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智能汽车电子架构及其性能与功耗趋势演进浅析

发布日期:2020-06-02

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-06-02 17:56:45

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随着汽车行业“新四化”产业共识的形成,传统汽车正加速向智能汽车演进。在5G、云计算、AI等创新技术的推动下,汽车的电动化、智能化正呼啸而来。相对于当前的汽车行业而言,变化最剧烈的恐怕就是汽车的电子电气构架了。电子电气构架的改变,除了对智能汽车的物理结构布局的影响外,性能与功耗的变化也值得重视:性能影响汽车的智能化水平,功耗影响汽车的电动化续航,而这两者都将直接的反应在消费者对智能汽车的使用体验与购买决策上。


★ 传统分布式E/E架构的挑战 ★

早期一辆汽车上的ECU不到10个,发展到现在一辆普通的汽车里面的ECU数量,少则20~30个,多则100多个。而且随着汽车智能化程度的提升,功能越来越复杂,分布式ECU的问题越来越严重,主要体现在:1)性能瓶颈明显,单个ECU的有限算力无法胜任复杂功能的要求;2)资源利用率低,无法共享;3)分布式部署的线束长度及重量,影响生产效率与降低续航里程。

 

随着这些挑战的出现,业界发展出“区控制器”的概念。此概念是按照汽车内部的“物理位置”进行划分,比如左前控制器、右后控制器、中部控制器等,这种思路在一定程度上缓解了分布式ECU所带来的问题,有知名车企的某些车型采用了这种新的E/E架构并上市了。

 

但由于汽车作为一个整体,某一功能可能无法限定在某一个特定的物理区域内完成,尤其是高级别的智能驾驶功能,涉及到前后左右等周边所有方位的数据收集、分析与处理。另外,某些功能对安全性的要求也不完全相同,混合部署在一起反而会降低整体安全性,成本也不经济。业界又演化出“域控制器”的概念,根据汽车不同功能将整车按照功能性质划分为车身控制、智能座舱、智能驾驶等几个域,在各个域内配置充足的CPU/AI等资源,域内充分共享并满足复杂功能的计算需求,目前也有已上市的车型中采用了类似的E/E架构。

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▲汽车E/E架构演进图

 

★ 域控制器的性能需求爆发 ★

在整个汽车“新四化”的趋势下,汽车电子软件开发量增长惊人,目前先进的智能汽车的代码量达到了2亿行,预计未来L5级自动驾驶软件代码量将突破10亿行。作为对比,微软公司开发的Windows 10操作系统的代码行数大概在5000万行~7000万行之间。

以承载智能驾驶功能的域控制器为例,其功能最复杂,对性能的要求**。我们知道,智能驾驶需要接入多种传感器,每个传感器(摄像头、激光雷达等)每秒产生的数据是20~100MByte,多个传感器产生的海量数据需要在数十毫秒的时间内实时分析与处理完,性能要求可想而知。业界普遍认为,L2级的自动驾驶需要>10 TOPS的算力,L3级需要100~200 TOPS的算力,L4级需要400~600 TOPS的算力,L5级可能至少需要>3000 TOPS的算力。

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▲不同级别自动驾驶算力需求趋势

 

★ 域控制器未来性能与功耗趋势分析 ★

我们还是以**代表性的智能驾驶功能的域控制器来进行分析。传统的多个分布式ECU完成多个不同的L2/ADAS功能,各个L2/ADAS功能的传感器、MCU/内存、IO通信及OS运行环境绝大部分都是独立的(部分功能会复用部分传感器),常见的L2/ADAS功能及功耗(瓦)分布见下图:

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▲常见L2/ADAS功能及功耗

由上图可见,达到L2/ADAS功能的总功耗大概在90瓦左右,核减掉部分复用的传感器功耗,也至少需要80瓦。未来集中式智能驾驶域控制器承载的主要功能含三大块:包含已有的L2/ADAS所有功能、MCU/IO通信/OS运行等公共功能,以及面向未来的L3/L4/L5的高级功能(如TJP/HWP/AVP等)。未来智能驾驶域控制器的功能分布图见下:

D.png

▲未来智能驾驶域控制器功能分布图

 

未来的智能驾驶域控制器,会外接多个摄像头(分辨率、帧数也会不断提升)、毫米波雷达、激光雷达,以及IMU等设备,通常需要的功能包含图像识别、数据处理等,完成传感器融合、定位、路径规划、决策控制等功能,远比L2/ADAS功能复杂得多,性能要求自然更高,功耗也不会低。所以按正常类推,智能驾驶域控制器的性能至少应该是L2/ADAS总性能的数十甚至数百倍

 

智能驾驶域控制器的性能与功耗核心是芯片,芯片近年来的发展趋势是采用SoC(System On Chip)的设计与开发模式,SoC芯片将更多电子元器件及功能(CPU/NPU/IO/Mem/Cache等)高度集成为系统级芯片,一般SoC芯片的功耗会占到整机功耗的70%~80%,所以智能驾驶域控制器的整机功耗其实主要取决于SoC芯片的功耗。当前阶段,业界主流的SoC芯片设计与制造工艺可以将芯片的能效比平均做到1.2 TOPS/W,未来随着技术的进步(也考虑到摩尔定律逼近极限的因素),到L4、L5级别的自动驾驶落地时SoC的主流能效比有望进一步提升至3 TOPS/W、8 TOPS/W。据此趋势推测,L3,L4,L5级别的智能驾驶域控制器的性能与功耗发展趋势如下表:

E.png

▲智能驾驶域控制器性能与功耗发展趋势预估

 

另外,考虑到汽车行业对可靠性的极高要求,以及汽车内部恶劣的环境状况(封闭空间、~120℃的超高温),对于高性能的域控制器,建议用风冷甚至液冷的方式进行主动散热,以确保域控制器性能的正常发挥与稳定可靠运行


★ 结语 ★

随着汽车行业“新四化”的深入,以及软件定义汽车导致的个性化功能越来越多的需求趋势,智能汽车的电子电气构架将发生重大改变,传统分布式ECU将向集中式的域控制器演进。本文以智能驾驶域控制器为例,对比传统L2/ADAS的功能及功耗分布,分析了面向L3/L4/L5的智能驾驶域控制器的性能及功耗发展趋势,以及对散热方式的建议。相信在汽车智能化的发展历程中,高性能的域控制器将在提升汽车智能化水平、打造差异化竞争力、优化用户使用体验等方面,发挥巨大作用。

 

 

文章来源:华为



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