E/E架构持续演进，汽车计算SoC设计的“变与不变”

2023年11月17日，中国自动驾驶汽车发展迎来重磅文件：《关于开展智能网联汽车准入和上路通行试点工作的通知》，这份文件正式对L3/L4级自动驾驶的准入规范进行了具体要求，并完善了相关规则。近一段时间以来，中国市场L3级自动驾驶汽车发展捷报频传。

自动驾驶是智能网联汽车发展的代表性成果之一，此外还包括智能座舱、车联网等。综合而言，智能网联汽车是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。

当前，各品牌智能网联汽车都有一个相同的宣传口号：常用常新。原因在于，软件定义汽车（Software Defined Vehicles，SDV）成为智能网联汽车发展的主要策略，推动了汽车电子电气（E/E）架构的持续演进，硬件需要留出充足的冗余空间为软件后续升级做准备，这给车载计算SoC设计带来了全新的挑战。

汽车E/E架构逐步走向中央集成

过去很多年，汽车的卖点主要集中在硬件上，尤其是“三大件”：发动机、底盘、变速箱。随后在2007年，德尔福(Delphi)首次提出E/E架构的概念，不过关于汽车E/E架构演进，业界普遍讨论的是博世公司此前提出的汽车E/E架构渐进式演进路线，主要分为六个阶段：模块化、集成化、域集成、域融合、中央集成和车-云计算，又可以汇总为分布式E/E架构、域集成式E/E架构和中央集成E/E架构。

博世提出的渐进式E/E架构（图源：博世）

E/E架构具体是指在车规级和法规的约束条件下，将传感器、中央处理器、电子电气分配系统、软件通过技术手段整合在一起。2007年后E/E架构曾长期停留在分布式阶段，主要以累加ECU和传感器为手段来进行功能升级，不仅各个ECU之间协同性差，且随着ECU数量的大幅增加，汽车线束在成本和重量方面都给造车带来了困扰。另外，不同系统的ECU来自不同的供应商，运行着不同的软件，让前期汽车开发和后期汽车维修的效率大大降低。

近几年，汽车E/E架构在域控制器和域融合方面取得了积极的进展，集成度越来越高，并且无论是特斯拉、大众等老牌车企，还是小鹏、理想等中国造车新势力，都已经提出了中央计算+区域控制的硬件架构，将汽车E/E架构的发展带到中央集成阶段。在此过程中，车载计算SoC性能迅猛提升，能够运载的软件越来越智能，产业发展逐渐明确为软件定义汽车。

特斯拉Model 3采用的架构便是中央集成式E/E架构的典型代表，由中央计算模块和区域控制器组成。特斯拉在中央计算模块里已经实现Autopilot（自动驾驶）、IVI（信息娱乐系统）和T-BOX（远程信息处理器）的三合一，并通过引入LBCM、FBCM和RBCM区域控制器理念完成对ECU的整合，抛弃了功能域的设计理念。

特斯拉采用的E/E架构（图源：特斯拉）

综合而言，特斯拉Model 3采用的E/E架构，小鹏汽车搭载的X-EEA 3.0架构，极氪汽车搭载的ZEEKR 3.0架构，以及长城汽车搭载的GEEP 5.0架构等都被认为是Zonal EEA Evolution架构形态，属于中央集成E/E架构。

Zonal EEA Evolution架构形态（图源：联合电子）

中央集成E/E架构带来了诸多好处，比如：

能够承载更强大的软件且软件执行的效率显著提升；

显著降低了汽车ECU个数和BOM成本；

降低了智能汽车架构设计的复杂性以减少线束；

供应链管理更加高效；

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计算SoC的设计难度指数级上升

中央集成E/E架构设计让智能网联汽车实现了软硬件解耦，也实现了软件功能的分层解耦。不过，实现这些都有一个前提，即计算SoC作为中央计算模块的核心需要足够强大。

智能网联汽车的发展带动了计算SoC的发展，形成规模很大的市场蓝海。以全球规模最大、智能网联汽车发展最充分的中国市场为例，根据亿欧智库的统计数据，2021年中国车载计算SoC市场规模为15.1亿美元，预计2025年市场规模将迅速增长至89.8亿美元。在软件定义汽车的带动下，车载计算SoC不仅市场规模在增长，设计方式和特性也在发生着日新月异的变化，尤其是在高性能计算、软硬件协同、安全防护和网络连接方面。

首先，异构集成的计算SoC需要根据集成到SoC上的功能进行清晰的功能区部署和划分，并合理分配算力和存储等资源。为了能够全面支持软件定义汽车的理念，并为后续OTA留出充足的空间，SoC内部往往需要数颗甚至十数颗高性能处理器内核，便于前期的软件部署和后期的功能迭代。如下图所示，支持的汽车功能越强大，芯片架构的复杂度越高。

第二点，软硬件协同设计对于汽车计算SoC设计而言越来越重要。高性能计算SoC不该是硬件资源简单的堆叠，而是有着明确的规划性，以实现在算力和存储等资源方面的池化和共享，这能够显著提升计算SoC开发的效率并降低系统成本。一款出色的计算SoC在芯片算力、存储容量、接口形式、机械结构等方面要形成一个稳定可扩展的系统，以满足不同品牌和不同车型带来的差异化需求。

第三点，计算SoC对智能网联汽车数据安全保护的任务越来越艰巨。安全风险来自很多方面，比如汽车智能化水平提升，数据资源也随之集中，安全攻击的目标更加明确；汽车数据涉及众多敏感信息，像车辆GPS定位、车主个人信息等，这些信息来自不同的输入端口；另外，安全风险分为已知和未知，有时候在汽车生产日历的约束范围内很难完全验证。

第四点，计算SoC如何在中央集成E/E架构中串联整车通信的挑战越来越大。当前车内以CAN为主要的通信手段，数据传输出现了明显的瓶颈，CAN向CAN FD的升级已经是大势所趋。此外，由于雷达、激光雷达、超声波和相机传感器等传感器数据需要以最低延迟进行处理，雷达和激光雷达的数据大都借助高带宽的以太网进行传输，摄像头的成像数据的传输目前仍采用MIPI C/D PHY的相关技术，在未来几年则有望通过专门的MIPI A-PHY解决方案来进一步降低成本。

当然，即便设计挑战重重，但计算SoC的设计也有不变的法则——满足各种级别的车规级认证要求。比如，遵守ISO 26262标准对于确保安全关键型汽车系统的安全性和可靠性至关重要。

如何高效应对汽车计算SoC设计的“变与不变”

在域融合和中央集成E/E架构里，计算SoC是打造智能网联汽车的核心组件。计算SoC身份地位也在发生转变，在域控阶段，计算SoC是驾驶、动力或座舱某一环节的“大脑”，现在它需要能够控制更多的域或者整车，因而设计的挑战必然也更大。

如下图所示，这是ADAS（先进驾驶辅助系统）和IVI融合的计算SoC，能够将ADAS和IVI集成在一个域控制器中，从而显著提升当前L2级自动驾驶车辆的性价比。如下图左侧所示，该芯片的复杂度是显而易见的，包含了64位RISC-V处理器、NPU、DSP加速器，独立的ISO 26262功能安全管理器和独立的安全子系统，以及大量的存储和传输接口等。随着各车企逐步采用中央集成式E/E架构，以及L3级自动驾驶落地，计算SoC的设计会更加复杂。

ADAS和IVI融合的计算SoC（图源：新思科技）

为了帮助开发人员设计出满足下一代集中式E/E架构的计算SoC，作为半导体、人工智能、汽车电子及软件安全等产业的核心技术提供商与驱动者，新思科技为开发人员提供性能领先的64位RISC-V处理器IP和丰富的接口IP，如PCI Express、LPDDR、MIPI和以太网，这些IP经过严格测试和验证，符合ISO 26262功能安全标准，并支持TSN（时间敏感网络）功能。

下图是新思科技面向ADAS应用推出的一系列IP方案，包括处理器IP、接口IP和安全管理器等，满足ADAS功能实现的各项要求。比如，新思科技ARC EV处理器是完全可编程和可配置的IP内核，针对嵌入式视觉应用程序进行了优化，内部集成的DNN（深度神经网络）加速器可以高效运行CNN（卷积神经网络）或RNN（循环神经网络），能够快速识别激光雷达的3D成像；新思科技MIPI IP解决方案包括经过硅验证的PHY和控制器、验证IP、IP原型套件和接口IP子系统，可用于实现SoC、应用程序处理器、基带处理器和外围设备的连接，打造出行业领先的摄像头和显示方案。

新思科技应用于ADAS功能的IP组合（图源：新思科技）

下图是新思科技面向车联网和IVI应用提供的IP组合，包括处理器IP、接口IP和安全管理器等，可用于实现实时多媒体网络，为28nm和16/14nm FinFET工艺的车联网和IVI SoC开发赋能。该组合中的USB4 IP包含控制器、路由器、PHY和验证IP，可以提供满足USB4标准的各项功能，如Type-C连接和支持DisplayPort 1.4a TX、PCIe和Thunderbolt 3；该组合中的HDMI控制器和PHY符合最新的HDMI 2.1规范，能够带来更好的视频和音频体验。

新思科技应用于车联网和IVI功能的IP组合（图源：新思科技）

下图是新思科技面向汽车网关应用推出的解决方案，包括高达10G支持TSN的以太网IP和具有实时数据管理的ASIL D安全等级的ARC处理器等。其中，以太网QoS控制器IP经过了ASIL B Ready ISO 26262认证，配有汽车安全包。

新思科技应用于网关功能的IP组合（图源：新思科技）

值得注意的是，新思科技面向智能网联汽车应用的IP不仅应用于ADAS、车联网、IVI和汽车网关等独立域控制器或模块，也能够帮助开发人员实现域融合，以及更进一步的中央集成。比如行业领导者正在积极打造基于3nm先进工艺的ADAS/IVI融合的计算SoC，新思科技是实现这项成果的主要参与者和赋能者。借助新思科技ASIL B和D兼容的IP组合，开发人员可以从容面对汽车E/E架构演进过程中随之而来的各种计算SoC设计挑战。

结语

从分布式E/E架构到域集成、域融合E/E架构，再到中央集成E/E架构，智能网联汽车的发展需要各种车载资源逐渐实现集中化，最终连接至云端。这种集中但分层明确的架构，让汽车软硬件实现解耦，正真做到了软件定义汽车。

无论是何种形态的E/E架构，计算SoC都是系统的核心所在，资源集中只是让它变得越来越强大，设计工作越来越复杂，当然车规级验证这个门槛进一步提升了设计风险。面向智能网联汽车计算SoC设计，新思科技提供各种经过验证的IP，能够实现特定的功能域或功能模块，也可以深度融合实现中央计算SoC，帮助研发人员以最小的设计风险设计出高性能、高性价比、高安全性和低功耗的车规级异构计算SoC。