2020年中國(guó)域控制器產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展機(jī)遇及行業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析[圖]

    一、域控制器產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)遇

    域控制器（DCU，DomainControlUnit）的概念最早是由以博世、大陸為首的Tier1提出，它的出現(xiàn)是為了解決信息安全，以及ECU瓶頸的問(wèn)題。域控制器因?yàn)橛袕?qiáng)大的硬件計(jì)算能力與豐富的軟件接口支持，使得更多核心功能模塊集中于域控制器內(nèi)，系統(tǒng)功能集成度大大提高，這樣對(duì)于功能的感知與執(zhí)行的硬件要求降低。加之?dāng)?shù)據(jù)交互的接口標(biāo)準(zhǔn)化，會(huì)讓這些零部件變成標(biāo)準(zhǔn)零件，從而降低這部分零部件開(kāi)發(fā)/制造成本。也就是說(shuō)，外圍零件只關(guān)注本身基本功能，而中央域控制器關(guān)注系統(tǒng)級(jí)功能實(shí)現(xiàn)。

    由于要完成大量運(yùn)算，域控制器一般都要配備一個(gè)運(yùn)算力強(qiáng)大的核心處理器，能夠提供對(duì)智能座艙和不同級(jí)別自動(dòng)駕駛算力的支持，業(yè)內(nèi)有NVIDIA、英飛凌、瑞薩、TI、NXP、Mobileye等多個(gè)方案。利用處理能力強(qiáng)大的多核CPU/GPU芯片相對(duì)集中的去控制每個(gè)域，以取代以前的分布式汽車(chē)電子電氣架構(gòu)（EEA）。

    隨著汽車(chē)E/E架構(gòu)的演變進(jìn)化，主機(jī)廠和汽車(chē)電子供應(yīng)商的供應(yīng)關(guān)系正發(fā)生深刻變革。由于汽車(chē)電子硬件走向集中化的趨勢(shì)，汽車(chē)電子供應(yīng)商數(shù)量將減少，同時(shí)域控制器供應(yīng)商將更加重要。

    縱觀整個(gè)域控制器產(chǎn)業(yè)，近兩年中國(guó)企業(yè)的崛起是一大特色，譬如德賽西威、百度、東軟、海高汽車(chē)、布谷鳥(niǎo)、環(huán)宇智行、知行科技等。目前這些國(guó)內(nèi)域控制器研發(fā)企業(yè)的客戶(hù)主要是新興造車(chē)企業(yè)和非一線傳統(tǒng)車(chē)企。

    從生產(chǎn)流程來(lái)看，汽車(chē)電子控制器產(chǎn)業(yè)鏈主要經(jīng)歷了：晶圓生產(chǎn)、（芯片）封裝測(cè)試及系統(tǒng)應(yīng)用（MCU及各類(lèi)控制器等）。上游核心產(chǎn)品芯片，決定了域控制器的核心計(jì)算能力，芯片設(shè)計(jì)層面主要由海外壟斷，晶圓代工和封裝測(cè)試層面大部分國(guó)產(chǎn)化半導(dǎo)體龍頭企業(yè)具備實(shí)力；中游核心產(chǎn)品MCU（海外為主），PCB板（國(guó)產(chǎn)化率較高）、無(wú)源器件（一定程度國(guó)產(chǎn)化）；下游控制器總成廠商主要是全球零部件巨頭企業(yè)領(lǐng)先，近年來(lái)國(guó)內(nèi)部分上市公司和初創(chuàng)企業(yè)逐漸實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品研發(fā)和訂單斬獲。

    域控制器硬件拆解

    域控制器（DCU）的底層硬件仍然是汽車(chē)電子控制單元（即ECU），只是相較于ECU而言，DCU的處理器算力更強(qiáng)、接口數(shù)目更多，軟件方法更新。但DCU和ECU外觀相似，硬件結(jié)構(gòu)基本一致。

    ECU和DCU硬件結(jié)構(gòu)大同小異。如果拆解ECU和DCU后會(huì)發(fā)現(xiàn)，二者都是由印刷電路板、密封性金屬外殼、支架、散熱組件（風(fēng)冷或水冷）等構(gòu)成。大部分ECU電路結(jié)構(gòu)大同小異，控制功能的變化主要依賴(lài)于軟件及輸入輸出模塊的變化，隨控制系統(tǒng)完成任務(wù)的不同而存在差異。

    汽車(chē)電子控制系統(tǒng)主要包括傳感器-ECU-執(zhí)行器。汽車(chē)電子控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件有電子控制單元（ECU）及其接口、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示機(jī)構(gòu)等；軟件存儲(chǔ)在ECU中支配電子控制系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)測(cè)控功能。

    汽車(chē)電子控制系統(tǒng)工作原理

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    汽車(chē)電子控制系統(tǒng)工作原理：輸入-轉(zhuǎn)換-處理-輸出。

    在輸入處理電路中，ECU的輸入信號(hào)主要有三種形式，模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)(包括開(kāi)關(guān)信號(hào))、脈沖信號(hào)。模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)提供給微處理器。控制系統(tǒng)要求模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換具有較高的分辨率和精度(>10位)。為了保證測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采樣間隔一般要求小于4ms。數(shù)字信號(hào)需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換，得到計(jì)算機(jī)接受的信號(hào)。對(duì)超過(guò)電源電壓、電壓在正負(fù)之間變化、帶有較高的振蕩或噪聲、帶有波動(dòng)電壓等輸入信號(hào)，輸入電路也對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

    在微處理器中，首先完成傳感器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、周期脈沖信號(hào)測(cè)量和其它有關(guān)汽車(chē)行駛狀態(tài)信號(hào)的輸入處理，然后計(jì)算并控制所需的輸出值，按要求適時(shí)地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制信號(hào)。過(guò)去微處理器多數(shù)是8位和l6位的，也有少數(shù)采用32位的?，F(xiàn)在多用16位和32位機(jī)。

    在輸出電路中，微處理器輸出的信號(hào)往往用作控制電磁閥、指示燈、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行件。微處理器輸出信號(hào)功率小，使用+5v的電壓，汽車(chē)上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源大多數(shù)是蓄電池，需要將微處理器的控制信號(hào)通過(guò)輸出處理電路處理后再驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在電源電路中，傳統(tǒng)車(chē)的ECU一般帶有電池和內(nèi)置電源電路，以保證微處理器及其接口電路工作在+5v的電壓下。即使在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況等使汽車(chē)蓄電池電壓有較大波動(dòng)時(shí)，也能提供+5v的穩(wěn)定電壓，從而保證系統(tǒng)的正常工作，而電動(dòng)汽車(chē)一般由蓄電池供電。

    ECU就是由MCU和外圍電路組成。ECU作為汽車(chē)電子控制系統(tǒng)的核心部分，是嵌入式系統(tǒng)裝置，一般由中央處理機(jī)（CPU），存儲(chǔ)器（擴(kuò)展內(nèi)存），擴(kuò)展IO口，CAN/LIN總線收發(fā)控制器，A/DD/A轉(zhuǎn)換口（有時(shí)集成在CPU中），PWM脈寬調(diào)制，PID控制，電壓控制，看門(mén)狗，散熱片，和其他一些電子元器件組成，特定功能的ECU還帶有諸如紅外線收發(fā)器、傳感器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器，脈沖發(fā)生器，脈沖分配器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，放大單元，強(qiáng)弱電隔離等元器件。

    整塊電路板設(shè)計(jì)安裝與一個(gè)鋁質(zhì)盒內(nèi)，通過(guò)卡扣或者螺釘方便安裝于車(chē)身鈑金上。ECU一般采用通用且功能集成，開(kāi)發(fā)容易的CPU；軟件一般用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，并且提供了豐富的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)和函數(shù)庫(kù)，有編程器，仿真器，仿真軟件，還有用于calibration的軟件。

    簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，ECU就是由微控制器（MCU）和外圍電路組成。微控制器-MCU（MicroControllerUnit），又稱(chēng)單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)），就是在一塊芯片上集成了中央處理機(jī)（CPU），存儲(chǔ)器（ROM）和輸入／輸出接口的單元。ECU的主要部分是MCU，而核心部件是CPU。

    ECU結(jié)構(gòu)拆解

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    二、域控制器產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?/p>

    1）硬件部分，汽車(chē)電子控制器硬件的核心在于微控制器（MCU）。MCU=CPU+存儲(chǔ)+接口單元，CPU即芯片的一種類(lèi)別。

    從生產(chǎn)流程來(lái)看，汽車(chē)電子控制器產(chǎn)業(yè)鏈主要經(jīng)歷了：晶圓生產(chǎn)、（芯片）封裝測(cè)試及系統(tǒng)應(yīng)用（MCU及各類(lèi)控制器等）。晶圓的原始材料是硅，通過(guò)純化、融解、注入籽晶、拉出成單晶硅晶棒、硅晶棒再經(jīng)過(guò)切段，滾磨，切片，倒角，拋光，激光刻，包裝后，即成為積體電路工廠的基本原料——硅晶圓片，即晶圓，也就是芯片制作的原料；芯片廠收到晶圓后，通過(guò)使用化學(xué)、電路光刻制版技術(shù)，將晶體管蝕刻到硅晶圓之上，蝕刻完成后將單個(gè)的芯片一塊塊地從晶圓上切割下來(lái)，并進(jìn)行封裝測(cè)試，這一步芯片制作完成；將發(fā)去下游的控制器制造廠SMT產(chǎn)線上，進(jìn)行PCBA（印刷電路板）。將需要的各種芯片貼裝到電路板上，最后進(jìn)行Housing（外殼組裝）

汽車(chē)電子控制器產(chǎn)業(yè)鏈

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    結(jié)來(lái)看，汽車(chē)電子控制器（DCU/ECU等）產(chǎn)業(yè)鏈上游在于芯片制造（芯片設(shè)計(jì)-晶圓生產(chǎn)-封裝測(cè)試），中游為智能控制器設(shè)計(jì)制造（SMT貼片，整合無(wú)源器件和PCB板），下游是汽車(chē)電子終端產(chǎn)品（嵌入式代碼）。產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)從上至下包括芯片設(shè)計(jì)方、晶圓制造方、外包封測(cè)企業(yè)、垂直整合芯片制造商、無(wú)源器件、電路板（PCB板）、MCU廠商、域控制器廠商。

域控制器產(chǎn)業(yè)鏈一覽

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    上游芯片端——域控制器上游的芯片直接反映了技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品性能，國(guó)內(nèi)在晶圓代工和封裝測(cè)試方面都有一定的積累，但在芯片設(shè)計(jì)方面尚較為空白，而這正是國(guó)內(nèi)外汽車(chē)控制器差距所在。

芯片產(chǎn)業(yè)鏈及主要廠商梳理

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    2019年全球前十大IC設(shè)計(jì)公司營(yíng)收情況（單位：百萬(wàn)美元）

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2018年國(guó)內(nèi)前10大IC設(shè)計(jì)廠商（單位：億元人民幣）

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    游MCU（微型控制器）端——域控制器中游環(huán)節(jié)主要是微控制單元（MCU），又稱(chēng)單片微型計(jì)算機(jī)或單片機(jī)，是把CPU（中央處理器）的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存、計(jì)數(shù)器、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動(dòng)電路都整合在單一芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。MCU可以視為一個(gè)小型的控制器，大多數(shù)ECU會(huì)基于多個(gè)MCU、PCB板進(jìn)行更為復(fù)雜的控制功能設(shè)計(jì)。

    中國(guó)汽車(chē)電子市場(chǎng)MCU競(jìng)爭(zhēng)格局

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    中游PCB端——PCB（印刷電路板）是汽車(chē)控制器內(nèi)部元器件電氣連接的載體，主要材料是覆銅板，當(dāng)前國(guó)產(chǎn)化率較高，中國(guó)PCB廠商在全球占據(jù)重要地位。

全球/國(guó)內(nèi)排名前20的PCB廠商

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    智研咨詢(xún)發(fā)布的《2020-2026年中國(guó)集成電路制造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀及投資發(fā)展研究報(bào)告》顯示：車(chē)用PCB板是PCB行業(yè)的重要應(yīng)用，2017年中國(guó)PCB市場(chǎng)下游應(yīng)用最多的三個(gè)領(lǐng)域分別是通信電子、汽車(chē)電子、消費(fèi)電子，分別占據(jù)了35%、16%和15%的應(yīng)用比例。汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化將加速汽車(chē)電子化的進(jìn)程。預(yù)測(cè)2018至2023年汽車(chē)智能化中最重要的ADAS年均成長(zhǎng)率為17%。2017年全球汽車(chē)電子產(chǎn)值約1950億美元，每車(chē)的汽車(chē)電子價(jià)值占比預(yù)計(jì)為30%，到2030年每車(chē)的汽車(chē)電子價(jià)值占比預(yù)計(jì)增加到50%，汽車(chē)電子化程度的不斷加深將增加更多的高散熱、高多層、高密度PCB的需求。

中國(guó)PCB市場(chǎng)下游應(yīng)用分布

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    國(guó)內(nèi)PCB核心廠商中，汽車(chē)業(yè)務(wù)比例較高的主要有依頓電子、滬電股份、景旺電子、世運(yùn)電路和崇達(dá)技術(shù)，車(chē)用PCB業(yè)務(wù)比例分別達(dá)到了39%、36%、23%、23%和12%。

國(guó)內(nèi)主要PCB廠商汽車(chē)業(yè)務(wù)營(yíng)收

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國(guó)內(nèi)主要PCB廠商汽車(chē)業(yè)務(wù)營(yíng)收占比

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    下游客戶(hù)包括了法雷奧、德?tīng)柛！⒉┦馈⒋箨?、小糸等?guó)際主流TIER1和特斯拉等國(guó)際整車(chē)企業(yè)。

國(guó)內(nèi)主要PCB廠商汽車(chē)業(yè)務(wù)梳理

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    盈利能力來(lái)看，景旺電子、依頓電子和崇達(dá)技術(shù)三家PCB企業(yè)相對(duì)較為領(lǐng)先，整體毛利率均在30%以上，整體凈利率均在15%以上。

    國(guó)內(nèi)主要汽車(chē)PCB廠商整體毛利率對(duì)比

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    國(guó)內(nèi)主要汽車(chē)PCB廠商整體凈利率對(duì)比

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    中游無(wú)源器件端——無(wú)源器件分為RCL和射頻元器件兩大類(lèi)，其中RCL約占無(wú)源器件的90%，在RCL中，電容、電阻和電感是三種主要類(lèi)型。電容的主要功能是旁路、去耦、濾波和儲(chǔ)能，產(chǎn)值約占無(wú)源器件整體的66%；電感的主要功能是濾波、穩(wěn)流和抗電磁干擾，產(chǎn)值占比約14%；電阻的主要功能是分壓、分流、濾波和阻抗匹配，產(chǎn)值占比約9%。

    無(wú)源器件細(xì)分品類(lèi)占比

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    電容器（capacitor）主要包括陶瓷電容、鋁電解、鉭電解、薄膜電容等，其中陶瓷電容可以做到更小的體積、更大的電壓范圍，更低廉的價(jià)格，在整個(gè)電容器領(lǐng)域占比約50%，陶瓷電容器中又以MLCC（片式多層陶瓷電容器）為主導(dǎo)（占比超90%）。MLCC按出貨量排名，全球MLCC廠商包括日本村田制作所、韓國(guó)三星電機(jī)、中國(guó)臺(tái)灣國(guó)巨、日本太陽(yáng)誘電、TDK等；而在中國(guó)大陸，MLCC廠商主要有風(fēng)華高科、火炬電子、三環(huán)集團(tuán)、宇陽(yáng)及鴻遠(yuǎn)電子等。

    全球MLCC品牌競(jìng)爭(zhēng)格局

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    下游域控制器總成端——域控制器總成的領(lǐng)先企業(yè)主要包括博世、電裝、大陸、TTTech、Aptiv、偉世通等國(guó)際TIER1巨頭，其中奧地利企業(yè)TTTech的自動(dòng)駕駛域控制器和奧迪A8和上汽進(jìn)行深度合作，偉世通的座艙域控制器已經(jīng)在吉利、奔馳等車(chē)企進(jìn)行裝配量產(chǎn)；國(guó)內(nèi)以德賽西威為代表的零部件企業(yè)在座艙域和自動(dòng)駕駛域方面近年來(lái)也和部分造車(chē)新勢(shì)力企業(yè)（車(chē)和家、小鵬汽車(chē)等）建立了配套關(guān)系，其余的域控制器布局企業(yè)還有華為、東軟睿馳、合眾汽車(chē)、布谷鳥(niǎo)、百度、環(huán)宇智行、知行科技、海高汽車(chē)、領(lǐng)目科技等等。

典型座艙域控制器廠商及其方案和客戶(hù)

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    在自動(dòng)駕駛域控制器領(lǐng)域，預(yù)計(jì)未來(lái)Tier1與整車(chē)廠之間將采取兩種合作方式。其一，Tier1負(fù)責(zé)中間層以及硬件生產(chǎn)，整車(chē)廠負(fù)責(zé)自動(dòng)駕駛軟件部分。Tier1的優(yōu)勢(shì)在于以合理的成本將產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)并且加速產(chǎn)品落地，因此整車(chē)廠和Tier1進(jìn)行合作生產(chǎn)方式是必然，前者負(fù)責(zé)自動(dòng)駕駛軟件部分，后者負(fù)責(zé)硬件生產(chǎn)、中間層以及芯片方案整合，比如德賽西威IPU03S。

    其二，Tier1自己與芯片商合作，做方案整合后研發(fā)中央域控制器并向整車(chē)廠銷(xiāo)售，例如大陸ADCU、采埃孚ProAI、麥格納MAX4

    （2）軟件部分，軟件算法是汽車(chē)電子控制器的另外一個(gè)核心。汽車(chē)軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和一系列實(shí)用程序，一般由處理器芯片廠家提供。

    應(yīng)用軟件包括：數(shù)據(jù)采集與過(guò)程監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制算法模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊、故障自我診斷模塊。

    隨著汽車(chē)智能化的不斷提高，軟件系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，整個(gè)汽車(chē)軟件代碼行數(shù)在1000萬(wàn)以上，軟件價(jià)值占比不斷上升，開(kāi)發(fā)成本占汽車(chē)電子系統(tǒng)總成本的一半以上，重要性凸顯。

    域控制器帶來(lái)的硬件升級(jí)和附加軟件機(jī)遇

    汽車(chē)電子控制器產(chǎn)業(yè)鏈，從硬件上來(lái)看，決定各類(lèi)控制器功能的核心在于芯片端，域控制器相較于普通ECU而言，在硬件層面：域控制器芯片端發(fā)生了1）從原有的16Bit單核處理器升級(jí)到多核處理器；2）算力從低到高升級(jí)；3）芯片功能從標(biāo)準(zhǔn)到定制芯片（簡(jiǎn)單到復(fù)雜功能）升級(jí)。此外還有更多的（傳感器）輸入接口，更為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱與電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)。

    1）芯片從單核升級(jí)到多核處理器

    十年前，大多數(shù)汽車(chē)電子控制單元一般為16Bit單核處理器，一輛汽車(chē)上平均MCU個(gè)數(shù)不足10個(gè)，而現(xiàn)在一輛車(chē)的MCU超過(guò)了100個(gè)，高端汽車(chē)的MCU甚至達(dá)到了300個(gè)。MCU數(shù)量迅速增長(zhǎng)下，會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。智能汽車(chē)ADAS功能越來(lái)越復(fù)雜，ECU性能面臨瓶頸。

    域控制器要想利用其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力為龐大的汽車(chē)軟件集中運(yùn)算提供幫助，就需要用到復(fù)雜的多核電控單元。對(duì)ECU框架進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)汽車(chē)電子部件功能將整車(chē)劃分為動(dòng)力總成，車(chē)輛安全，車(chē)身電子，智能座艙和智能駕駛等幾個(gè)域，利用處理能力更強(qiáng)的多核CPU/GPU芯片相對(duì)集中的去控制每個(gè)域，以取代目前的分布式汽車(chē)電子電氣架構(gòu)（EEA）。

表23：?jiǎn)魏撕投嗪颂幚砥鲗?duì)比

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    2）芯片算力從低到高升級(jí)

    隨著汽車(chē)智能化的發(fā)展，座艙域和智能駕駛域?qū)ζ?chē)處理器性能的要求越來(lái)越高。根據(jù)地平線的數(shù)據(jù)，自動(dòng)駕駛等級(jí)每提高一級(jí)，算力就增加一個(gè)數(shù)量級(jí)；L2級(jí)別需要2個(gè)TOPS的算力，L3需要24個(gè)TOPS的算力，L4為320TOPS，L5為4000+TOPS。

自動(dòng)駕駛L1-L5需要的算力

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    3）芯片功能從標(biāo)準(zhǔn)到定制化升級(jí)

    汽車(chē)計(jì)算芯片主要包括三種典型產(chǎn)品：ASSP（專(zhuān)用應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，比如CPU、GPU）、ASIC（專(zhuān)用芯片）和FPGA。當(dāng)前主流的域控制器處于多核CPU/GPU芯片階段，隨著人工智能計(jì)算的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的CPU、GPU已經(jīng)開(kāi)始難以滿(mǎn)足越來(lái)越多新的需求，在能效上也處于劣勢(shì)。而半定制的FPGA和定制型的ASIC將迎來(lái)高速的發(fā)展。

    第一階段：從以CPU（通用計(jì)算）為核心的ECU轉(zhuǎn)變?yōu)橐訥PU（高性能計(jì)算）為核心的智能輔助駕駛芯片。

    汽車(chē)電子發(fā)展的初期階段，ECU主要是用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作，為保證傳感器ECU-控制器回路的穩(wěn)定性，采用ECU與傳感器對(duì)應(yīng)的分布式架構(gòu)。后來(lái)隨著車(chē)輛的電子化程度逐漸提高，ECU占領(lǐng)了整個(gè)汽車(chē)，從防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、4輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電控自動(dòng)變速器、主動(dòng)懸架系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)，到現(xiàn)在逐漸延伸到了車(chē)身各類(lèi)安全、網(wǎng)絡(luò)、娛樂(lè)、傳感控制系統(tǒng)等。

    隨著汽車(chē)電子化的發(fā)展，車(chē)載傳感器數(shù)量越來(lái)越多，傳感器與ECU一一對(duì)應(yīng)使得車(chē)輛整體性下降，線路復(fù)雜性也急劇增加，此時(shí)DCU（域控制器）和MDC（多域控制器）等更強(qiáng)大的中心化架構(gòu)逐步替代了分布式架構(gòu)。將整車(chē)劃分為動(dòng)力總成，車(chē)輛安全，車(chē)身電子，智能座艙和智能駕駛等幾個(gè)域，利用多核CPU/GPU芯片相對(duì)集中的去控制每個(gè)域。

    GPU和CPU最大的區(qū)別是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及不同結(jié)構(gòu)形成的不同功能。CPU的邏輯控制功能強(qiáng)，可以進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，并且延時(shí)低，可以高效處理復(fù)雜的運(yùn)算任務(wù)。而GPU邏輯控制和緩存較少，使得每單個(gè)運(yùn)算單元執(zhí)行的邏輯運(yùn)算復(fù)雜程度有限，但并列大量的計(jì)算單元，可以同時(shí)進(jìn)行大量較簡(jiǎn)單的運(yùn)算任務(wù)。此外，CPU的核心數(shù)量只有幾個(gè)（不超過(guò)兩位數(shù)），每個(gè)核都有足夠大的緩存和足夠多的數(shù)字和邏輯運(yùn)算單元，并輔助很多復(fù)雜的計(jì)算分支。而GPU的運(yùn)算核心數(shù)量則可以多達(dá)上百個(gè)（流處理器），每個(gè)核擁有的緩存大小相對(duì)小，數(shù)字邏輯運(yùn)算單元也少而簡(jiǎn)單。

CPUVSGPU

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    第二階段：從ASSP（專(zhuān)用應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，CPU/GPU）到FPGA（半定制）、ASIC（定制化）。

    摩爾定律使AI芯片性能增加速度越來(lái)越飽和，起作用的過(guò)程也正在放緩。用于通用計(jì)算的CPU和用于高性能計(jì)算的GPU在AI計(jì)算能效上也開(kāi)始處于劣勢(shì)，下一代計(jì)算越來(lái)越需要異構(gòu)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的CPU、GPU已經(jīng)開(kāi)始難以滿(mǎn)足越來(lái)越多的新的需求，半定制的FPGA和定制型的ASIC被各大AI公司青睞。其中ASIC具備體積小、功耗低、計(jì)算性能高、計(jì)算效率高等優(yōu)勢(shì)，大公司如谷歌、阿里也在出芯片，眾多創(chuàng)業(yè)公司都在做各種各樣的ASIC，希望在特定的定制領(lǐng)域提供一些場(chǎng)景和應(yīng)用。但由于ASIC在很多領(lǐng)域都還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的算法，需要針對(duì)特定算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅不能修改，而且生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)一至兩年（18-24個(gè)月）。故在全定制的自動(dòng)駕駛芯片成熟之前，半定制的FPGA是較佳選擇。

    FPGA的核心優(yōu)點(diǎn)在于可編程靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短，F(xiàn)PGA可隨意定制內(nèi)部邏輯的陣列，并且可以在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行即時(shí)編程，以修改內(nèi)部的硬件邏輯，從而實(shí)現(xiàn)任意邏輯功能。形象點(diǎn)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的ASIC等于一張出廠時(shí)就寫(xiě)有數(shù)據(jù)且不可擦除的CD，用戶(hù)只需要放到CD播放器就可以看到起數(shù)據(jù)或聽(tīng)到音樂(lè);而FPGA是一張出廠時(shí)的空白的CD，需要用戶(hù)自己使用刻錄機(jī)燒寫(xiě)數(shù)據(jù)內(nèi)容到盤(pán)里，并且還可以擦除上面的數(shù)據(jù)，反復(fù)刻錄。

FPGA和ASIC成本和開(kāi)發(fā)周期對(duì)比

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    在軟件層面：域控制器1）形成了多核異構(gòu)集成平臺(tái)；2）感知層面融合算法和交叉驗(yàn)證；3）支持更靈活高速的通信網(wǎng)絡(luò)（CAN疊加以太網(wǎng)）；4）新建高級(jí)網(wǎng)關(guān)；5）Autosar架構(gòu)；6）安全機(jī)制要求更高（ASILD級(jí)別）；7）支持OTA升級(jí)。

域控制器典型的系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格

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    1）各軟件組件的集成平臺(tái)：基于復(fù)雜接口、更高算力和多核處理器芯片，域控制器建立了一個(gè)集成平臺(tái)，兼AI感知、融合、決策控制一體化平臺(tái)型架構(gòu)，靈活支持客戶(hù)定制化的系統(tǒng)配置、傳感器組合、通訊接口與協(xié)議等

    2）多傳感器融合算法：感知層面采用多冗余與交叉驗(yàn)證機(jī)制，保證目標(biāo)檢出可信度；決策層面采用先進(jìn)狀態(tài)估計(jì)與判斷算法，準(zhǔn)確判斷動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，在邊緣處理器側(cè)即可實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)層面的高效融合與處理。

自動(dòng)駕駛域控制器典型的傳感器通道

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    3）車(chē)內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)關(guān)升級(jí)：當(dāng)前CAN，LIN代表著傳統(tǒng)汽車(chē)車(chē)內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，但CAN最大1MB/s的帶寬以及非確定性的Message傳輸時(shí)間，在高算力和高度融合的域控制器階段有所不足，未來(lái)更高速、更開(kāi)放的以太網(wǎng)有望取代CAN成為骨干網(wǎng)絡(luò)，和CAN等傳統(tǒng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)共存。也就是說(shuō)，①在車(chē)身控制域內(nèi)部，各部件通過(guò)CAN、LIN溝通實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享（類(lèi)似于傳統(tǒng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）；②在娛樂(lè)子網(wǎng)中，娛樂(lè)域控制器與其子部件的通信將通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)；③當(dāng)一個(gè)域需要與其他域交換信息時(shí)則經(jīng)由網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)路由實(shí)現(xiàn)。

車(chē)載通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)趨勢(shì)

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常見(jiàn)的車(chē)載通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

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    4）AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)：AUTOSAR是全球各大汽車(chē)整車(chē)廠、汽車(chē)零部件供應(yīng)商、汽車(chē)電子軟件系統(tǒng)公司聯(lián)合擬定的一個(gè)符合汽車(chē)電子軟件開(kāi)發(fā)的、開(kāi)放的以及標(biāo)準(zhǔn)化的軟件架構(gòu)。該架構(gòu)旨在改善汽車(chē)電子系統(tǒng)軟件的更新與交換，同時(shí)更方便有效地管理日趨復(fù)雜的汽車(chē)電子軟件系統(tǒng)。AUTOSAR規(guī)范的運(yùn)用使得不同結(jié)構(gòu)的電子控制單元的接口特征標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)用軟件具備更好的可擴(kuò)展性以及可移植性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)有軟件的重用，大大降低了重復(fù)性工作，縮短開(kāi)發(fā)周期。

    5）系統(tǒng)安全升級(jí)：ISO26262是汽車(chē)電氣／電子系統(tǒng)相關(guān)的“功能安全”國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，于2011年11月正式發(fā)布第一版本，于2018年12月發(fā)布修訂后的第二版。

    ISO26262采用車(chē)輛安全完整性等級(jí)（ASIL）來(lái)判斷系統(tǒng)的功能安全程度，ASIL由ASILA（最低）、ASILB、ASILC及ASILD（最高）四個(gè)等級(jí)組成，ASIL等級(jí)越高表示系統(tǒng)的功能安全評(píng)估越嚴(yán)格,相應(yīng)的表示系統(tǒng)正確執(zhí)行安全功能，或者說(shuō)的避免該功能出錯(cuò)的概率越高，即系統(tǒng)的安全可靠性越高。域控制器作為范圍內(nèi)核心計(jì)算平臺(tái)，牽一發(fā)而制全身，功能安全要求更高，功能安全目標(biāo)多數(shù)在ASILD等級(jí)（最高安全等級(jí)）。

    6）更為高效的OTA升級(jí)：模塊越少、系統(tǒng)越統(tǒng)一越容易實(shí)現(xiàn)整車(chē)OTA，域控制器更為集中的EEA架構(gòu)將車(chē)內(nèi)各個(gè)分散的ECU部件的控制功能集成在一個(gè)DCU中，僅對(duì)DCU進(jìn)行控制功能進(jìn)行更新升級(jí)完成OTA，同時(shí)規(guī)避了各ECU的不同傳輸協(xié)議和兼容性風(fēng)險(xiǎn)，減少了每個(gè)ECU進(jìn)行安全性確認(rèn)防篡改的工作量。

    特斯拉作為車(chē)輛OTA升級(jí)的鼻祖，一定程度上就是得益于其DCU組件的電子電氣架構(gòu)。

    三、域控制器的未來(lái)發(fā)展

    隨著車(chē)載傳感器數(shù)量越來(lái)越多，傳感器與ECU一一對(duì)應(yīng)使得車(chē)輛整體性能下降，線路復(fù)雜性也急劇增加，DCU（域控制器）和MDC（多域控制器）等更強(qiáng)大的中心化架構(gòu)將逐步替代了分布式架構(gòu)。

    在域控制器發(fā)展趨勢(shì)上，Vector將汽車(chē)電子電氣架構(gòu)發(fā)展分為三個(gè)階段：以控制器為中心的階段、域控制器階段、中央計(jì)算機(jī)階段。最終，智能汽車(chē)將將成為一部移動(dòng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)兼數(shù)據(jù)中心，并將誕生新的Wintel。未來(lái)高級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)時(shí)代的核心技術(shù)將是計(jì)算平臺(tái)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，同時(shí)，多媒體多域控制器則有可能和中央域控制器合二為一。

    汽車(chē)電子電氣架構(gòu)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：SOA構(gòu)駕的超級(jí)中央計(jì)算機(jī)

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    從汽車(chē)發(fā)展歷史上看，汽車(chē)電子已經(jīng)成為汽車(chē)控制系統(tǒng)中最為重要的支撐基礎(chǔ)。2016年汽車(chē)電子市場(chǎng)規(guī)模2716億元，2018年汽車(chē)電子市場(chǎng)規(guī)模超6000億元。隨著新能源車(chē)、無(wú)人駕駛、車(chē)載信息系統(tǒng)技術(shù)日漸成熟，未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)將沿著智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及深度電子化方向發(fā)展。當(dāng)前汽車(chē)電子已經(jīng)進(jìn)入新一輪技術(shù)革新周期，汽車(chē)電子滲透率及單車(chē)價(jià)值量都將會(huì)得到大幅提升，預(yù)計(jì)2020年中國(guó)汽車(chē)電子市場(chǎng)規(guī)模有望逼近9000億元。

2012-2020年中國(guó)汽車(chē)電子市場(chǎng)規(guī)模走勢(shì)預(yù)測(cè)

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    域控制器是車(chē)輛OTA升級(jí)的基石OTA技術(shù)從PC/手機(jī)延伸到汽車(chē)。OTA英文全稱(chēng)Over-the-AirTechnology，亦即“空中傳輸技術(shù)”或“遠(yuǎn)程升級(jí)”，是指通過(guò)服務(wù)器、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和終端等的網(wǎng)絡(luò)連接，最終實(shí)現(xiàn)終端內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的更新，進(jìn)而改善終端的功能和服務(wù)的技術(shù)。

    OTA技術(shù)最早應(yīng)用在PC機(jī)上，后來(lái)廣泛應(yīng)用在移動(dòng)手機(jī)行業(yè)，與PC、移動(dòng)手機(jī)在短短二三十年廣泛應(yīng)用OTA技術(shù)不同，汽車(chē)行業(yè)由于其復(fù)雜的分布式電子電氣架構(gòu)（ECU）及安全考量的原因，并沒(méi)有很快接受這項(xiàng)新技術(shù)，近幾年隨著電子電氣架構(gòu)的升級(jí)（DCU）才逐漸在汽車(chē)行業(yè)里普及。

    當(dāng)前汽車(chē)OTA又分為SOTA和FOTA兩種升級(jí)方式。早期的汽車(chē)OTA自TBOX開(kāi)始，通過(guò)內(nèi)置SIM卡的TBOX為車(chē)主用戶(hù)提供如道路救援、車(chē)廠客服、110緊急通話、遠(yuǎn)程車(chē)況查詢(xún)、遠(yuǎn)程控制車(chē)門(mén)、車(chē)窗和空調(diào)開(kāi)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。隨后一些車(chē)企開(kāi)始針對(duì)IVI（車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)）如導(dǎo)航地圖、音樂(lè)等升級(jí)進(jìn)行OTA升級(jí)。這都是汽車(chē)OTA的早期應(yīng)用，針對(duì)應(yīng)用程序等軟件的升級(jí)。發(fā)展到現(xiàn)階段，汽車(chē)OTA已經(jīng)不僅僅滿(mǎn)足于軟件升級(jí)，固件升級(jí)成為汽車(chē)OTA升級(jí)的一大趨勢(shì)。

    SOTA（SoftwareOTA)又稱(chēng)軟件升級(jí)，是指那些離用戶(hù)更近的應(yīng)用程序（App）、車(chē)載地圖、人機(jī)交互界面等功能。

    FOTA（FirmwareOTA）又稱(chēng)固件更新，用戶(hù)可以通過(guò)特定的刷新程序進(jìn)行FOTA升級(jí)，影響的是動(dòng)力系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等。FOTA可以深層次改變汽車(chē)控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)及性能表現(xiàn)，甚至還能通過(guò)預(yù)留的硬件，通過(guò)后期的OTA開(kāi)放一些新功能。

    特斯拉依靠其集中式電子電氣結(jié)構(gòu)率先實(shí)現(xiàn)整車(chē)OTA升級(jí)。特斯拉是整車(chē)OTA升級(jí)的開(kāi)創(chuàng)企業(yè)，它不僅可以通過(guò)OTA將軟件升級(jí)發(fā)送到車(chē)輛內(nèi)的車(chē)載通訊（telematics）單元，更新車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)內(nèi)的地圖和應(yīng)用程序以及其他軟件，還可以直接將軟件增補(bǔ)程序傳送至有關(guān)的電子控制單元（ECU），以實(shí)現(xiàn)安全、可靠的固件功能升級(jí)。具體思路就是，在汽車(chē)上預(yù)先搭載可能多年都不會(huì)使用的硬件，隨著法規(guī)、測(cè)試數(shù)據(jù)和算法的逐漸完善，再逐漸更新軟件來(lái)一步步解鎖新功能已達(dá)到最終的無(wú)人駕駛。特斯拉之所以成為整車(chē)OTA升級(jí)的先行者，核心得益于其超前的汽車(chē)電子電氣架構(gòu)，傳統(tǒng)車(chē)企分布式電子電氣架構(gòu)中ECU數(shù)量龐大，單個(gè)ECURAM內(nèi)存容量有限，同時(shí)供應(yīng)商的底層代碼和嵌入軟件各異，難以完成整車(chē)功能的統(tǒng)一更新。而特斯拉采用集中式的電子電氣架構(gòu)，2015款的ModelS大約有15個(gè)ECU，此后發(fā)布的Model3則直接通過(guò)Hardware3.0和三個(gè)車(chē)身控制器執(zhí)行來(lái)控制行駛、轉(zhuǎn)向和停止等功能，集中的架構(gòu)和高算力的控制模塊支撐了特斯拉整車(chē)OTA升級(jí)。目前特斯拉已經(jīng)可以通過(guò)OTA的方式實(shí)現(xiàn)改善車(chē)輛的底盤(pán)、信息娛樂(lè)、電池續(xù)航、ADAS乃至自動(dòng)駕駛等多項(xiàng)功能，讓車(chē)的功能迭代更加靈活和便捷，最終變成一臺(tái)可以不斷進(jìn)化的智能終端。

特斯拉歷史上幾次較有影響力的OTA升級(jí)

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    傳統(tǒng)車(chē)企開(kāi)始發(fā)力布局OTA技術(shù)。特斯拉之后，全球傳統(tǒng)龍頭車(chē)企也紛紛致力于改進(jìn)自身電子電氣架構(gòu)，選擇優(yōu)質(zhì)域控制器供應(yīng)商合作，發(fā)力布局OTA升級(jí)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)各造車(chē)新勢(shì)力在特斯拉領(lǐng)路下，疊加自身不同于傳統(tǒng)制造業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)思維，相較于傳統(tǒng)車(chē)企，造車(chē)新勢(shì)力們?cè)谄?chē)OTA升級(jí)方面也呈現(xiàn)出“后來(lái)居上”的態(tài)勢(shì)。

傳統(tǒng)車(chē)企和造車(chē)新勢(shì)力開(kāi)始發(fā)力布局OTA技術(shù)

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    域控制器未來(lái)走向中央控制器時(shí)代

    終極階段——車(chē)輛集中式電子電氣架構(gòu)。如博世的經(jīng)典六段圖所示，以域控制器為代表產(chǎn)品的【跨】域集中式電子電氣架構(gòu)再往后走，就是集成化程度更高的車(chē)輛集中式電子電氣架構(gòu)——Vehiclecomputerandzoneconcept（車(chē)載電腦），終極階段就是Vehiclecloudcomputing（車(chē)云計(jì)算），形象來(lái)看就是從春秋五霸走向大一統(tǒng)的中央集權(quán)制。未來(lái)車(chē)輛通過(guò)用高性能的中央計(jì)算單元取代現(xiàn)在常用的分布式計(jì)算的架構(gòu)，將實(shí)現(xiàn)“軟件定義車(chē)輛”的終極目標(biāo)。

    車(chē)輛電子電氣架構(gòu)向集中計(jì)算平臺(tái)升級(jí)

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    中央控制器更具空間、輕量化、可擴(kuò)展性?xún)?yōu)勢(shì)。相較于域控制器時(shí)代的Domaincentralized電子電氣架構(gòu)，基于新一代Central&Zone電子電氣架構(gòu)的汽車(chē)設(shè)計(jì)，能通過(guò)ECU集成進(jìn)一步降低成本，較域控制器更具空間優(yōu)勢(shì)、輕量化、車(chē)型覆蓋多、可擴(kuò)展性特點(diǎn)，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的軟件插件和實(shí)現(xiàn)物理層變化的本地化。

基于域和基于Central&Zone架構(gòu)的對(duì)比

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    特斯拉最新款的Model3結(jié)構(gòu)就是車(chē)輛集中式電子電氣架構(gòu)（Central&ZoneConcept）的典型代表，也是該架構(gòu)下的第一款量產(chǎn)車(chē)型。Model3全車(chē)主要有三大控制模塊構(gòu)成，一個(gè)是類(lèi)中央控制模塊的自動(dòng)駕駛及娛樂(lè)控制模塊Autopilot&InfotainmentControlModule，另外兩個(gè)分別是右車(chē)身控制器BCMRH和左車(chē)身控制器BCMLH。

    寶馬和奧迪也進(jìn)行中央計(jì)算平臺(tái)的電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)。除特斯拉以外，寶馬與奧迪也都在進(jìn)行全新的電子架構(gòu)設(shè)計(jì)，命名略有不同，奧迪將新架構(gòu)命名為中央計(jì)算集群（centralcomputingcluster），而寶馬叫做中央計(jì)算平臺(tái)（centralcomputingplatform）。在寶馬的體系結(jié)構(gòu)中，中央計(jì)算平臺(tái)（圖38的頂層，第1類(lèi)）劃分主要的軟件功能，這些功能主要在內(nèi)部開(kāi)發(fā)。這些平臺(tái)提供高性能，并滿(mǎn)足最高的安全要求。集成ECU（第2類(lèi)）填充了中央計(jì)算平臺(tái)和普通ECU（第3類(lèi)）之間的差距——例如，部署需要直接訪問(wèn)傳感器或執(zhí)行器的時(shí)間關(guān)鍵功能。對(duì)于簡(jiǎn)單和非特定于OEM的功能，可以接受普通ECU和傳感器和執(zhí)行器（第4類(lèi)）。理想情況下，這些ECU、傳感器和執(zhí)行器基于常見(jiàn)的OEM或者一級(jí)供應(yīng)商的零件。

    車(chē)載中央計(jì)算平臺(tái)有望最后走向車(chē)云計(jì)算。車(chē)內(nèi)E/E架構(gòu)和云端架構(gòu)越來(lái)越接近。云端為各種應(yīng)用程序提供了基礎(chǔ)（自動(dòng)駕駛和多媒體功能可以在云端執(zhí)行），可以通過(guò)云端為司機(jī)提供移動(dòng)服務(wù)。可以對(duì)從汽車(chē)傳輸?shù)皆贫说男畔⑦M(jìn)行分析。車(chē)內(nèi)和云端架構(gòu)的無(wú)縫結(jié)合，將成為使E/E基礎(chǔ)設(shè)施能夠處理即將到來(lái)的創(chuàng)新的重要一步。