更智能、更安全、更便宜：以太網(wǎng)如何實(shí)現(xiàn)未來(lái)汽車(chē)

來(lái)源：線束世界?作者：線束世界?2024-09-03 09:18

將以太網(wǎng)作為整個(gè)汽車(chē)行業(yè)的通用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，可以通過(guò)減少電子控制單元（ECU）和相關(guān)布線的數(shù)量來(lái)優(yōu)化車(chē)輛性能，從而打造更智能、更便宜、更安全的未來(lái)汽車(chē)。

新車(chē)購(gòu)買(mǎi)者經(jīng)常說(shuō)：“感覺(jué)就像我在駕駛一艘宇宙飛船。而且，在某些方面，這種感覺(jué)是有道理的——在引擎蓋下，現(xiàn)代車(chē)輛（如宇宙飛船）的運(yùn)行方式類(lèi)似于超級(jí)計(jì)算機(jī)。因此，OEM感到壓力越來(lái)越大，他們需要同時(shí)提高車(chē)輛快速處理不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)縮小車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

隨著車(chē)輛不斷發(fā)展并提供從更身臨其境的娛樂(lè)功能到更安全、更精確的自動(dòng)駕駛的一切，這個(gè)問(wèn)題將惡化。然而，一種起源于1970年代的解決方案有可能實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的下一次發(fā)展：以太網(wǎng)。

實(shí)現(xiàn)車(chē)載以太網(wǎng)

羅伯特·梅特卡夫（Robert Metcalfe）和他在施樂(lè)帕洛阿爾托研究中心（Xerox Palo Alto Research Center）的同事在1970年代發(fā)明了以太網(wǎng)，用梅特卡夫的話說(shuō)，解決了連接一棟裝滿個(gè)人計(jì)算機(jī)的建筑物的問(wèn)題，而無(wú)需創(chuàng)建集中的“老鼠窩”電線。簡(jiǎn)單地說(shuō)，以太網(wǎng)就是Robert和他的團(tuán)隊(duì)最終創(chuàng)建的單電纜解決方案。

在汽車(chē)容量中，以太網(wǎng)的作用大致相同：當(dāng)與足夠先進(jìn)的芯片組結(jié)合使用時(shí)，它大大降低了典型車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性。在汽車(chē)領(lǐng)域，這相當(dāng)于域車(chē)輛架構(gòu)（圖1）與基于以太網(wǎng)的集中式車(chē)輛架構(gòu)（圖 2）。然而，汽車(chē)以太網(wǎng)可以承受比典型數(shù)據(jù)中心面臨的更困難的條件 — 汽車(chē)以太網(wǎng)可以在不同氣候和不同韌性地形的環(huán)境中運(yùn)行。

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圖1.當(dāng)前一代中端汽車(chē)模型的域架構(gòu)圖

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圖2.汽車(chē)制造商即將推出的集中式架構(gòu)圖示例，該架構(gòu)圖采用了Ethernovia基于以太網(wǎng)的芯片解決方案

如今的車(chē)輛架構(gòu)正在從以域?yàn)橹行牡目刂破靼l(fā)展而來(lái)，因此，車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)容量必須能夠處理高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）、自動(dòng)駕駛（AD）和無(wú)線交付（OTA）等高級(jí)應(yīng)用所需的更高數(shù)據(jù)速率。具有挑戰(zhàn)性的是，未來(lái)的車(chē)輛必須滿足這些需求，同時(shí)提供更高的可靠性和安全性。

Ethernovia基于以太網(wǎng)的架構(gòu)旨在通過(guò)集成面向未來(lái)軟件定義汽車(chē)的高級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、整體和簡(jiǎn)化的硬件和軟件系統(tǒng)，從而滿足這一需求。

那么，為什么現(xiàn)在轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)呢？

以太網(wǎng)實(shí)際上在十年前就開(kāi)始出現(xiàn)在主流汽車(chē)實(shí)施中。早在2008年，寶馬就率先在消費(fèi)類(lèi)汽車(chē)中引入以太網(wǎng);從那時(shí)起，超過(guò)90%的汽車(chē)制造商已將以太網(wǎng)集成到他們的車(chē)輛中。

然后，幾個(gè)功能為以太網(wǎng)在汽車(chē)中的廣泛采用鋪平了道路。以太網(wǎng)“T1”收發(fā)器旨在滿足汽車(chē)市場(chǎng)嚴(yán)格的 OEM EMI/RFI 要求，并通過(guò)在單對(duì)上運(yùn)行（而不是用于企業(yè)以太網(wǎng)的四對(duì)）來(lái)減少75%的銅纜。這種減少對(duì)線束的重量和成本產(chǎn)生了重大影響。此外，以太網(wǎng)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境意味著有多家供應(yīng)商為某些傳統(tǒng)汽車(chē)技術(shù)創(chuàng)建解決方案，而不是單一供應(yīng)商解決方案，從而推動(dòng)創(chuàng)新并提供第二來(lái)源選項(xiàng)，這對(duì)汽車(chē)OEM來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

最后，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用了傳統(tǒng)的“盡力而為”以太網(wǎng)，并提供了有時(shí)限、有保證的車(chē)載數(shù)據(jù)傳輸。

在過(guò)去十年中，隨著可用功能和速度的持續(xù)發(fā)展勢(shì)頭，我們已經(jīng)看到以太網(wǎng)從診斷和信息娛樂(lè)的部署轉(zhuǎn)變?yōu)檐?chē)輛所有領(lǐng)域的部署。

實(shí)現(xiàn)更智能的汽車(chē)

如圖1所示，當(dāng)今汽車(chē)中存在許多不同的網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接車(chē)輛中的ECU。隨著使汽車(chē)變得更加智能的新功能的出現(xiàn)，汽車(chē)中的帶寬量不斷增加以支持這些應(yīng)用程序。OEM需要越來(lái)越多的計(jì)算資源來(lái)處理這些數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)整合ECU來(lái)簡(jiǎn)化車(chē)輛。

結(jié)果如何？對(duì)高帶寬、低延遲和安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的巨大需求，以便在車(chē)輛中高效移動(dòng)數(shù)據(jù)。

2022 年，福布斯征集了技術(shù)專(zhuān)家對(duì)他們期望在未來(lái)汽車(chē)中看到的功能的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)范圍很廣：當(dāng)然是自主;汽車(chē)作為具有5G連接功能齊全的辦公空間;先進(jìn)的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)功能;增強(qiáng)隱私和網(wǎng)絡(luò)安全;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航;和更多。

然而，考慮到處理需求的需求增加，具有這些功能的未來(lái)車(chē)輛永遠(yuǎn)無(wú)法建立在大多數(shù)汽車(chē)制造商目前擁有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之上。然而，以基于以太網(wǎng)的車(chē)載端到端網(wǎng)絡(luò)解決方案為支柱，汽車(chē)工程師和設(shè)計(jì)師將能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)行業(yè)和汽車(chē)傳播者今天預(yù)測(cè)的智能“未來(lái)汽車(chē)”。

實(shí)現(xiàn)更安全的車(chē)輛

智能汽車(chē)的一個(gè)子集是ADAS和AU，它們?cè)谶^(guò)去十年中取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。這兩者存在于六個(gè)復(fù)雜程度上：

·0級(jí)：手動(dòng)駕駛

·1級(jí)：駕駛員輔助

·2級(jí)：部分自動(dòng)化（“雙腳離開(kāi)”）

·3級(jí)：有條件的自動(dòng)化（“無(wú)需干預(yù)”）

·4級(jí)：高度自動(dòng)化（“移開(kāi)視線”）

·5級(jí)：完全自動(dòng)化（“心不在焉”）

今天的大多數(shù)汽車(chē)實(shí)際上都存在于零級(jí)——完全手動(dòng)——而較新的車(chē)輛則實(shí)施1級(jí)和2級(jí)。超過(guò)這些級(jí)別需要指數(shù)級(jí)的帶寬，如圖3所示。

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圖3.ADAS系統(tǒng)的五個(gè)級(jí)別和相應(yīng)的總帶寬要求

然而，這種進(jìn)步對(duì)于最終提高道路安全性是必要的。美國(guó)交通部國(guó)家公路交通安全管理局 2017 年的一份報(bào)告發(fā)現(xiàn)，人為錯(cuò)誤是94%的致命車(chē)禍的“主要因素”。Automotive Management 2018 年的一份報(bào)告指出：

ADAS的日益普及，例如自動(dòng)緊急制動(dòng)、盲點(diǎn)監(jiān)控和車(chē)道輔助，將導(dǎo)致到2030年歐洲四個(gè)主要市場(chǎng)（法國(guó)、德國(guó)、意大利和英國(guó)）的事故數(shù)量減少 15%。

足夠先進(jìn)的ADAS和AU技術(shù)始于功能強(qiáng)大的車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)，而這始于以太網(wǎng)和基于硅的解決方案。

實(shí)現(xiàn)更便宜的車(chē)輛

展望未來(lái)，OEM正在努力進(jìn)一步整合ECU和功能。以太網(wǎng)將流量聚合到單個(gè)主干網(wǎng)中，從而減少了對(duì)復(fù)雜線束、相關(guān)連接器和無(wú)數(shù)所需的傳統(tǒng)收發(fā)器的需求。這種聚合為OEM節(jié)省了大量成本，并使用“T1”單對(duì)汽車(chē)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了安全性、簡(jiǎn)單性的額外好處，而且非常重要的是，它減輕了重量。

對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，更輕的車(chē)輛等同于更高的燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)美國(guó)能源部的說(shuō)法，“車(chē)輛重量減輕 10%可以帶來(lái)6%-8%的燃油經(jīng)濟(jì)性提高。能源部還強(qiáng)調(diào)了減輕重量對(duì)于實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程更長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)的重要性：

雖然任何車(chē)輛都可以使用輕質(zhì)材料，但它們對(duì)于混合動(dòng)力、插電式混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)尤為重要。在這些車(chē)輛中使用輕質(zhì)材料可以抵消電池和電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)的重量，從而提高效率并增加其全電動(dòng)續(xù)航里程?；蛘撸褂幂p質(zhì)材料可能會(huì)導(dǎo)致需要更小、更低成本的電池，同時(shí)保持插電式汽車(chē)的全電動(dòng)續(xù)航里程不變。

世界經(jīng)濟(jì)論壇援引EY 2022年的一項(xiàng)研究，指出全球約有三分之一的司機(jī)對(duì)駕駛這些車(chē)輛長(zhǎng)途駕駛表示擔(dān)憂，里程焦慮是阻礙更廣泛購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)的主要問(wèn)題之一。

因此，通過(guò)減輕車(chē)輛的重量，OEM可以降低制造成本，消費(fèi)者可以延長(zhǎng)燃油續(xù)航里程，而地球也可以從無(wú)碳汽車(chē)的廣泛采用中受益。

展望未來(lái)

市場(chǎng)相信汽車(chē)進(jìn)一步復(fù)雜化的一個(gè)主要證明是未來(lái)十年的細(xì)分市場(chǎng)增長(zhǎng)預(yù)測(cè)。Future Market Insights 估計(jì)，到2033年，全球汽車(chē)連接市場(chǎng)將從目前的334.2億美元增長(zhǎng)到1902.9億美元。

今天的消費(fèi)者已經(jīng)看到了車(chē)輛創(chuàng)新的前景，以及他們對(duì)更智能、更安全、更便宜的駕駛選擇的承諾。這個(gè)未來(lái)將實(shí)現(xiàn)，但前提是網(wǎng)絡(luò)能夠處理不斷增長(zhǎng)的需求。以太網(wǎng)是滿足該需求的最佳解決方案。