходите.
• Разработете конкретна организационна диаграма за новата архитектура на електрониката (включително бекенд). Автомобилната индустрия трябва да промени вътрешните процеси, за да доставя и продава модерна електроника и софтуер. Те също така трябва да обмислят различни организационни настройки за електронни теми, свързани с превозните средства. По принцип новата "слоеста" архитектура изисква потенциално прекъсване на текущата "вертикална" настройка и въвеждането на нови "хоризонтални" организационни единици. Освен това има нужда от разширяване на възможностите и уменията на разработчиците на софтуер и електроника в екипи.
• Разработване на бизнес модел за отделни компоненти на превозни средства като продукт (особено за доставчици). От решаващо значение е да се анализира кои функции добавят реална стойност към бъдещата архитектура и следователно могат да бъдат монетизирани. Това ще ви помогне да останете конкурентоспособни и да вземете значителен дял от стойността в индустрията на автомобилната електроника. Впоследствие ще трябва да се намерят нови бизнес модели за продажба на софтуер и електронни системи, било то продукт, услуга или нещо съвсем ново.

С началото на новата ера на автомобилния софтуер и електроника, тя фундаментално променя всичко относно бизнес моделите, нуждите на клиентите и естеството на конкуренцията. Вярваме, че от това ще бъдат направени много пари. Но за да се възползват от предстоящите промени, всеки в индустрията трябва да преосмисли подхода си към производството на автомобили и да настрои (или промени) своите предложения мъдро.

Тази статия е разработена в сътрудничество с Global Semiconductor Alliance.

Източник: www.habr.com