從「電子座艙」、「智慧助理」到「人機共駕」,直至最終實現「第三生活空間」階段,汽車的座艙發展脈絡逐漸明朗;而在等待自動駕駛關鍵技術成熟之前,汽車OEM正逐步將關注焦點轉移至智慧座艙落地。

在地平線(Horizon Robotics)與策略管理諮詢公司Roland Berger聯合發佈的《智慧座艙發展趨勢白皮書》中,將「智慧座艙」(smart cockpit)定義為涵蓋座艙內飾和電子領域的創新與連動,是擁抱汽車產業發展的新興技術趨勢,從消費應用角度出發而建構的人機互動(HMI)系統。

近期座艙智慧化之所以成為汽車智慧化發展重點,一方面原因在於隨著消費者需求層次不斷提升,對於汽車的需求開始從單一的出行工具逐步轉變為生活中的「第三空間」,並正逐步將對手機應用的喜好遷移到車載娛樂資訊系統上,如導航、音樂、視訊、社交功能等;據統計,甚至有近50%的中國消費者願意為數位座艙類體驗付費。

另一方面則源於2019年後,自動駕駛商業化遇到了不小的挑戰,從通用(General Motors)的Cruise到Google Waymo,都推遲了先進自動駕駛功能的商業落地時間,持續停留在「路測」或「商業化試營運」階段。

這是因為自動駕駛的落地不僅要在各種相關技術上取突破,如高運算力/低功耗/高功能安全等級要求的人工智慧(AI)晶片、視覺感知的技術瓶頸、固態光達(LiDAR)的量產和降本、高精度地圖定位、複雜的感知/決策/控制系統實現等,還需要整車級的配套升級,如底盤執行系統的線控和冗餘、電子電氣架構的升級等,甚至在監管和法規方面也需要配套升級。

而落實智慧座艙功能雖然需要整合多個螢幕顯示(中控、儀錶、抬頭等)、駕駛人監控、車聯網、娛樂系統及部分輔助駕駛功能,但總體來說,由於不涉及底盤控制,安全壓力小,技術實現難度低、成果易感知,有助於迅速提升產品差異化競爭力。因此,汽車OEM在等待自動駕駛關鍵技術成熟的空檔,先將精力轉移到智慧座艙的落地。

智慧座艙的演進

從「電子座艙」到「智慧助理」,再到「人機共駕」,直至最終實現「第三生活空間」,智慧座艙的四個階段發展脈絡逐漸明朗。

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智慧座艙的四個發展階段(來源:Horizon Robotics、Roland Berger)

階段1:電子座艙——電子資訊系統逐步整合成「電子座艙域」與系統分層。

在此階段,為了滿足用戶對於車載互動體驗的需求,中控螢幕朝高解析、大尺寸螢幕方向發展,原先的其他顯示方式也逐步被「顯示幕」取代,如儀錶、後視鏡被HD液晶儀錶、串流媒體後視鏡取代。此外,包括抬頭顯示器(HUD)、擴增實境(AR)等新興顯示方案也開始在座艙中普及。

階段2:智慧助理——生物辨識應用,催生駕駛人監控系統運算,增強車輛感知能力。

消費者對車輛智慧化功能的期望不只是自動駕駛與人機互動。如智慧座艙系統透過獨立感知層收集各種資料,如車內視覺(光學)、語音(聲學)以及方向盤、刹車踏板、油門踏板、檔位、安全帶等底盤和車身資料,並利用生辨識技術(車艙內主要是人臉辨識、聲音辨識)判斷駕駛人(或其他乘客)的生理狀態(人像、臉部特徵等)和行為狀態(駕駛行為、聲音、肢體行為)。

階段3:人機共駕——語音控制和手勢控制技術突破、軟硬體整合,讓車輛感知精細化;車輛可在上車-行駛-下車的整個用車週期中,為駕乘人提供場景化的服務,實現機器自主/半自主決策。

這一階段的驅動因素包括三方面:電子控制單元(ECU)向網域控制站(DCU)的架構過渡,車載影音娛樂底層硬體的運算能力提高,以支援一芯多屏;先進駕駛輔助系統(ADAS)功能增加了駕駛人處理資訊的難度,在面臨即時資訊處理的需求下,更需要智慧互動與顯示;AI引擎成熟,更大幅提升智慧化體驗。

階段4:第三生活空間——未來汽車使用場景將更豐富和生活化,基於車輛位置的資訊融合娛樂、訂餐、互連等功能,為消費者提供更便捷的體驗。

除了座艙智慧化成為汽車智慧化發展重點,其他值得關注的趨勢還包括:車輛視覺感知「由外向內」發展,車內感知需求日趨強烈;觸控螢幕並非互動的「終點」;多模互動要求整合分散的感知能力,催生「獨立感知層」。

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車載SoC應該具備的品格

德州儀器(TI) Jacinto處理器產品線總經理Curt Moore認為,一顆出色的車載SoC應該具備幾種特質:一是可以根據應用需求適當地平衡記憶體、I/O和處理核心,達到系統的BOM目標;其次,因應開放式軟體開發方法,讓多次使用產生程式碼以及減輕開發和測試任務。此外,SoC從設計之初就以功能安全為前提,支援必要的可靠性和產品壽命,使汽車產線能在市場上持續多年。

以ADAS解決方案為例,由於系統必須從不同類型的攝影機、光學、毫米波雷達和超音波感測器中提取資料,並將資料轉換為車輛的行為情報,或是比較從感測器資料提取的特徵與HD地圖資料以定位車輛。ADAS應用對這些感測資料的理解和分析也必須即時進行(新資料每秒到達60次),這要求負責資料處理的「大腦」SoC具備足夠的擴展性以進行平行處理,而不至於以犠牲ADAS功能或降低系統級為代價。

高通(Qualcomm)總裁Cristiano Amon的看法是,自動駕駛的演進經歷了三個階段,分別是安全、便利和完全自動,汽車的下一個創新浪潮將出現在「便利性」系統領域,即L2+級自動駕駛。然而,汽車產業目前仍面臨諸多複雜問題,例如解決方案必須保證安全、穩健、高性能、高效散熱,還應該具備可擴展性,即能夠透過通用硬體和軟體,規模化地應用於不同層級的車型。

他強調說,未來十年,車對雲的連接、車對車以及車對行人的連接,將會是汽車業發展關鍵。因此,必須更重視車載資訊處理、數位座艙和C-V2X領域,從而有效地實現車對車、車對基礎設施、車對雲、車對行人之間的連接,並利用行動技術來革新數位儀錶盤、資訊影音系統、後座娛樂等駕乘體驗。

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另一方面,為了滿足嚴格的汽車品質和可靠性目標,汽車產業正逐漸將「軟體定義汽車」視作未來發展方向。

軟體定義汽車首先定義的是整車的基礎架構,想要實現軟體定義汽車,整車的電子化架構調整就顯得尤為重要。在未來汽車中,只有使所有電子元件經由一個統一的中央控制器發佈指令,再由外部執行控制項執行動作,才可以實現真正意義上的軟體定義汽車。

在此概念下,汽車在傳統的控制器之上可以疊加域控制層和應用層。域控制層統一協調和控制多個底層控制器,而頂層的應用層則能夠為汽車提供更多可能。其中,域控制層和應用層所有的功能都由軟體來定義,使得軟體定義汽車能夠實現更多可能。

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隨著智慧座艙的發展,汽車產業鏈將變得更複雜,汽車OEM也將朝「生態協同」與「跨界延伸」的智慧座艙生態系統發展。(來源:Horizon Robotics、Roland Berger)

汽車座艙SoC晶片混戰

德州儀器(TI)

為了讓汽車廠商和tier-1供應商能以單一晶片支援ASIL-D安全,TI全新Jacinto 7處理器平台系列的兩款車用晶片,包括用於ADAS的TDA4VM處理器和用於閘道系統的DRA829V處理器,均內建加速資料密集型任務的專用加速器以及支援功能安全控制器(MCU),此外,這兩款晶片並共用一套軟體平台,開發人員可在多個車輛域的應用中重用軟體投資。

DRA829V是首款整合晶片上PCIe交換機的處理器,同時整合支援8埠TSN的GbE交換機,能夠實現高性能運算和更快的整車通訊。TDA4VM則使用高解析度的800萬畫素前置攝影機,可以將雷達、光達和超音波等其他多種感知處理融合在一個晶片上。這種多級處理能力使TDA4VM能勝任ADAS的中心化處理單元,實現環繞影像、渲染顯示以及360度辨識感知。

高通

高通(Qualcomm)在CES 2020上推出全新汽車產品組合Snapdragon Ride系列,包括安全SoC、安全加速器和自動駕駛軟體堆疊,為汽車製造商提供支援自動駕駛系統三個細分領域且可擴展的組合式解決方案。

L1/L2級主動安全ADAS——針對具備自動緊急煞車、交通標誌辨識和車道保持協助工具的汽車;L2+級「便利性」ADAS——針對在高速公路上的自動駕駛、支援自助泊車,以及可在城市交通環境駕駛的汽車;L4/L5級完全自動駕駛——針對在城市中的自動駕駛、自動駕駛計程車和機器人物流。

恩智浦半導體

中國東風啟辰T90車型中融入的「啟辰智聯3.0PLUS」智慧座艙由東風日產技術中心、航盛電子和恩智浦(NXP)聯合開發,整合了車家互連、全時線上導航、新升級的語音互動、手機遠程控制、智慧安全系統、全場景帳號服務系統、高品質娛樂體驗、智慧車聯服務等功能場景,NXP i.MX8 QuadMax處理器平台在其中扮演了重要角色。

i.MX 8 QuadMax具有安全域分區功能,透過四塊呈現獨立內容的HD螢幕或4K螢幕提供多顯示應用。硬體分區架構並確保其他eCockpit子系統正常運行。此外,最新的i.MX 8處理器整合先進安全技術和標準,包括加密引導、橢圓曲線加密和安全金鑰儲存,並支援AES、SHE等標準——全部整合於一個AEC-Q100 3級認證裝置中。

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基於恩智浦i.MX 8QuadMax的類比電子座艙(來源:NXP)

英特爾

英特爾(Intel) Atom A3900系列是專為車載體驗所設計的處理器,能夠支援車載資訊娛樂系統、數位儀錶、後座娛樂和ADAS功能。目前,包括BMW、特斯拉(Tesla)等多家車廠都量產了基於Apollo Lake的下一代娛樂與儀錶系統,預計到2020年,Apollo Lake可望佔據全球30%~40%的市場份額。

此外,隨著車輛電子電氣系統日益使用多核心、高運算性能的MCU或SoC,將更多的運算和控制任務做集中處理成為主流趨勢,也被稱為ECU融合參考方案。這種集中化架構採用1顆運算力更強的ECU取代以往多顆ECU,輔以虛擬化和硬體隔離技術,可以把更多不同的運算和控制任務整合在一起,顯著降低了系統的硬體成本和軟體複雜度。

未來,隨著三星、高通、聯發科(MediaTek)、華為(Huawei)等手機晶片廠商加入,汽車座艙SoC領域的產品運算速度可能升級到像手機晶片一樣快速,產品生命週期縮短,競爭程度加劇,從而對於傳統車用SoC晶片商NXP、瑞薩(Renesas)和TI帶來較大競爭壓力。