Arkitekturens utveckling inom mjukvarudefinierade fordon

I övergången till programvarudefinierade fordon (SDV) genomgår den globala bilindustrin en omfattande omvandling. Från differentieringsstrategier till fordonsdesign och tillverkning – ingen del av värdekedjan förblir opåverkad av denna förändring. 

Lika genomgripande som denna övergång är, lika komplex och spännande är den arkitektoniska utveckling som ligger till grund för övergången till SDV:er – komplex eftersom den innebär ett betydande avsteg från de domänbaserade arkitekturerna som branschen är alltför väl bekant med, och spännande på grund av de oändliga möjligheter den öppnar upp för.

I avsnitten nedan kan du läsa om hur denna utveckling tar form under motorhuven, liksom inom branschen i stort – från forskning och utveckling till produktionsgolvet. 

Programvarans DNA är oförenligt med ECU-röran

Den traditionella, domänbaserade arkitekturen som en gång definierade fordonselektroniken börjar visa sin ålder. Historiskt sett har fordonens kapacitet utökats genom att lägga till domänspecifika ECU:er – en för bromsar, en annan för infotainment och ytterligare en för drivlinan. Uppskattningar tyder på att moderna fordon kanbestå av närmare 150 ECU:er. Men SDV-paradigmet kräver ett fundamentalt annorlunda DNA: ett som är Agile, skalbart och utformat för kontinuerlig utveckling.

I SDV:er är funktionaliteten mjukvarustyrd, inte hårdvarubunden. Den gamla utbredningen av ECU:er ökar kommunikationsfördröjningen, gör kabeldragningen omfattande och ökar tillverkningskomplexiteten. Detta står i strid med den modularitet och realtidsrespons som SDV:er kräver. Lösningen är zonbaserad arkitektur: att konsolidera beräkningarna till kraftfulla centrala plattformar, medan regionala zonkontroller hanterar lokaliserade sensor- och ställdonsdata.

Zonbaserade konstruktioner minskar kabelvikten dramatiskt, effektiviserar diagnostiken och standardiserar de elektroniska stamnäten mellan olika modeller och varianter. Detta minskar inte bara materialförteckningen (BOM) och monteringstiden, utan gör det också möjligt för OEM-tillverkare att skjuta upp variantspecifika hårdvarubeslut till ett senare skede i produktionen, vilket ger en oöverträffad flexibilitet. Under fordonets livscykel underlättar zonbaserade konstruktioner snabbare OTA-uppdateringar och modulära reparationer samt sänker den totala ägandekostnaden (TCO).

Med mindre variation i hårdvaran mellan utrustningsnivåer och modellår kan OEM-tillverkarna fördela FoU-kostnaderna över flera fordon och till och med anpassa konfigurationer sent i produktionscykeln utan att behöva omkonstruera hela fordonet.

Omkonstruktion av fordonet för en ny elektronik- och mjukvarustack

Zonarkitekturen eliminerar en stor del av de logiska och fysiska flaskhalsarna som är oförenliga med SDV:er. Denna nya plan kompletteras av en ny elektronik- och mjukvarubas, som är uppbyggd kring högpresterande datorer (HPC), virtualisering och skiktade abstraktioner. ECU:er ersätts av zonbaserade gateways och centraliserade beräkningskluster som kör ett realtidsoperativsystem (för säkerhetskritiska slingor) och ett allmänt operativsystem (för icke-kritiska tjänster och databehandling).

Vanligtvis utnyttjas virtualisering för att partitionera CPU- och GPU-resurser för att köra isolerade arbetsbelastningar, såsom ADAS-perception, motorrespons och infotainment i förarhytten. I/O-virtualisering ger varje virtuell maskin (VM) nästan native åtkomst till sensorer och ställdon med latens på millisekundnivå. Hårdvaruabstraktionslager och mellanprogramvara exponerar sedan enhetliga API:er, så att utvecklare kan skriva portabla mikrotjänster istället för att skriva om enhetsdrivrutiner för varje chip.

Denna stack ger tre viktiga fördelar: deterministisk prestanda för säkerhetsfunktioner, snabb OTA-distribution av funktioner och flexibiliteten att återanvända programvara mellan olika fordonsserier. Med dessa obestridliga fördelar kommer denna nya stack att utlösa en omorganisation genom hela värdekedjan inom fordonsindustrin. OEM-tillverkare, Tier 1-leverantörer och halvledartillverkare kommer att utvecklas från transaktionsparter till samarbetspartners inom Innovation. I detta samarbetsinriktade ekosystem fokuserar hårdvarutillverkarna på prestanda och säkerhetscertifiering, medan OEM-tillverkarna och mjukvaruföretagen kontinuerligt vidareutvecklar funktionerna.

Tjänster som drivkraft: SOA som den nya motorn för digital mobilitet

Serviceorienterad arkitektur (SOA) passar perfekt ihop med zonbaserade SDV-konstruktioner och skapar ordning i mjukvarustacken genom att tydligt separera infrastruktur, applikation och presentation. I grunden behandlar SOA varje funktion, såsom ruttplanering, batterihantering och röststyrning, som en oberoende tjänst som kommunicerar via väldefinierade middleware-kanaler snarare än monolitiska ECU-bussar.

I denna trelagersmodell hanterar infrastrukturlagret hårdvaruabstraktion, virtualisering och middleware för dataroutning. Det samordnar HPC-resurser och säkra meddelandebussar, vilket säkerställer att varje tjänst får de CPU-cykler, det minne och de sensordata den behöver. Det finns inget behov av att skriva om drivrutiner för varje kiselvariant.

Ovanför detta kör applikationslagret separata mikrotjänster: ADAS-algoritmer, energioptimeringsrutiner, OTA-uppdateringshanterare och appar från tredje part. Varje tjänst kan versionshanteras, skalas eller återställas oberoende av de andra, vilket påskyndar lanseringen av funktioner och underlättar felsökning. Här hanterar mellanprogramvaran resursallokering, tjänsteupptäckt och end-to-end-kryptering, så att säkerhetskritiska slingor förblir deterministiska medan icke-kritiska tjänster utvecklas i samma takt som uppstarten.

Slutligen sammanfogar presentationslagret dessa tjänster till en sammanhängande användarupplevelse. Eftersom UI-komponenterna använder samma tjänste-API:er kan OEM-tillverkarna uppdatera instrumentpaneler eller införa nya HMI-paradigm utan att behöva ändra fordonets kärnlogik.

Genom att satsa på tjänster övergår biltillverkare, Tier 1-leverantörer och mjukvarupartners från rigida leveranskedjor till en kooperativ plattformsekonomi, där allas tjänster kopplas in i ett gemensamt middleware-chassi. 

Framtiden är närmare än den verkar

År 2030 kommer mjukvarans andel av fordonets BOM att stiga från under10 % till 50%. Denna kraftiga ökning kommer att förvandla bilar till ständigt utvecklade digitala plattformar – tänk på appmarknadsplatser, prenumerationer på funktioner och OTA-uppdateringar varannan vecka. OEM-tillverkarna kommer att konkurrera mer om kodkvalitet än om hästkrafter i takt med att hårdvaran blir en massvara. I denna verklighet, som är mycket närmare än den verkar (investerare belönar redan de somsatsar på övergången till SDV:er), kommer utvecklingscyklerna att förkortas från år till månader, och globala strategiska partnerskap inom mjukvara, halvledare och mobilitet kommer att avgöra vilka som blir marknadsledare.