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汽车软件深度报告:汽车软件产业链及未来趋势分析

发布日期:2020-08-20

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关键结论

电动智能趋势下,汽车逐步由机械驱动向软件驱动过渡。近年 SDV(软件定义汽车)概念逐步被行业认知,根源在于“汽车如何体现差异化”问题的变迁,随着电动化带来的汽车电子构架革新,汽车硬件体系将逐渐趋于一致,软件成为定义汽车的关键,行业更具想象空间。即造车壁垒已经由从前的上万个零部件拼合能力演变成将上亿行代码组合运行的能力。本文通过对汽车软件行业的系统性梳理,帮助读者把握行业成长中的投资机会。

我们提出零部件赛道三维筛选框架,基于起点(单车价值量)-持续时间(产品生命周期)-斜率(产品升级速度)三维体系评价细分零部件的市场空间,软件平均单车价值量由传统车的 200 美元,提升至 2025 年新能源汽车的 0.23 万美元,进一步至 2025 年新能源汽车的 1.8 万美元。未来十年软件市场复合增速为 9%,2030年 500 亿美元空间,57%的增量来自于 ADAS 及 AD 软件。

软件如何定义汽车价值?百年汽车工业面临由机械机器向电子产品过渡的新变局。汽车“驾驶感”及车机 APP 化的功能实现发生在我们看不到的隐秘角落——上百的电子控制单元循环执行软件代码功能块,通过高性能的中央计算单元,与硬件体系结合以解析驾驶员需求,逻辑运算后向机械部件发送相应响应指令。

汽车软件成为未来汽车构架重要组成部分。而整车电子电气构架提供的硬件、操作系统实现的管理功能、基础软件平台构架实现的抽象化为 SDV 不可或缺的三大关键部分,软硬件的分离(研发分离、功能发布分离)成为实现 SDV 基础。

发展史与整车厂战略。汽车软件随产业技术升级持续迭代:1970 年代的简单发动机控制算法→1980 年代中央计算单元创新→1990 年代信息娱乐系统创新→2000 年代安全系统→2010 年代开始向全新汽车电子构架及软件系统演变。不同于以前依靠多个 ECU 由部件供应商主导的无独立软件产品概念时代,主机厂愈发需具备软件的管理能力及核心软件设计能力。整车厂中特斯拉**车载软件行业**技术,大众重金重塑软件架构,整车厂关乎开发周期、赋予附加值、构架实现、软件变现模式以及操作系统切入等问题上仍未进行标准化定义,却为影响行业发展的关键所在。

产业链机遇。新科技、软件公司涌入带动供应链管理的扁平化、边界模糊化,带动供应链生态体系变革。供应模式上,预计 Tier1 与整车厂之间将采取两种合作方式,其一,整车厂主导软件,Tier1 负责硬件生产;其二,整车厂定义软件框架规范标准,Tier1 供应符合标准的相关软件。盈利模式上,偏向制造业逻辑的大部分汽车硬件由于堆桥数量将受到限制,终将会进入产业稳态阶段,往接口及功能上的标准化发展,维持较稳定的利润率水平;软件由于迭代周期快且行业特性带来的标准化程度低,赋予汽车新盈利模式。现阶段特斯拉三大付费模式打开车企软件变现想象空间,开发基础平台收许可费、供应功能模块按Royalty 收费及定制化的二次开发均为未来软件供应商主流打法。

推演的 5 大未来趋势。汽车终将成为搭载“差异化元素”的通用化平台。一方面,ECU 功能模块里循环迭代的代码驱动汽车执行动作反馈;另一方面,车载娱乐信息系统 APP 化吸引第三方***入场。海量数据将在车内流转,关于赋能域控制器、定位车机系统的各项软件性能升级,包括功能中心化、以太网应用、整车 OTA 升级、信息交互上云及深层次的信息安全防御等,或将带来汽车软件一系列发展机遇。

SDV 新阶段:软件如何定义汽车价值

百年汽车工业面临由机械机器向电子产品过渡的新变局。跨入驾驶室,安静的启动、柔中带刚的加速、平稳过渡的刹车等为代表的汽车“驾驶感”逐步由机械驱动向软件驱动过渡,这一套功能的实现发生在我们看不到的隐秘角落——上百的电子控制单元循环执行软件代码功能块,通过高性能的中央计算单元,与硬件体系结合以解析驾驶员需求,逻辑运算后向机械部件发送相应响应指令。近年来,SDV(Software Define Vehicles,即软件定义汽车)概念逐步被整车厂认知,根源在于“汽车如何体现差异化”问题的变迁,随着电动化带来的汽车电子构架革新,汽车硬件体系将逐渐趋于一致,整车厂很难在硬件上打造差异化,此时软件成为定义汽车的关键,即造车壁垒已经由从前的上万个零部件拼合能力演变成将上亿行代码组合运行的能力。

汽车软件为未来汽车构架重要组成部分

汽车软件与硬件体系发生分化。近几十年随汽车构架升级、性能与用户操作感需求逐年提升,汽车软硬件数量爆发,并愈发复杂化。在硬件方面,电控单元数量迅速增长,于 2010 年面临增速放缓的拐点(主要受整车成本与控制器数量平衡的影响),2025 年随行业集中式电子电气架构趋势持续推进,电控单元迈向集成化从而控制器数量将较为平稳。在软件方面,各大主机厂软件功能体系越做越大,其中“功能函数”作为软件体系中的*小单元,其单车数量持续增大,控制器内部的功能函数复杂度提升,叠加智能座舱新增的应用型软件需求,软件重要性愈发凸显。2010 年(增速放缓的硬件数量 VS. 急剧攀升的软件数量)与 2025 年(硬件产业成型 VS.软件加速迭代塑造汽车差异性)为汽车软硬件发展中两个重要的分水岭。

汽车复杂的运作需软硬件结合进行。无论是驾驶舱对汽车电子功能的调用,抑或汽车与驾驶员和环境互动,均可抽化为软硬件密切配合的模型,即驾驶员的需求与汽车功能反应之间存在着复杂的控制链条:驾驶员通过机械硬件或部分虚拟按钮输入期望(例如通过车载按钮、踏板等输入型机械硬件给出期望)→驾驶员动作转换为电子信号传入电控单元→执行器控制控制对象达到驾驶员的需求→传感器向电控系统持续反馈控制达成的具体情况,软件逻辑持续运算向执行器发出指令,*终达成驾驶员的期望要求。以刹车辅助驾驶为例,在驾驶员刹车信号不足或过慢的情况下,内置的一套软件逻辑将被激活,让制动系统自动做出减速相应。在电控单元中快速进行的一次次软件迭代循环,为汽车正常运作的基石。

SDV 研发工具链仍以 V 流程为主。汽车研发系统过程能拆解为软件、硬件、执行器及传感器 4 大部分。与传统车相同,V 模型为车企主流的开发流程,从产品设计、子系统设计、控制器验证及系统验证等阶段均有相对应的工具链进行支撑,涵盖从系统到软件以及集成后的一系列测试等内容。SDV 模式下对工具链的应用具部分变化:一方面,硬件愈发通用化,研发会集中在作为功能集群的 ECU 开发上;另一方面,车的各种功能实现尽量靠软件实现。

Step 1:产品设计阶段。此阶段核心为分析和拆解需求。由消费者的需求、车型安全及性能的刚性需求以及法律法规需求定义出软件的基础构架,以及定义出各大功能模块。

Step 2:子系统设计阶段。步骤为由系统构架需求定义软硬件构架设计。关乎软件系统部分在这一步雏形初显,能将技术问题具体化,例如定义软件能实现的功能、软件功能模块的分离、如何跟对应的控制器配合等。

Step 3:控制器验证阶段。完成硬软件及控制器集成,代码成型并迭代测试。

Step 4:系统验证阶段。测试软硬件在整车上的装载使用情况。

SDV 不可或缺的三大关键部分——电子电气架构、操作系统、软件平台

整车电子电气构架为硬件基础。汽车电子电气架构(Electronic and ElectricalArchitecture,文中简称 EEA)*初由德尔福公司提出,以博世经典的五域分类拆分整车为动力域(安全)、底盘域(车辆运动)、座舱域/智能信息域(娱乐信息)、自动驾驶域(辅助驾驶)和车身域(车身电子)等 5 个子系统。后续演变成车企所定义的一套整合方式,可形象看作人体结构中的骨架部分,后续需要“器官”、“血液”和“神经”进行填充。具体到汽车上来说,EEA 把汽车中的各类传感器、ECU(电子控制单元)、线束拓扑和电子电气分配系统**地整合在一起,完成运算、动力和能量的分配,实现整车的各项智能化功能。博世曾经将汽车电子电气架构划分为三个大阶段:传统分布式电子电气架构-域控制器电子电气架构-集中式电子电气架构:

(1)传统分布式的电子电气架构:主要用在 L0-L2 级别车型,此时车辆主要由硬件定义,采用分布式的控制单元,专用传感器、专用 ECU 及算法,资源协同性不高,有一定程度的浪费。产业链分工上,车型架构由整车厂定义,实现核心功能的 ECU 及其软件开发由 Tier 1 完成。

(2)域控制器电子电气架构:从 L3 级别开始,通过域控制器的整合,分散的车辆硬件之间可以实现信息互联互通和资源共享,软件可升级,硬件和传感器可以更换和进行功能扩展。属于过渡形态,ECU 仍承担大部分功能实现,整车厂将参与部分域控制器的开发。

(3)集中式电子电气架构:以特斯拉 Model 3 领衔开发的集中式电子电气架构基本达到了车辆**理想——也就是车载电脑级别的中央控制架构。此时集成化趋势将消减大部分 ECU,主机厂将逐渐主导原本属于 Tier 1 参与的软件部分(预计以直接开发模式或定义规范标准后让供应商参与),其目标是设计简单的软件插件和实现物理层变化的本地化。

操作系统实现管理功能。车载操作系统(Car-OS)承担着管理车载电脑硬件与软件资源的程序的角色。20 世纪 90 年代伊始,汽车上基于微控制芯片的嵌入式电子产品的应运兴起,需加入相关的软件架构以实现分层化,即汽车电子产品均需要搭载嵌入式操作系统。从产品品类上,汽车电子产品可归纳为两类,一是以仪表,娱乐音响、导航系统为代表的车载娱乐信息系统;二是主管车辆运动和安全防护的电控装置。两者对比而言,电控系统更强调安全性和稳定性,因此应用于电控单元 ECU 的嵌入式操作系统标准更为严格。未来操作系统发展面临两大趋势,一是以 OSEK、AUTOSAR 为典型代表的操作系统标准联盟将定义统一的技术规范;二是智能网联趋势下数据融合度提升,由于各个部件的安全标准等级不一从而整车上存在多种操作系统的运用,通常引入虚拟机管理(可提供同时运行多个独立操作系统的环境),如在智能座舱 ECU 中同时运行Android(车载电子操作系统)和 QNX(电控操作系统)。

基础软件平台构架是实现抽象化的关键所在。从定义上,软件架构为软件系统定义了一个高级抽象(软件表达行为、属性、相互作用、集成方式及约束均在此架构上体现)。而 SDV 核心内涵是能够通过软件作用,动态地改变构架网络节点之间的联结或分离状态,从而定义汽车不同的功能组成。基础软件平台需具备三方面要求:一是可靠性,能保证汽车功能实现的实时和安全;二是通用性,适用于不同车型和不同的操作系统上;三是网构架节点易于更换联结方式。AUTOSAR 是全球各大整车厂、供应商联合拟定开放式标准化的软件架构,其使得不同结构的电子控制单元的接口特征标准化,从而软件具更优的可扩展性及可移植性,降低重复性工作,缩短开发周期。

汽车软硬件分离为 SDV 基础

软硬件的分离涵盖研发分离、功能发布分离两方面。软硬件分离为实现 SDV 基础,电动化趋势简化造车流程,未来汽车硬件的研发、制造更偏向于流水线过程,而软件发展逐步具互联网的快速迭代趋势倾向。汽车软硬件分离概念由此而生,其包含两方面内容,一方面,由于开发周期(汽车硬件 5-7 年的开发周期 vs. 软件 2-3 年的开发周期)及技术领域(偏向制造业 vs.偏向互联网)的差别,汽车软硬件在开发上、供应上逐渐分开。另一方面,软件的功能发布可以与车型完成分离,新软件不仅适用于新车,仍可快速发布到已量产车型上,增强车型硬件的使用长尾期。

软硬件分离在功能升级及工艺装配上具优势。基于软硬件分离的新构架体系在车型功能升级及制造模式上发生变化。功能升级上,新的扩充功能由软件定义通过云端直接升级,无需再在硬件层面进行验证;工艺制造上,与软件分离后的电子电气构架不同于现阶段“八爪鱼”式的复杂构造,更易于自动化装配。

当前车企实现更新的方式——硬件冗余,后续依靠更新升级。

(1)硬件预置:传统汽车定价由硬件及性能决定。而 SDV 模式下,相同硬件的车型通过不同的软件配置决定车与车之间不同的功能与体验。车企在车型设计之初需提前定义软硬件,SOP 时将具备扩展功能的冗余硬件预装,后续将通过付费型软件升级或者功能开放回收成本。以特斯拉的 AutoPilot 为例,冗余的预设硬件将通过后期持续的软件升级调动功能,为新创收模式。

(2)性能预置:性能预置分为两个方面,控制器算力预留,为更多的软件功能和算法预留空间。随智能驾驶趋势,车载算力大幅提升,由于无法预估后续所需算力的极限,通常在实际情况中会预留算力空间。性能预留,通常在各性能硬件上做事先预留,以应付如加速性能提升,续航里程提升,图像的清晰度提升,音响效果提升等升级事项。例如 2018 年 6 月,美国权威杂志《消费者报告》发现, Model3 刹车距离比皮卡福特 F-150 要长。ElonMusk 接受了《消费者报告》的批评并承诺通过 OTA 尽快解决此问题。此后在不到一周时间,特斯拉通过一次 OTA 升级解决了该个问题,《消费者报告》重新测试后发现,升级后的 Model3 刹车距离缩短了 5.8 米。

追溯发展史:汽车软件的前世

汽车软件随产业技术升级持续迭代:1970 年代的简单发动机控制算法(软件嵌入应用模式)→1980 年代中央计算单元创新(显示车辆基本信息)→1990 年代信息娱乐系统创新(GPS、自适应巡航控制出现)→2000 年代安全系统(出现高级驾驶员辅助驾驶概念)→2010 年代开始向全新汽车电子构架及软件系统演变(电子化和软件化,出现无人驾驶概念)。

1980 年代之前,汽车仅搭载车灯、启动机、火花塞等简易电子设备,并未运用任何软件部分。整车电子设备通信及电能供给依靠铜导线传输。部分豪华车装置仅由收音机为核心部件的车载娱乐系统。

1970 年代,发动机系统具备算法功能。出现点火系统、电子燃油喷射等装置,软件直接嵌入应用使用,软件之间无关联具独立性。

1980 年代随 IT 技术起步,电子电气化革命在传统机械部件上进行创新。油耗及行驶距离等信息可在车内做电子化显示,搭载软件的电控单元开始出现,如防抱死系统 ABS、车辆稳定系统 ESP、电子变速箱等电子系统诞生,新功能由嵌入式软件的算法控制,CAN 及 LIN 总线解决不同控制器之间的通信问题。

1990 年代,信息娱乐系统持续创新,软件成为汽车重要部分。汽车软件构架愈发分散,出现 GPS 及自适应巡航控制等较高阶的电子组件及软件。同时,不同控制器间持续延长的通信总线成为车企后续进行成本管控的重要一环。

2000 年代,安全系统推出,软件开始主导汽车创新。“高级辅助驾驶概念”在此阶段兴起,例如驾驶员未及时反应的障碍物可以系统运算下汽车自发停车规避。此时的软件系统更为高阶,行业引入 AUTOSAR 标准软件构架。车型方面,电子化特征明显,奔驰 S 级轿车车型电控单元超 80 个,通信总线近 2000 条。

2010 年开始,汽车电动化带来电子电气构架、汽车软件新变局。智能驾驶、车联网概念引入,造车新势力、互联网企业等多玩家参与进造车环节,以特斯拉为代表的整车厂重新定义软件系统,新创 OTA 新升级模式。

产业链机遇:SDV 重塑市场格局

新科技、软件公司的涌入带动了供应链管理的扁平化、边界模糊化,推动产业竞争要素发生本质变化,带动供应链生态体系变革。在传统封闭式供应链的汽车制造商在整条供应链中只负责一个环节,主要担任汽车研发制造的角色。而在新生态体系中,汽车软硬件分离重塑产业格局,主机厂、供应商以及互联网企业均参与进汽车新生态体系,从汽车全生命周期覆盖整个产业链条。

供应模式转变,主机厂、供应商及互联网企业入局

SDV 软件开发模式下,不同于以前依靠多个 ECU 由部件供应商主导的无独立软件产品概念时代,主机厂愈发需具备软件的管理能力及核心软件设计能力,并引入供应商及互联网企业参与此环节。在软件领域,预计未来 Tier1 与整车厂之间将采取两种合作方式:

其一,整车厂主导整车软件部分,Tier1 负责硬件生产。在传统车企巨头入场燃油车领域 100 多年的历史里,造车流水线仍以机械制造为主,Tier1 以分担主机厂重资产角色存在,通常与整车厂车型生产周期形成相应配套。而在智能化时代,软件主要以轻资产模式运转,出于掌握核心技术考量通常为主机厂所主导。其二,整车厂定义软件框架规范标准,Tier1 供应符合此标准的相关软件。瞬息万变的技术导致车企研发容错率下降。尤其对新入场的造车势力而言,若在前1~2 款车连续失败,大概率将面临淘汰。因此对部分在技术储备、研发及资金实力较弱的主机厂而言,可在其定义软件标准后由 Tier1 进行对应的开发配套。

盈利模式转换,将逐渐由硬件逐渐向软件倾斜

硬件发展具天花板效应,软件持续赋予车型新附加值。以经过 15 年发展的手机产业链为例,硬件体系随处理器性能持续提升、摄像头像素及摄像头个数持续增加、屏幕材质与大小升级,其产业增速趋缓,硬件盈利模式逐渐固化。而随苹果 iPhone 产品横空出世定义软件附加值新模式,小米做低手机硬件利润并将其定位于功能载体,至此软件与服务成为手机产业链盈利模式的重要来源。对标至汽车,偏向造业模式的传统车具较固定的盈利模式,从而车企具较稳定的利润率,而目前在汽车电子电气化架构趋势下,软件有多样性应用的空间,无论硬件抑或软件体系均包含升级或新生环节,盈利模式尚未定型。而长远来看,偏向制造业逻辑的大部分汽车硬件由于堆桥数量将受到限制,终将会进入产业稳态阶段,往接口及功能上的标准化发展,维持较稳定的利润率水平;软件由于迭代周期快且行业特性带来的标准化程度低,赋予汽车新盈利模式。

特斯拉已构筑初阶车企软件盈利模式。硅谷出身的特斯拉已证实一条软件大规模变现的可行性路径,分为 FSD 付费、软件应用商城及订阅服务三种模式:

(1)FSD 付费模式:特斯拉车型在售出后标配 Autopilot 辅助驾驶功能,而实现自动泊车、智能召唤的 FSD 全自动驾驶功能需付费使用。FSD 单价并未固定,过去一年内特斯拉 FSD 售价经过三次提价(国外 8000 美元,国内 6.4 万元),成为特斯拉利润的重要来源。以 2019 年 36.7 万辆的交付量计算(30 万辆 Model3,6.7 万辆 ModelS/X),假定 35%的 FSD 装载率,6500 美元的 ASP,则软件收入近 8.3 亿美元(其毛利率大概率高于 80%)。

(2)软件应用商城:类似手机应用商城,可即时购买性能升级软件包(包括辅助驾驶功能、FSD 及各类性能升级包),通过 OTA 进行升级。

(3)订阅服务:2019Q4 推出定价 9.9 美元/月的车联网高级连接服务,包括流媒体、卡拉 OK、影院模式等功能。2020Q2,特斯拉宣布计划在年底推出定价100 美元/月的 FSD 套件订阅服务,为 FSD 的使用提供另一选择。

对于第三方汽车软件供应商,盈利模式仍不明晰,参考手机产业模式及目前行业发展情况,预计其未来有望采用以下 3 种主流盈利模式:

(1)受主机厂委托,开发基础平台并收取许可费用。

(2)供应功能模块按汽车出货量 Royalty收费(按销售量和单价一定比例分成)。

(3)基于车企平台为其做定制化的二次开发,并收取费用。

市场空间:未来十年软件市场复合增速为 9%,2030 年 500 亿美元空间

软件市场进入快速扩张期。包括系统软件和应用软件在内的软件系统将在智能化趋势中,由低基数实现快速扩张,据麦肯锡预计,软件在 D 级车整车价值中所占的比例有望在 2030 年达到 30%,将成为未来汽车行业最重要的领域。

市场规模方面:电动智能化趋势下硬件发展周期**于软件,增量市场弹性小于软件。据麦肯锡,2020-2030 年汽车软件和 E / E 架构市场预计复合年增长 7%,从目前的 2380 亿美元增长至 2030 年的 4690 亿美元。拆分来看,2020-2030年软件市场规模(操作系统、中间件及功能软件)复合增速为 9%(由 2020 年的 200 亿美元,增长至 2025 年的 370 亿美元,进一步增长至 2030 年的 500亿美元)。2020-2030 年动力系统市场规模复合增速为 15%,主要受动力源更迭拉动。在硬件方面,ECU/DCU、传感器以及其他电子元件的复合增速分别为5%、8%及 3%。软件的应用带动汽车集成及验证环节革新,2020-2030 年集成及验证市场规模复合增速为 10%。

单车价值量方面:汽车软硬件实现分离后两者的发展模式将出现分化。其中硬件体系的价值量随模块化、集成化发展,在规模化降本过程中其单车价值量增长将较为平缓或略下降态势;而软件体系迭代速度快,在其对附加值模式的持续探索下,价值量将持续上行。据麦肯锡预计,汽车中软件单车价值量增速*大,纯电动车型将由 2025 年的 0.23 万美元增长 7倍至 2030 年的 1.82 万美元。同期 ECU/DCU、传感器、动力系统(除电池)及其他电子器件增速分别为 37%、27%、-7%、5%。此外,在豪华车及主打智能化车型上,软件的价值量占比及**值将处较高水平。

汽车结构方面:全球汽车软件与硬件内容结构正发生着重大变化,软件驱动逐渐成为主导。据麦肯锡预测,2016年软件驱动占比从 2010年的 7%增长到 10%,预计 2030 年软件驱动的占比将达到 30%,届时硬件驱动占比仅为 41%。

软件内容方面:应用型软件为汽车软件发展主力,ADAS 及 AD 软件为主要增量。据麦肯锡预测,2020-2030 年一体化软件、验证型软件及功能性软件市场规模复合增速分别为 9%、10%、10%,其中功能性型软件占据汽车软件半壁江山(结构上占比 6 成)。2020-2030 年按软件功能划分的市场规模中,*大增量为 ADAS 及 AD 软件,占市场规模增量的 57%;信息娱乐、安全及联网相关软件次之,占 20%;操作系统和中间件、车身和动力系统相关软件、动力总成和底盘相关软件分别占据 10%、10%、2%。

整车厂战略思路:软件为必争之地

在汽车构架三步走过程中——传统分布式电子电气架构-域控制器电子电气架构-集中式电子电气架构,主机厂将逐渐主导原本由 Tier 1 包揽的定制软件部分,软硬件进行拆分发包的趋势近年来愈发明显。车企和互联网软件企业纷纷入局,特斯拉**车载软件行业**技术,大众计划紧跟,组建 5 千名软件工程师开发旗下所有车型统一的操作系统“vw.OS”,汽车属性已然将逐渐由代步工具转换为移动的第三空间(例如未来的娱乐、办公场所)。现阶段整车厂与 Tier 1 的合作模式仍在探索中,关乎开发周期、赋予附加值、构架实现、软件变现模式以及操作系统切入等问题上仍未进行标准化定义,却为影响行业发展的关键所在。

特斯拉在软件层面*大亮点是 OTA 升级模式

特斯拉创整车 OTA 升级先河。其升级主要在两个方面:一方面,将软件升级发送到车辆内的车载通讯单元,更新车载信息娱乐系统内的地图和应用程序以及其他车机类软件。例如升级车机的运算速度、屏幕操作流畅度,运行高画质游戏以及增强可视化效果等,属于驾驶舱内“看得见”的升级。另一方面,以直接将软件增补程序传送至有关的电子控制单元(ECU),为 Autopilot 持续引入及优化新功能。例如提升时速、修复驾驶漏洞等。软硬件分离开发、硬件性能冗余的设计思路是实现 OTA 的必要条件,随法规放开、算法逐渐完善,特斯拉以 OTA 升级软件模式逐步解锁新运用功能。此外,特斯拉颠覆车载软件盈利模式,以 6.4 万元的 FSD 选装软件包定价、2000 美元的“ Acceleration Boost”动力性能加速升级包**软件付费的商业模式。

集中式电子电气架构提供 OTA 基础。特斯拉的整车 OTA 升级需要其超前的汽车电子电气架构做配套配合,传统车企分布式电子电气架构中 ECU 数量庞大,单个 ECU RAM 内存容量有限,同时供应商的底层代码和嵌入软件差别较大,难以完成整车功能的统一更新。而特斯拉采用集中式的电子电气架构,分为CCM(中央计算模块,整合ADAS 及 IVI 域功能)、BCM LH(左车身控制模块)、BCM RH(右车身控制模块)三个部分,2015 款的 Model S 大约有 15 个 ECU,此后发布的 Model 3 则直接通过 Hardware3.0 和三个车身控制器执行来控制行驶、转向和停止等功能,集中的架构和高算力的控制模块支撑了特斯拉整车 OTA升级。目前特斯拉已经可以通过 OTA 的方式实现改善车辆的底盘、信息娱乐、电池续航、ADAS 乃至自动驾驶等多项功能,让车的功能迭代更加灵活和便捷,*终变成一台可以不断进化的智能终端。

OTA 升级过程需数据网络配合,其安全性尤为重要。特斯拉 OTA 升级即指将程序从主机厂服务器更新到指定 ECU,主要步骤为:车辆与服务器通过蜂窝网络进行安全连接,将待更新的固件传输至车辆远程信息处理系统及 OTAManager,OTA Manager 将固件分发至需更新的 ECU 并管理更新过程,更新完毕后向服务器发送确认信息。整个 OTA 升级过程面临安全考验,腾讯科恩实验室曾实现对特斯拉的无物理接触远程攻击,并将漏洞情况报告给特斯拉以做修复。OTA 模式的信息安全(信息包加密及隔离)及功能安全(车辆状态信息传输)需得到足够保障。

特斯拉 OTA 依然属于行业标杆,传统车企追赶特斯拉在研发 OTA 过程中仍面临困境。具先发优势的特斯拉在 OTA 对动力和底盘系统有效升级层面、用户体验、系统成熟和稳定性方面均处于行业**地位,**传统车企和造车新势力跟随布局,但仍面临较多困难,体现在三个方面:其一,需投入较大的人力、物力、财力,考验主机厂研发实力;其二,OTA 打破固有的经销商提供增值服务的模式,利润蛋糕重新切分具一定阻力;其三,OTA 安全性和稳定性上要求较高,主机厂需理解部分互联网领域技术。

大众重塑软件架构,推行 vw.OS 规划

曾囿于软件问题车型延迟交付。在特斯拉软件技术快速迭代压力下,大众加紧开发基础架构,或因为开发过于仓促等因素,曾多次发生软件问题,如新一代纯电动汽车 ID.3 因为软件开发延迟造成交付时间推迟,新款高尔夫也曾因为仓促上马新技术(全数字座舱)于车辆中发现软件问题而临时停售。

大众已着手构建软件架构体系。为抗衡特斯拉及科技巨头等新势力的布局,大众愈发重视汽车软件开发业务。2020 年 1 月 1 日起,大众集团所有软件开发工作被集中至独立新部门——Car.Software(2019 年 6 月份成立)。Car.Software分为“互联汽车和设备平台”“智能车身和驾驶舱”“自动驾驶”“车辆运动和能源”以及“数字业务和出行服务”五个业务单元,其所有功能都将用于开发 vw.OS 车机系统。一系列车型软件问题出现后,宝马制造工程高级副总裁 Dirk Hilgenberg加入成为 Car.Software 负责人。此外大众也对智能驾驶研发体系进行重组,如拆分 L4 智能驾驶研发部分、合并各部门自动辅助驾驶研发。

大众软件计划的内在驱动力来源于两个方面:

其一:汽车软件代码愈发复杂。大众曾做过统计,汽车软件的行代码远大于其他应用终端(汽车软件 1 亿行代码 VS. Facebook 8 千万行代码 VS. PC 电脑4 千行代码 VS. 飞机 2.5 千万行代码 VS. 谷歌浏览器 1 千万行代码),是智能手机的 10 倍。2020 年整车代码量有望超 2 亿行,达 L5 级智能驾驶代码量有望超 10 亿行。

其二:汽车成为复杂的联网设备,软件将扮演重要角色。在大众传统车型上仅需约 70 个 ECU,功能相对较为分散。而在未来的集成化计算单元体系下,软件的重要性将愈发凸显,与 ECU 配合定义汽车功能,涵盖操作系统、基础软件以及其他应用软件的车载软件大众均会自主开发。

大众对研发投入、人员安排及软件化目标做出规划:

投入方面,大众集团将在未来三到五年内投入 90 亿美元(约合人民币 630 亿元)资金进行软件开发。员工方面,不同于制造环节的裁员情况,数字化部门员工由 5000 名再次扩编至 1 万人。软件化目标方面,内部研发软件占比由不足 10%提升到 60%以上,同时提出“8 合 1 目标”(将现有的 8 个电子平台整合为一个平台)。2025 年前,所有新车型将使用 vw.OS 操作系统和定制的云服务(大众与微软合作),软件在汽车创新中占据 90%份额。

汽车软件的未来推演

若考虑对汽车开发的**假想,汽车*终会成为搭载“差异化元素”的通用化平台。以目前视角,差异化元素涵盖智能座舱(人与车互动的生态系统,包括包括全液晶仪表、车联网、车载信息娱乐系统 IVI、ADAS、HUD、AR、AI、全息、氛围灯、智能座椅等方面)及智能驾驶(L1~L5 级智能驾驶等级)领域。而差异化元素主要由车型全新的电子电气架构和软件两方面定义,一方面,ECU里的功能模块持续循环迭代的代码驱动汽车执行*适宜的动作反馈;另一方面,车载娱乐系统越发 APP 化吸引较多第三方***入场。海量数据在车内流转,其深层次的安全防御(检测和防御网络攻击)愈发重要。经过产业趋势推演,提出以下 5 大汽车软件趋势预判。

趋势 1.往车辆集中式电子电气架构发展,功能中心化

集中式电子电气架构为**构架体系。以域控制器为代表产品的跨域集中式电子电气架构再往后走,就是集成化程度更高的车辆集中式电子电气架构——Vehicle computer and zone concept(车载电脑),**阶段为 Vehicle cloudcomputing(车云计算)。未来车辆通过用高性能的中央计算单元取代现在常用的分布式计算的架构,将实现“软件定义车辆”的**目标。再此过程 ECU的整合过程持续提升,应用程序完全从硬件中抽象出来,控制单元概念*终被智能节点计算网络接棒。

趋势 2.更高传输性能的以太网作为主干网络承担信息交换任务

以太网作为车内通信网络大势所趋。随车内数据传输总量及对传输速度要求持续提升,以及在跨行业的标准协议需求驱动下,支撑更多应用场景、更高速的以太网有望取代 CAN(主要用于车载控制数据传输,*大带宽 1MB/s)、LIN(低成本通用串行总线,主要用于车门、天窗及座椅控制)、Most(主要用于发数据包)等传统汽车车内通信网络成为车内通信网络。在对同样的 ECU 的软件进行更新时,CAN 模式下的传输时间是以太网的 30 倍。因此,以太网的运用趋势得到主流整车厂(如宝马、通用等)及半导体公司(如博通、恩智浦等)认可,均推出符合以太网的应用元件。未来趋势上,以太网并非能一蹴而就完全替代CAN、LIN,预计多种通信模式将在较长一段时间内共存——CAN、LIN 用于传感器和执行器等封闭低级网络间的数据传输;以太网(取代 MOST 等技术)用于域控制器及子部件间的信息交换。

趋势 3.OTA 空中升级模式普及

OTA 由特斯拉**,向全行业普及。由特斯拉*先推行的 OTA 升级功能模块能持续修复汽车软件缺陷、解决部分故障、解锁或引入新功能以满足用户需求,成为汽车软件发展的主流趋势。按照升级对象的不同,OTA 可分为 FOTA(硬件在线升级)、SOTA(软件在线升级)两个大类,其中 FOTA 主要针对基础硬件和汽车底层安全相关功能的升级需求,例如刹车系统、制动系统及 BMS 等;SOTA 主要对座舱娱乐系统进行升级。对 ECU 而言,其内部为备份软件准备了额外区域空间,以备当前运行程序出现故障或升级中发生断错误时自动滚回备份软件系统,防止车辆出现安全事故。

趋势 4.汽车在云端交换信息

更为灵活的云服务是 SDV 载体。从早期的机械时代过渡到目前的硬件时代,在进一步进化至未来的软件时代,汽车的功能实现方式持续演变,随着客户的个性化定制需求日益增加,加之云计算对智能、灵活和自动化的天然要求,由“软件定义”来操控硬件资源成为更合适的解决方案,未来大部分汽车功能在云端运行,为车企转型提供联接使能、数据使能、生态使能和演进使能。因此,在云计算的计算、存储和网络等各方面的基础设施上,均呈现出从软硬件捆绑,到硬件+闭源软件,再到白盒硬件+开源软件的演进趋势。而云服务也成为 AI、智能汽车、大数据等新兴科技实现商业化落地的载体(例如特斯拉在云服务载体上进行 OTA 升级)。近年来云服务市场实现爆发式增长,而车载环节尚处于发展初期,后续增量空间大。

趋势 5.信息安全领域需深层次防御

汽车电子的运用及智能网联化趋势推进车载信息安全要求提升。汽车脱离孤立单元后,随之而来的是攻击面的新增,一方面车辆联网后其数据面临被盗取、泄露风险,另一方面电控系统普及后存在转向、刹车等关键功能被外部控制的可能性(例如破解车机、T-Box、网管后,向 CAN 发送恶意指令)。即接入汽车控制终端的 APP、网络系统、ECU 代码均可能成为新攻击向量。云(车联网平台)-管(车联网基础设施)-端(车载智能及联网设备)均存在信息安全问题,将造成车辆功能性安全隐患:

(1)云端与管端:接送关键数据的中央互联网关直接连接至车企后台,部分第三方公司被允许数据访问。目前网联实现通常会通过 APP 实现应用层功能(例如解锁车门、调用空调功能等),此时存在手机端与云端的通信过程,且应用程序供应商能直接访问开放的相关数据接口。通过云端和对外通信管端能对车机端直接进行攻击。

(2)车机端:当功能系统被授权时,黑客能对CAN总线发送相关指令控制ECU。腾讯道恩实验室曾对特斯拉 Model S 进行过无物理破解实验,以 Wifi 热点接入向车载娱乐系统植入软件取得车机权限,在破解网关后能控制其多个电控单元。

为抵御外部攻击需建立深层次的安全防御系统,严控与功能安全及数据连接。汽车的防护措施随交互信息增多其力度持续提升。车企安全团队通常基于云-管-端对症建立安全防御系统以应对外部攻击:

(1)云端:车载终端是汽车安全架构的核心,主要注意 T-BOX(用于车端和外界通信)和 OBD(用于将汽车外部设备连接到 CAN 总线)两大块的信息防护。实时进行入侵检测,防止 DDos 攻击。

(2)管端:汽车在未来将频繁接入和退出网络节点,存在被篡改信息的风险。通常需要对通讯过程及传输数据进行加密,采用专门的 APN 接入网络。

(3)车机端:加强安全固件验签及防 root 机制,管理接口并建立监控体系。此外,可在车辆功能模块上单设安全芯片对数控进行校验。

部分第三方供应商能参与至信息安全环节。汽车安全防御对于以特斯拉、蔚来、小鹏等为代表的有互联网基因的造车新势力来说,拥有一定先天的优势。包括特斯拉在成立之初便组建了来自谷歌、微软等互联网企业的 40 人的网络安全专家,小鹏和蔚来与阿里、腾讯等互联网厂商进行深度合作,未来华为等供应商是此领域的预备军。目前网络安全系统仍缺乏标准的信息安全方案,原本的汽车软硬件供应商难以以统一标准满足不同整车厂的信息安全要求,并且在测试阶段很难直接接入车企平台进行网络安全试验。预计未来行业将有提供信息安全方案、网络安全模块以及某一特定领域防御系统的第三方软件供应商出现。

投资建议和推荐标的(详见报告原文)

百年汽车工业面临由机械机器向电子产品过渡的新变局,在我们看不到的隐秘角落——上百的电子控制单元循环执行软件代码功能块,通过高性能的中央计算单元,与硬件体系结合以解析驾驶员需求,逻辑运算后向机械部件发送相应响应指令。近年来,SDV(软件定义汽车)概念逐步被整车厂认知,根源在于“汽车如何体现差异化”问题的变迁,硬件体系将逐渐趋于一致,软件成为定义汽车的关键,即造车壁垒已经由从前的上万个零部件拼合能力演变成将上亿行代码组合运行的能力。

SDV 趋势下汽车软硬件分离重塑市场格局,盈利模式由硬件向持续赋予附加值的软件倾斜。主机厂愈发需具备软件的管理能力及核心软件设计能力,并引入供应商及互联网企业参与此环节,开发基础平台并收取许可费用、供应功能模块按汽车出货量 Royalty 收费及基于车企平台做定制化的二次开发均为未来主流的软件供应商盈利模式。预计 2030 年 500 亿美元市场空间,复合增速 9%。

汽车*终会成为搭载“差异化元素”的通用化平台。一方面,ECU 里的功能模块持续循环迭代的代码驱动汽车执行*适宜的动作反馈;另一方面,车载娱乐信息系统越发 APP 化吸引较多第三方***入场。海量数据在车内流转,其深层次的安全防御(检测和防御网络攻击)愈发重要。关于赋能域控制器、定位车机系统的各项软件性能升级,包括车内以太网应用、整车 OTA 升级、信息交互上云及深层次的信息安全防御等,或将带来一系列发展机遇。

……

(报告观点属于原作者,仅供参考。报告来源:国信证券)

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