智能座舱架构与芯片 - (2) 架构篇
一、定义
1.1 智能座舱定义
按照百度百科的定义，智能座舱（intelligent cabin）旨在集成多种IT和人工智能技术，打造全新的车内一体化数字平台，为驾驶员提供智能体验，促进行车安全。目前国内外已经有很多研究工作，例如在车辆的AB柱及后视镜安装摄像头，提供情绪识别、年龄检测、遗留物检测、安全带检测等。
在传统的汽车行业中，一般的把车内用于娱乐的设备称之为车载信息娱乐系统(In-Vehicle Infotainment, IVI)。它是采用车载专用中央处理器，基于车身总线系统和互联网服务，形成的车载综合信息处理系统。IVI能够实现包括三维导航、实时路况、IPTV、辅助驾驶、故障检测、车辆信息、车身控制、移动办公、无线通讯、基于在线的娱乐功能及TSP服务等一系列应用，极大的提升了车辆电子化、网络化和智能化水平。
在一些新能源车的宣传中，智能座舱是为用户打造的"第二生活空间"。通过多模态人机交互系统，以及更具智能化的AI助手，让用户能够充分享受愉悦自由的出行时间。
用技术的语言来翻译上述表达，那就是在汽车座舱内采用更多的信息输入和输出系统，以及具有更高算力的芯片，打造一个可以进行智能化人机交互的AI助手，让汽车更多的满足人们对空间，时间的愉悦要求，以及情感交互的需求。
信息输入：
人车交互不再局限于按键，触控，语音等方式。新的信息感知设备不断得到采用，例如语音助手，手势识别，声源定位，人脸识别，全息影像等多种信息输入方式不断涌现，在新型智能化汽车上得到越来越多的应用。
信息输出：
智能座舱的信息输出设备向多屏化，大屏化，虚拟现实等方向发展。中控娱乐屏，仪表盘和副驾驶双联屏，三联屏，支持虚拟现实的AR和VR设备，车载环绕立体声音响等设备，为汽车座舱增添亮点。
高算力芯片：
为了支撑上述新型的信息输入和信息输出设备，还需要有更高算力的芯片。这类SOC芯片，具有高算力的CPU，高性能图形图像渲染GPU，高性能音质和音效处理DSP，支持多模态AI推理和学习的NPU，共同构成汽车智能座舱的“大脑”。
1.2 智能座舱意义
从新能源车的销售方式可以看到一个很有意义的变化。之前传统的汽车销售方式是通过4S店进行的。用户需要进入对应品牌的4S店，体验店内车型，然后决定是否进行试驾，有中意的车型后下单，然后等待提车。不同品牌的4S店通常相隔较远，用户一天跑不了几家店。
而现在新能源车彻底颠覆了乘用车销售的模式。在大城市的大商场内，通常会有好几家到十几家新能源车的体验店集中在一楼门店内。店内仅仅摆放展车，用户可以随意上车体验汽车的功能。如果感兴趣，则可以再预约试驾。由于店内展车只能静态摆放，因此用户对车的第一感受就是对智能座舱的体验。这时如果有充满科技感，温馨感，舒适感的体验，对客户的购车选择是非常有利的。同时，更有冲击力的是十几家新能源车体验店集中到一起，用户很容易就做出对比，直接影响了汽车的潜在客户。
大数据调查显示，座舱智能科技配置需求的相关消费习惯尚在培育阶段，但仍有超过 60%的用户认可座舱智能配置的价值并有望实现需求的转化，反映出用户层面的座舱智能配置需求有很大的上升空间。 根据佐思汽研的《汽车智能座舱白皮书(2021)》一文，智能座舱在用户购买决策的排名中名列第二，仅次于安全配置。
“ 从用户购买决策的关键因素来看，根据 IHS Markit 最新的调研结果，座舱智能科技配置水平是仅次于安全配置的第二大类关键要素，其重要程度已超过动力、空间与价格等传统购车关键要素，反映出座舱智能科技已成为用户购车的重要考量。 ”
“ 与众多成熟市场相比，早已对移动互联网与智能手机形成依赖的中国用户对座舱的智能科技配置有着更高的关注度， 相关配置在中国消费者的购车决策中起着更为重要的作用。 ”
除了比较简单的这种意义之外，汽车座舱智能化发展从消费者应用场景出发，带给用户最容易感知的智能化体验；消费者需求从最开始对于功能汽车安全性、舒适性等生理需求，逐渐发展成现在的情感与归属需求以及尊重需求，希望可以将更亲密的社交关系将从手机延伸到座舱内。
二、基础架构
2.1 智能座舱架构
随着EEA架构的演进，智能车进入了多域融合阶段，并向中央计算-区域控制的阶段发展。目前智能汽车的EEA架构基本上已经融合成了3个域：自动驾驶域(AD)，智能座舱域(CD)，车身控制域(VD)。智能座舱域控制器CDC将对整个座舱智能化提供算力平台支持。我们可以了解一下，智能座舱一般会包含哪些内容？
智能座舱系统功能图(图片来源：大陆集团，中金公司)
由于目前大多数EEA的架构都处于在向中央计算-区域控制的阶段演进中，因此我们来看一下典型的智能座舱域控制器在中央计算-区域控制EEA中的地位：
智能座舱软件将按照如下的系统架构层级进行分层：
基于SOA架构的智能座舱层级，可以按5层模型构成，其中底层是硬件层，包含摄像头，麦克风，车载音响，触摸显示屏，按键等多模态人机交互硬件；并且需要具有高算力的智能座舱域控制器CDC负责提供算力平台支撑。
硬件层之上是操作系统内核以及硬件抽象层。操作系统的底层可以采用Type1类型的Hypervisor实现硬件的虚拟化；同时智能座舱域常用的OS内核主要有QNX，Linux，Android等。 硬件抽象层可以将底层硬件的API接口抽象出来，将硬件设备实现资源池化，从而支持不同厂商的硬件设备。
再向上是服务框架层。基于SOA的设计理念，需要提供SOC面向服务的通信，SORS面向服务的重用共享设计，SOSA面向服务的软件架构。如果实现了这套框架，将可以方便的实现跨域融合服务调用。
服务框架层之上则是分解后的原子化服务程序库。在需要向智能座舱提供的功能中，将分解为各项原子化服务，形成可调用的程序库。
最上层则是各种智能化业务。例如智能迎宾服务，它需要调用原子化服务层的各种服务，例如人脸识别服务，位置距离服务，车灯迎宾服务，智能车门服务，座椅调节服务等各种原子化服务，以形成一个温馨的迎宾场景。
2.2 主要场景
对于智能座舱来说，可以简要归纳一下其主要的应用场景：
为了支持上述主要应用场景，可以识别和划分出各种原子化服务能力，例如：
2.3 座舱域控制器
在智能座舱的底层硬件体系中，无疑座舱域控制器CDC占有绝对的核心地位。CDC一般是由一颗高算力的SOC芯片作为核心，再辅以相关功能安全芯片，外围辅助配套芯片等，形成完整的座舱域计算单元。
CDC中的高算力SOC芯片，主要包括CPU，GPU，NPU等部件。其中：
- CPU用于通用逻辑运算，比如说系统调度、外部资源访问等。
- GPU：座舱SoC芯片需要进行图像的3D渲染、图像拼接以及运行大型的3D 游戏等应用，因此座舱SoC芯片需要高算力的GPU子系统。
- NPU：作为神经网络算法的加速器，负责处理AI方面的计算需求。CDC中的NPU主要用于处理舱内摄像头和麦克风所采集的视频和音频数据，并为多模态交互的AI助手提供算力支持。
- 外围接口：CDC需要使用大量的外围接口来支持多种硬件设备。例如，需要DP接口支持显示屏，需要MIPI-CSI接口支持摄像头，需要I2S接口来支持音响和麦克风等。
我们以特斯拉的座舱域控制器简单举例说明一下：
重点关注技术：
1. 一芯多屏
在传统的座舱解决方案中，中控屏和仪表屏等系统相互独立，一般由单一芯片驱动单个系统。随着座舱智能化发展，座舱域控制器进一步集成仪表、HUD、流媒体后视镜等其它系统 —— 从一个芯片驱动一个系统或一个屏幕，到采用单一的SoC支持多系统多屏显示。
一般而言，数字液晶仪表盘涉及车辆安全，需要满足ASIL-B标准，通常采用QNX或Linux系统；娱乐系统需要运行丰富的娱乐功能，通常采用Android系统。“单芯单屏”方案下，不同系统通过不同芯片支持，不存在跨系统问题；而“单芯多屏”方案中，跨系统运行所带来的计算效率的降低较为明显。
2. 虚拟化与硬隔离
为了解决一芯多屏的跨系统运行问题，在CDC的SOC芯片中，需要考虑用什么样的技术途径来解决。一般会采用2种不同的技术：虚拟化Hypervisor或者芯片内部硬隔离。
虚拟化指的是在操作系统和硬件之间插入Hypervisor层，根据虚拟机对计算单元、内存等的调度，实现对硬件资源的动态分配。这种方式比较灵活，对硬件资源的利用效率较高。但问题在于会带来系统性能的损失，同时Hypervisor软件的授权费用不菲。
而硬隔离指的是在座舱SOC芯片设计时提前划分好硬件资源，对数字液晶仪表盘和中控娱乐屏所需要使用的计算资源，内存，显示接口等提前进行规划和隔离，不同的系统之间不能混用。这种方法的好处在于系统性能不受影响，功能安全隔离更可靠，并且不用支付软件授权费用。但缺点是资源存在浪费，不同的系统之间不能混用。并且无法实现系统功能的扩展。例如需要新增一个HUD显示时，如果芯片设计时没有考虑到该需求，则无法采用单一的SOC直接支持此功能。
3. 多模态交互
在座舱域的范围内，一般采用DMS摄像头实现驾驶员状态的感知；采用OMS摄像头实现舱内乘客的状态感知；采用麦克风阵列实现多区域音源检测与语音识别。已经有需求，将DMS，OMS，麦克风阵列融合起来，实现多模态识别与交互功能。这就需要CDC的AI算力能够支持多模态数据的识别与人机互动。
4. 跨域融合
将CDC与ADC融合到一个中央计算平台中，是EEA架构演进的趋势。中央计算-区域控制器架构下，中央计算平台承担了自动驾驶、智能座舱、整车控制三方功能，这要求中央计算平台具备更大的数据吞吐能力以及更快的数据处理能力；更多的数据处理工作意味着会产生更多的功耗热量，这要求更精巧的硬件参考设计能力；ADC、CDC、VDC的复杂融合系统，要求具备更强的软件开发能力。
中央计算平台的融合，有2个层级的含义。其一，是将三个域控制器集中在一个盒子内，它们可能由多块PCB板构成，并且还分由不同的芯片来实现对应的功能。其二，是将三域融合到一颗芯片上，这样无论从功耗，PCB面积，整体系统成本均有优势。
虽然目前(2023)有部分芯片厂商已经开始在向CDC与ADC融合的方向努力，但我们仍然不能说这就已经代表智能座舱芯片与自动驾驶芯片就一定能实现融合。毕竟无论从技术实现难度，市场需求差异，乃至芯片供应厂商的各项方面评估，这个方向仍然存在挑战！
“两者面向的应用场景、功能定义、性能边界都不一样，至少从目前来看，我觉得两者没必要去融合，如果硬要把他们捏在一起，不管是芯片的选型，还是外围电路的设计，面临的要求都不一样。那么，在成本和性能的考虑上，我们到底应该倾向于谁？总之，两者融合的方式会给开发者带来一系列设计方面的难题。”
虽然单SoC芯片的舱驾一体架构方案才能实现真正的座舱和智驾融合，但是座舱和智驾在功能需求、功能安全要求、信息安全要求以及对不同类型算力需求的侧重点等多个方面的要求是不一样的，如果两者放在一个芯片内去做，系统将会异常复杂，短期内很难有一款单SoC芯片能够同时满足这样的需求。
5. 数据安全与功能安全
在智能座舱系统的设计中，不可忽视的一点是用户的数据安全(Security)，以及汽车自身的功能安全(Safety)。Security指的是智能座舱操作系统的信息安全和数据加密处理。假如说，座舱作为用户的第二生活空间，它内部势必保存着用户的个人信息。例如，个人身份认证，金融支付凭证，个人信息隐私，网络身份账号等等，这些信息一旦泄露或者遭受黑客攻击，将造成不可估量的损失。因此对于Security的保护将是非常重要。
Safety是涉及到汽车自身功能安全的另外一个重要议题。汽车行业在这一方面有异常丰富的经验，其中ISO26262就是一个重要的标准。智能座舱系统需要针对Safety进行场景分析，找出影响汽车功能安全的隐患，并遵循标准来进行相关处理。
三、发展历程
3.1 智能座舱演进回顾
1. 收音机时代
2000年左右，所谓的“车载信息娱乐系统”一直都只是一个收音机而已，这种情况到磁带播放机出现才发生改变，而随后磁带播放机又被CD播放器所取代。简单的收音机和CD播放器构成了那个时代座舱的娱乐体验的全部。
2. 导航时代
这时的座舱主流应用是车载导航，音乐，空调，蓝牙电话等。汽车座舱系统开始导入网络连接功能，由一个T-Box盒子实现汽车与外部世界数据连接。液晶娱乐显示屏也开始出现在汽车座舱内。车载导航系统通过GNSS系统接受卫星导航信号，将可以直接在汽车显示屏上显示导航信息；蓝牙电话功能将使得在车内通话更为便捷与合规：手机可作为语音通话的传送通道，而蓝牙将作为汽车与手机之间的桥梁。
3. 数字时代
随着新能源车的发展，车载娱乐系统也开始实现进化。中控娱乐大屏，语音识别和交互，座舱设备数字化，车载娱乐操作系统，OTA升级等各项技术在汽车座舱内蓬勃发展。车机的易用性，流畅性，可与智能手机等消费类电子比拟的娱乐技术纷纷得到应用。苹果的Car Play操作系统，谷歌的Android Automotive 操作系统允许将汽车座舱功能与智能手机功能连接起来，实现手机应用与车机应用的融合。
5. 智能时代
这时的特征主要是AI助手、多模态识别与人机交互、生物识别等。这个阶段的目的是以人为中心的移动空间，为用户打造第二生活空间，全方位的生态服务。
3.2 主要厂商
在智能座舱的发展中，有几类厂商扮演了重要的角色，首先以一幅图来了解主要角色分类：
图片来源：亿欧智库
1. 传统供应商
在传统汽车行业中，Tier2厂商负责生产零部件，Tier1厂商负责将零部件进行集成设计，并为主机厂提供集成后的系统级部件。主机厂则从自身品牌角度出发，将系统与设备集成，创造产品，实现价值增量。
当智能座舱逐渐演进发展时，出现了Tier0.5的概念。Tier0.5厂商就是具有强大的技术能力，能够将Tier1厂商的零部件系统进行集成与整合，为主机厂提供完整的座舱解决方案。
由于智能座舱产业发展涉及各类软硬件的集成以及解决方案的提供，因此供应商会结合自身所提供的不同产品类型，不断切换身份，导致产业边界不断拓宽且渐趋模糊。
2. 主机厂
主机厂包含传统的车企以及所谓的“造车新势力”。传统车企即是所谓的老牌汽车厂商，它们拥有品牌底蕴，同时拥有成熟的汽车研发，生产，供应体系。
造车新势力就是在新能源汽车浪潮中涌现出来的一大批新品牌。它们以特斯拉为代表，其特征是电动化，智能化，网联化。
在当前汽车产业不断变化演进的时代，主机厂也未必就坐等Tier1, Tier0.5厂商来为它们提供完整的座舱解决方案，反而有可能主动出击，自己承担起相关的研发和生产任务，实现所谓的“全栈自研”。
3. 互联网/科技公司
互联网和新科技公司，以自身完善的应用生态和底层系统开发能力，为主机厂，Tier0.5，Tier1等厂商提供必要的新技术，以及软硬件支持。在这一点上，互联网/科技公司等，扮演的又是Tier2的角色。
我们可以看一下，智能座舱行业有哪些主要厂商：
从以上分析可以看出，当前的汽车行业发展确实处于一个跨界，融合，集成的网状竞争格局。夸张一点的说，“百年未有之变局”。在这场科技与新经济的发展浪潮中，如果不能尽快跟上时代的变化，“百年老店”也有落伍和被颠覆的危险。在智能手机对功能手机的颠覆性变革中，苹果与诺基亚已经告诉了我们一个耐人寻味的故事。
参考文献
- 中国汽车座舱智能化发展市场需求研究报告
- 汽车智能座舱白皮书
- 中信证券-新能源汽车行业特斯拉系列研究专题
- 国科础石-汽车软件全景图