智能座舱架构与芯片- (16) 生态篇

一、生态与架构

作为智能座舱的系统架构工程师，一般情况下需要考虑的是座舱SOC芯片的选型，并不需要亲自设计一颗芯片。然而，假如是一个希望研发智能座舱芯片的半导体公司，要想顺利量产，那么就需要认真思考什么样的芯片才能契合市场的需要。一个成功的智能座舱SOC设计，首先要考虑的不是芯片本身，而是卖给什么样的客户，怎么样才能赚到钱，而不至于亏本。

现代SOC设计实在是太花钱了！以智能手机SOC芯片为例，购买IP是第一个花销。CPU，GPU，NPU，内部总线，外部高速接口，这些IP都要花钱购买。其次，需要购买EDA工具，在美国“制裁”华为的过程中，普通国人都了解到了，卡我们脖子的技术，除了光刻机，还有EDA软件。半导体先进工艺的EDA工具软件，目前主要是向Synopsys或者Cadence购买。为了保证流片前的充分验证，还得一起购买仿真平台，这些是第二笔大开销。第三，流片。5nm以后先进工艺最成熟的芯片代工厂，现在的阶段还只能找台积电或者三星进行代工。流片费用也是一笔天文数字。以上三者，再叠加研发工程师的费用，就是设计一颗大型SOC芯片最基本的研发投入。要想能收回成本，一开始就要想好，芯片的成本与目标客户。

从满足用户的需求，提升用户使用汽车的愉悦性考虑，智能座舱与消费类电子颇有共通之处。参考信息时代两大消费类电子产品：PC机和智能手机发展的道路，我们尝试对比智能座舱芯片的关键要素。

生态，正是战略之道。

生态，在IT行业的名称为ecoSystem，它的含义是IT产品的开发者，生产者，消费者以及各相关方之间组合而成的一种相互依赖又相互竞争的关系。它其实是以一个或几个关键公司为核心，产业链上的其他参与者组成大大小小的圈子，从而共同生长，共同发展。

二、微软+英特尔

在IT界，第一个生态帝国，被称为WINTEL帝国。

Wintel是Windows和Intel的合成词。Wintel指使用x86处理器并运行Windows的计算机系统。 在Wintel这个词汇中，Windows代表微软，Intel代表英特尔。 它们组合起来，创建了令所有对手望而生畏的时代，一个只属于这两个公司的时代-----二十世纪最后一个十年中最为辉煌耀眼的PC时代。

帝国的核心，是当之无愧的帝国双壁。Intel是处理器的最重要的供货商，而微软，则占据了所有个人计算机用户的入口。在帝国的外围，各种OEM(Original Equipment Manufacture)厂商，ODM(Original Design Manufacture)厂商，应用软件厂商，围绕核心，共同为个人电脑用户提供可用的硬件和软件。这其中，各种公司来了又去，包括知名的OEM厂商，如IBM，HP，Dell，Acer，Lenovo；也包括如今已销声匿迹的应用软件厂商，如提供字处理软件的莲花公司，提供编程软件的Boland公司，提供网络浏览器的网景公司，等等。在帝国的序列中，外围只能依照核心规定的道路循规蹈矩，小心翼翼赚上辛苦钱；一旦越界，则毫不容情地被除去，哪怕为此惹上无数的反垄断官司，也在所不惜。

为什么Wintel能如此辉煌？只因为它们最早领悟到计算机工业的核心规律，正因为掌握了“道”，也就掌握了财富的密码。

计算机工业的第一条规律被称为摩尔定律。戈登.摩尔是英特尔公司的共同创始人和第二任CEO，他最早观察和预测的规律：由于半导体工业的发展，每过18个月，计算机等IT产品的性能会翻一倍；或者说相同性能的IT产品，价格会降一半。

英特尔遵循了这个规律，因此，也主导了IT行业的发展。这条规律非常残酷，它逼着所有半导体厂商，在工艺升级的道路上不断前行，永不懈怠。首先，由于有18个月的限制，半导体公司必须在一年半的时间内将工艺升级到下一代产品。其次，由于18个月魔咒的存在，半导体公司必须制定行之有效的产品路线图，现在的研发针对的是多年以后的市场。

为了遵循摩尔定律，英特尔的第四任掌门人贝瑞特制定了“Tick-Tock”计划。这个计划的含义是，英特尔CPU的发展路线图遵循“半导体工艺--CPU系统架构” 交替提升的计划。Tick指半导体工艺的提升，65nm, 45nm, 32nm, 22nm, 16nm, 11nm......相邻的两个数字之间的倍数大约是1.414。Tock指CPU内核系统架构的进步。一开始，英特尔设计的CPU与当时业界的优等生DEC设计的小型机VAX相比，难以望其项背。但是与Windows的结盟，以及IBM PC机的成功，给了Intel机会。在不断吸收先进CPU设计理念的进程下，终于在Pentium Pro处理器上成功翻身，达成了技术的领先。下表是英特尔Tick-Tock计划的路线图展示：

第二条规律是安迪-比尔定律。

安迪.格罗夫(Andy Grove)是英特尔公司第三任CEO，比尔就是微软公司创始人比尔.盖茨。这条规律的描述是：安迪所给予的，比尔将它拿走。(What Andy gives, Bill takes away)
事实上，这条规律对帝国是有着大大的好处。试想，按照摩尔定律的进展，每过18个月，相同性能的计算机，价格就下降一半，那为什么不能等到18个月后再购买呢？之所以这样事情没有发生，是因为微软的操作系统吃掉了增长的性能。

从微软产品的发展来看，操作系统从DOS升级到Windows 95，Win98， WinXP，Win7, Win10......每次操作系统的升级都会把CPU升级所带来的性能提升全部耗光。但是，普通个人用户使用的计算机系统体验越来越好，而产业链上各种大大小小的硬件供应商和软件供应商也都因此而增加了销售量。这是一个正向的闭环，也是大家喜闻乐见的场景，生态链上所有的参与者都得到了好处，也因此，整个帝国显得欣欣向荣。

可怕的是，当这个规律失去作用，帝国则面临着瓦解的危险。逐渐显得颓废的安迪-比尔定律，让PC时代让位给了智能手机时代，人们的兴趣发生了转移。没有人能在PC上打败WinTel，帝国的黄昏，是因为世界发生了改变。

这个改变的世界，其中隐藏着又一条秘密，也正是计算机行业第三条定律：反摩尔定律。

Google的前CEO 埃里克.施密特(Eric Schmidt) 在一次采访中指出：如果反过来看摩尔定律，一个IT公司，如果今天卖掉的产品与18个月前一样多，它的营业额就要降一半。这条定律对于所有的半导体公司来说，是残酷而可怕的。如果一个公司在技术上没有创新，它付出了同样的成本(人力成本，硬件成本)，却只能得到以前一半的收入。这就促成所有IT公司拼命投入研发，并为创新型公司提供生存和发展的可能。

一般来说，科技的进步，分为量变和质变两种。量变是在原有赛道上的创新，比如说英特尔的Tick-Tock计划，每一年都有工艺的提升和CPU微系统架构的改进，这种属于PC赛道上的量变进步。在这样的过程中，新的小公司是无法与老的大公司竞争的。原因很简单，大公司本身占据着最大的技术资源和市场资源，一旦小公司的新技术露出曙光，大公司就可以用堆资源的方式，要么收购，要么直接抄袭，从而把小公司扼杀在摇篮之中。

举一个例子，当互联网开始兴起之后，微软感受到了危机。因为微软的成功，是靠掌握了操作系统而牢牢把握住用户进入数字世界的入口。当人们开始习惯上网冲浪之后，网络浏览器就成为了新的入口。当年甚至有NC(Network Computer 网络计算机)取代PC的说法。而网络浏览器最大的供应商就是网景公司的NetScape。当微软发现危机的时候，立即采取应对措施，在Windows操作系统上捆绑免费的IE浏览器。在互联网世界中，免费始终是吸引用户的最佳手段。最后，收费的NetScape败给了免费的IE，因为如果它也免费，它就无法生存。

对于质变，除了科技上的因素，一般来说还伴随着商业上的改变。比如消费类电子从PC切换到手机。这里就需要提到谷歌(Google)和安谋(ARM)的的颠覆式创新。

三、苹果

在二十世纪九十年代的PC产业与二十一世纪第二个十年的智能手机产业之间，其实还有一个互联网的时代。只不过，互联网时代，人们上网冲浪所使用的硬件设备主要还是PC机。在智能手机时代到来之前，Wintel帝国仍然牢牢把握住消费类电子的核心地位，除了一个特例：苹果。

在说起微软的时候，人们总会提起苹果。这是因为，在微软发布开创性的图形化操作系统Windows95之前，实际上的开创者和引路者是苹果的麦金托什电脑。与Wintel支持下的PC兼容机产业不同，苹果的麦金托什走的是一条软硬件封闭的道路。它不允许别人制造兼容机，而是自己生产和制造计算机硬件以及操作系统。虽然苹果的产品非常酷，技术上也领先微软，但在PC产业中，一个人终究斗不过一群狼。在行业内所有竞争者的包围下，苹果电脑只能作为一个小而美的产品而存在。喜欢的人固然喜欢，但仅仅从价格的角度来说，苹果太贵。而PC机则不同，可以有IBM这类品牌电脑存在，也可以有Dell这样的订单式生产的大众电脑，还可以有遍布电脑城的组装机市场为用户提供最便宜的PC产品。因此，在市场份额上，微软遥遥领先于苹果。

有些时候，一个优秀的领导者对于企业，起到的是犹如出埃及的摩西一样的作用。譬如盖茨之于微软，譬如乔布斯之于苹果。当苹果失去乔布斯的时候，它看上去是一个逐渐淹没于历史的过气小清新公司；而当乔布斯王者归来，苹果则光芒万丈。

与互联网时代并存的，还有一个功能手机的时代。在这个年代中，人与人之间沟通的需求是最重要最迫切的。伴随着有线电话，小灵通，2G手机，3G手机的发展，人们对通信的需求，逐渐从人与人之间的远距离沟通交流，发展到随时随地进行社交的需要。在这个时候，从功能手机向智能手机的演进，恰好契合了通信与个人数字助理的变迁，这就是消费类电子行业的历史周期律！而再次开创和引领智能手机行业发展，又是苹果和乔布斯。

最早的智能手机，可以溯源到搭载BlackBerry OS的黑莓手机；搭载Symbian操作系统的诺基亚手机，或者是搭载微软的WINCE操作系统的多普达(HTC的子品牌)手机。然而，这类手机的人机交互，仍然摆脱不了键盘。即使是多普达的WINCE手机，也必须用触摸笔才能点击屏幕进行输入。而苹果的iPhone，是一个颠覆性的产品。它第一次采用了电容屏，可以用手指在屏幕上进行滑动，从而输入更快更方便。它还完全取消了实体键盘，直接采用大屏幕，APP采用图标式显示，在人机交互上完全碾压当时所有的智能手机。所以，现在一般认为智能手机时代是从苹果的iPhone而开始。

功能手机的王者是诺基亚。在那个年代，诺基亚几乎代表了手机的最流行时尚和优雅。靠着产品开发的快速和灵活，诺基亚的手机推出速度非常快，甚至可以依靠更换外壳发布一款新手机。诺基亚把手机市场的竞争从信号处理技术变成了产品功能，方便性，外观特色的竞争。例如，它在同一时间内推出了风靡中国市场的8210和8250。在通信技术上，两款手机如出一辙，但8250仅仅凭着蓝色晶屏和中文输入法，在售价上就贵了1000。但是在苹果iPhone横空出世之后，谷歌的Android也随之而来，短短几年时间过后，诺基亚在智能手机市场丢盔弃甲。即使不讨论商业模式上的差异，以及诺基亚在战略选择上的失误，单单以手机的人机交互模式来比较，传统的电阻式触摸屏与新型的电容式触摸屏就有着天差地别的用户体验。很多人仍然能记得，当年在iPhone手机和Android手机上玩水果忍者，愤怒的小鸟是如何的风靡一时。

苹果是一个天生带有创新，时尚，艺术气质的公司，它的产品是将技术与艺术结合的产物。从麦金托什电脑到iPhone，乔布斯虽然带给苹果一代又一代革命性的开创产品，但它的商业模式始终是封闭而独立的。它在产业链上从头吃到尾，无论是硬件，还是操作系统，苹果总是自己一个人独享。当面临微软或者谷歌这样公司的竞争时，它的产品始终无法占据最大的市场份额。下面，智能手机时代真正的王者开始登场。

四、谷歌+安谋

智能手机是继PC机之后又一个占据全球消费电子万亿级市场的明星产品，它已经渗入人们生活的方方面面。在世界的很多国家，没有手机甚至会寸步难行。智能手机是个人电脑和功能手机结合的产物，它既满足人类随时随地沟通交流的需求，也是人们获取信息和知识，进行社交活动，获取衣食住行便利性的工具。

在2000年前后，美国，欧洲在争抢3G通信标准的话语权。中国也开始小心翼翼地迈开腿，在3GPP上试探性地提出了TD-SCDMA的标准。在设计3G通信协议和产品的同时，所有通信行业的参与者都在暗自问一个问题：什么才是3G的杀手级应用？曾几何时，人们把希望寄托在视频电话上，认为它是3G协议得以商用的最佳推动力。直到智能手机的出现，人们才发现，它与3G协议是相辅相成的共生关系。3G高速上网能力，为智能手机的诞生提供了一部分技术基础；另一方面，智能手机才是3G通信的杀手级应用，它促进了3G网络的落地和推广。

智能手机相比功能手机的优势是具有可升级可下载的能力。通过APP应用商店，智能手机可以随时从网络下载新的程序和应用，一台设备就具有了各种使用功能。而APP开发者，可以通过人们的付费下载或者付费服务而获得收入。这样，APP开发者，各种应用程序公司，智能手机制造商，手机芯片提供商，操作系统提供商，共同组成了新的生态系统。安迪-比尔定律，再次启动，整个生态圈组成强大的赚钱机器，迸发出无限的创造力。

在这样的大潮中，WinTel的格局再次出现。这一次，取代微软Windows地位的，是谷歌开发的Android系统。而代替Intel的，是隐藏在手机芯片厂商背后的ARM。

大家已经知道，在智能手机上，现在只有2个主要的操作系统。苹果的iOS仅用于自家iPhone手机，其余大大小小的手机厂商，使用的都是原生Android，或者基于Android改进而来的，仅有UI和应用层差别的手机操作系统。每一年，谷歌会按规划好的路线图，Android13，Android14......这样不断地发布新系统。补充新的功能，并不断适应新的设备，平板电脑，电视，手表，汽车......等等。手机芯片厂商在系统真正发布前半年就可以拿到新的操作系统，提前做好适配，将软硬件调试良好的新一代Android手机参考系统提供给自己的客户，也就是大大小小的手机厂商。然后，手机厂商基于芯片厂商的公版设计，进行自己的差异化设计，搭配不同的屏幕，摄像头模组，以及各种“黑科技”，最后会在谷歌正式发布Android新版本时，一同宣布自身产品正式量产。并且，通过OTA功能，还可以将已经售出的手机升级到最新的操作系统。

在这个生态链条中，谷歌处于核心地位，它掌控了人们进入移动互联网世界的入口。SOC芯片厂商形成了外围的第一层圈子，它们依靠自己设计，并委托代工厂生产的芯片，提供了运行的硬件基础环境。手机厂商组成第二层圈子，它们凭借出色的工业设计，以及差异化创新，直接面向客户，塑造了一个又一个市场神话。最后，APP应用开发者是最外层的圈子，它们提供的应用是人们使用移动互联网最直接的动力。在这个生态系统中，唯一的王者是谷歌，只有Android的地位从未被动摇。所有成员都必须听从Android的指挥。假如有人希望生产新的操作系统，即使它的技术更先进，但是在手机行业内也无法生存。因为Android生态圈的赚钱效应，会自动排斥任何新的挑战者。正如之前所看到的一样，在PC产业中，没有人能打败微软。

在这样的效应下，唯一有可能产生破局的不稳定因素，只有中美竞争大格局下的鸿蒙系统。这已经不是正常的商业逻辑。在国家意志的作用下，虽然美国可以阻止华为使用新一代Android系统，但由于华为居安思危，强调自主可控的能力，因此可以将所有华为手机全部升级成自研的鸿蒙系统(Harmony OS)。即便如此，我们仍然要看到，现如今的鸿蒙系统，仍然依托于Android的生态，可以在Android上运行的APP，都可以顺利切换到鸿蒙上来。因此，当鸿蒙还没有培育出自己的APP应用开发圈子时，暂时还是依附于Android生态圈之上的。

智能手机帝国另外一个支柱是手机SOC芯片。但此时的SOC厂商，即使是占据大部分高端市场份额的高通，还不能说与PC帝国的Intel相比。因为手机厂商仍然有得选择。从供应链安全的角度考虑，手机厂商会有部分份额选择联发科或紫光展锐等芯片商。从提升竞争力的角度考虑，部分手机厂商还在进行自研芯片的尝试。但有一点共同之处是，无论这些芯片厂商如何设计，它们都摆脱不了ARM的影响。

ARM，最开始的名称来自 Acorn RISC Machine，它后来改名为Advanced RISC Machine，仍然简称ARM (安谋)。与Intel的x86指令集架构不同，ARM设计的CPU指令集架构是基于RISC(精简指令集)体系的。RISC指令集相比CISC(复杂指令集)，它的复杂程度低，指令数目少，每条指令的执行效率更高。CISC指令集的特点是指令集庞大而复杂，指令长度不固定，可以访存的指令不受限制，因此可以实现更加复杂，灵活，全面的计算和控制功能。RISC架构的CPU，更加适合移动设备，嵌入式系统等对功耗要求高的领域。

ARM所采用的商业模式与Intel完全不同。它自己不生产芯片，而只是设计最核心的CPU，GPU，系统总线，以及多核心管理系统单元DSU等。这些内核被称为IP(知识产权)核，ARM将这些IP设计方案卖给其他芯片公司，例如高通等。高通将从ARM购买的CPU内核，再加上自己的GPU核，其他xPU组件，以及核心的通信系统，组合成SOC设计，然后再通过芯片代工厂进行生产。在这条产业链上，原来Intel一家公司的功能，被分拆成至少3个不同的环节：CPU核设计，SOC设计，芯片工厂生产。这样的好处是可以分别使用最优秀的设计，不至于被某一个环节的拉胯拖累整个系统。例如，高通的一颗旗舰芯片骁龙888，曾经采用三星半导体的代工厂进行生产，但它很快发现，由于半导体工艺的原因，这颗芯片的发热量高得离谱。在下一颗芯片的生产时，它就切换成了台积电，这样的模式，对于Intel来说是不可能的。

在ARM的商业模式中，由于它不生产实际的芯片，因此它的IP核可以卖给几乎所有的芯片厂商。由于Android操作系统在一开始就选择了ARM架构的CPU来运行，它与ARM架构的芯片适配得最好，功耗和性能的平衡也是做得最好的。几乎所有进入智能手机行业的芯片厂都选择购买ARM的CPU核来作为自己的SOC核心，这也让ARM掌握了智能手机CPU的架构话语权。

Intel曾经也寄希望于x86架构的Atom处理器，试图搭配Android，进入智能手机市场。但由于Android生态链中的部分应用，在Atom内核上总是出现问题，很快，在智能手机芯片中就看不到x86架构的CPU了。

五、特斯拉与造车新势力

在二十一世纪第二个十年的开始，新能源汽车逐渐成为汽车市场最具有话语权的产品。

随着新能源汽车的发展，人们发现，智能化成为汽车的核心竞争力之一。智能化包含自动辅助驾驶系统，智能座舱系统，智能车控系统等三大部分。特斯拉是在智能化上最早发力的厂商之一，也是汽车电子电气架构革命的先行者和领导者。实际上，特斯拉非常像汽车领域的苹果。它也是软硬通吃，采用自研自动驾驶芯片，自研操作系统，自建生态的方式和玩法。

在电子电气架构领域，特斯拉非常彻底地实践了“中央集成-区域控制”的理念。在2017年上市的Model 3车型上，它的区域控制器从按功能划分，变成了按位置划分。整车分为前车身，左车身，右车身三个区域控制器(zone)。这些区域控制器主要实现车身控制和区域配电的功能。它能够更好地实现器件的高集成度，从而更好地降低成本。由于集成度的提高，还可以节省许多车载ECU的使用，同时也节省了车内电缆的连接。根据测算，特斯拉的Model 3车型，将电缆长度从3KM降低到了1.5KM。

在智能座舱领域，特斯拉已经迭代了3代智能座舱域的SOC选型。

第一代座舱域MCU1.0，采用的是ARM体系CPU，英伟达的Tegra 3芯片，这颗芯片采用的是ARM Cortex-A9内核；

第二代座舱域MCU2.0，就切换成x86架构的Intel Atom处理器A3950，它采用的是4核4线程微架构设计，GPU选择集成Intel HD 505，可达187G FLOPS。

第三代座舱域MCU3.0，2021年发布，应用于Model S和Model Y性能版。这次采用的是x86架构的AMD处理器。CPU是Ryzen，4核心8线程；GPU采用独立显卡，为AMD的Radeon，GPU算力可达10TFLOPS。

从上述演进的路径来看，特斯拉的座舱SOC芯片已经选择了x86架构。AMD的Ryzen系列芯片，除了被特斯拉选用之外，也用于主流游戏机上，例如索尼的Play Station5和微软的Xbox series X。因此，特斯拉把座舱视为PC，而不是手机。

如果选择了x86架构的主芯片，那么操作系统就不能再选择Android了。在座舱平台上，特斯拉基于开源免费的Linux操作系统开发了其自有的车机操作系统， 由于Linux 操作系统生态不如Android生态丰富，特斯拉需要自己进行一部分主流软件的开发或适配。

由于采用AMD的高性能PC芯片和Linux系统，特斯拉的座舱已经可以在车内玩大型游戏。，比如2021 年6月新款特斯拉model S交付仪式上，特斯拉工作人员就现场展示了用手柄和车机玩赛博朋克2077。而且特斯拉官网上，汽车内部渲染图中，车机屏幕上显示的是巫师3。这两 个案例已经说明，MCU3能够充分支持3A游戏，使用体验一定程度上已经可以与PC或游戏主机相比较。

对于其他国内造车新势力，例如以“蔚小理”为代表的厂商来说，基本上都选择了高通的8155/8295芯片，并采用基于Android的自研座舱操作系统。在3A游戏大作的支持程度上，由于ARM架构基本上属于移动端设备，它的支持不如x86架构的CPU。但是在生态的丰富程度方面，Android系统就远远超过了Linux系统。许多在手机上常见的应用，在特斯拉的车机上都还得通过网页的形式来打开。比如bilibili网站等。

从特斯拉与国内造车新势力在智能座舱生态的选择上来看，目前座舱还没有形成PC和智能手机一样的垄断性生态。在不断演进的过程中，也许还有不少厂商会切换自己的路线。ARM+Android vs x86+Linux，还没有到分出胜负的时候。