过去,汽车中的车载影音娱乐与导航系统(Infotainment system)、高级驾驶员辅助系统(ADAS)以及汽车仪表盘系统(Cluster system)之间相对较为独立,其内部都有各自独立的主控芯片(应用处理器)来推动,例如软件操作系统、内存与外部存储单元、电源系统等都是独立的,系统之间的数据交互由系统之间相对传统的总线(比如CAN和UART等)连接,高效的数据共享和协同处理往往成为瓶颈。车厂往往还会把高级驾驶员辅助系统与仪表盘系统归属到安全件的范畴之中,其系统设计的鲁棒性要求会高于影音娱乐与导航系统。

而今随着新技术的发展以及对于驾驶体验满意度的更高要求,这三大领域的应用正在融合,它们的有机组合便构成了“数字驾驶舱”的概念。数字驾驶舱会为汽车的座舱设计增添更加丰富的科技感,关键是能够给驾驶员提供更便利、舒适的驾驶体验,同时安全驾驶也将会更有保障,将会是未来车辆座舱设计的趋势。

如何定义未来数字驾驶舱

在TI中国区嵌入式产品系统与应用总监蒋宏看来,未来3到5年内,数字驾驶舱将会实现影音娱乐与导航系统、辅助驾驶系统与仪表盘系统的融合。仪表盘系统将实现全数字化,同时抬头显示系统逐步普及。此外,未来数字驾驶舱也会有许多新的人机交互技术,例如增强现实(AR)、驾驶员姿势与体征感知技术等。而随着无人驾驶汽车的降临,未来数字驾驶舱会进入一个更新的阶段。

“这些趋势会对汽车应用处理器提出新的要求与挑战。例如处理器不仅要具备更强的运算能力、更强的图形与音视频信号处理能力以及更丰富的IO接口,同时还将需要对一些新的技术和应用提供支持。”蒋宏说。

多个应用之间极强的数据交互能力与协同处理能力就是其中之一。应用处理器芯片的异构(heterogeneous architecture)以及虚拟化技术(Hypervisor/Virtualization)的支持会是一个比较合理的路径。异构和芯片硬件虚拟化技术不仅可以支撑多个应用之间极强的数据交互能力与协同处理能力, 还可以允许多个应用之间保持相对的独立与完整性, 这正是汽车电子所需要的。

其次,多域(multi-domain)体系的支持。车辆由非常多的电控单元(ECU)组成,电控单元之间需要“信息高速公路”,应用处理器要在车辆内部搭建高速总线并控制它,就需要内嵌的高速数据交换器(switch)、万兆级数据带宽、并提供安全性保障。

随着ADAS系统的融入以及未来实现无人驾驶的行业愿景,在处理器芯片内部增加新的核心模块来强化对机器学习与神经网络技术的支持也成为对新一代应用处理器的要求。另外,由于有更多系统和功能的承载,芯片设计的鲁棒性要求也会相应提高,新一代的应用处理器要求可以支撑ASIL B和C级别以上的系统需求。

这就为新一代处理器设计带来了极大的挑战:增加了诸多新的功能后,性能将会发生突变。但是,系统功耗与成本却又必须控制在合理的区间,不能也发生突变。因此,提高系统集成度,将成为分摊成本压力的一种有效路径。

作为当前唯一能同时提供虚拟仪表HMI工具CGI STUDIO、360度全景成像系统“OMNIVIEW”和芯片整体方案的企业,索喜科技(Socionext) IoT处理事业部技术支持副经理黄强表示,功能日益强大、智能的计算平台,可集成各种仪表和安全功能,能为汽车的数字仪表盘和信息娱乐系统的交互创意提供无限可能,这也为汽车厂商提供了绝佳机遇。但智能驾驶舱成本短期内难以降低,而且智能驾驶舱的核心—汽车应用处理器,对车内高性能计算、5G网络、云、数据处理分析、信息安全、高宽带延时都有较高要求。同时,考虑到汽车行驶过程中面临的环境可能非常恶劣,这将对以高度集成化SoC系统方案为代表的车内电子系统的稳定性带来挑战,导致智能驾驶舱短期内难以实现大规模渗透。但随着无人驾驶的成熟,智能驾驶舱将有望得到大规模商用。

智能汽车的数字化驾驶体验

在采访中,蒋宏一再强调,数字驾驶舱并不是面向未来的概念,而是当前正在加速向我们走来。他分析称,2017年,Infotainment与ADAS的融合处于正在进行时。最初的融合,会是将ADAS范畴里较低安全性要求的应用与Infotainment系统进行融合。TI将那些为驾驶员提供安全驾驶信息但是不直接介入车辆操控的ADAS应用称为Informational ADAS(InfoADAS), Informational ADAS与infotainment系统的融合,目前国内就已经有了先例。

“互联网汽车”上汽荣威RX5就是在Infotainment 应用处理器上同时实现360全景泊车这一典型InfoADAS应用的,而且同一颗应用处理器Jacinto 6 还驱动了混合式仪表盘中的7英寸WVGA 液晶屏。TI目前正在进行一些项目,例如在Jacinto6应用处理器上通过Type 1 hypervisor将功能性安全(functional safety)的一些应用也集成进来。

另一方面,ADAS系统也在做更多的功能集成。过去一颗处理器同时运行2-3个应用,比如车道偏离警示(LDW)、前方碰撞预警系统(FCW)就可以了。但目前需要同时支持5个以上的应用,还要做多种传感器的融合(摄像头+雷达)等等。此外,大数据、神经网络和语意识别算法也都是目前发展的方向。

互联网汽车的诞生无疑将带动很多全新互联网应用的发展。试想一下,未来的驾驶员可以通过专属的个人ID登录汽车或进行远程控制,而汽车将根据记录的数据自动为驾驶员调整合适的座机靠背、灯光和音乐,同时还能帮助驾驶员制定最为便捷的行车路线。此外,通过精准的语音识别和语音交互,驾驶员可以在专注驾驶时下达指令,例如完成在线预订和支付等。互联网汽车所具备的开放性将允许驾驶员自由添加类似于无人机、车载空气净化器以及摄像机等智能硬件产品,从而为全新的驾驶体验带来无限可能。

另一个“智能驾驶舱”平台落地的消息来自英特尔、东软集团和一汽红旗。2016年10月,三方举行新闻发布会,共同发布基于英特尔凌动车载处理器(代号Apollo Lake)的“智能驾驶舱平台”,能够支持虚拟化,并无缝支持车载信息娱乐系统、数字仪表以及车载导航仪等多个高清屏幕的使用和互动。

由于“智能驾驶舱”旨在将中控、虚拟液晶仪表、抬头显示HUD、信息娱乐系统IVI、行车记录仪、360全景、高清后视、ADAS等一切硬件虚拟化和图像化,重新定义汽车人机交互概念,提升汽车智能化和信息化的体验,所以,它不但覆盖了芯片、屏幕等硬件,操作系统也是其中重要的一环。2016年12月,操作系统与智能设备平台技术提供商中科创达斥资6400万欧元收购了芬兰汽车用户界面软件提供商Rightware,并在CES 2017上展示了自己的智能驾驶舱解决方案。该方案包括了IVI信息娱乐系统、数字仪表盘以及信息化高级驾驶员辅助系统,应用于高通S820A和瑞萨R-CarH3平台上。其中的数字仪表盘由Rightware Kanzi作为引擎,可以快速将数字仪表盘整合在IVI信息娱乐系统中。同时,通过Opensynergy Hypervisor操作系统虚拟化技术快速顺畅整合3D数字仪表盘、中央控制系统以及后座娱乐系统。

“未来的汽车,驾驶、娱乐功能都将在集中在一块仪表盘上。”中科创达副总裁杨宇欣在接受本刊采访时称,“智能车载是公司发展最快的业务之一,我们将会为全球客户提供智能车载娱乐信息系统和数字仪表盘系统解决方案。”这预示着,通过收购一家像Rightware这样专注于为汽车系统提供新一代智能汽车人机交互界面的引擎,中科创达正努力寻求为客户提供端到端的解决方案。

智能驾驶舱并非专为高端车型打造。蒋宏表示,汽车电子化正在加速,中低端定位的汽车也在加入大量的Infotainment与ADAS元素,出于成本压力,自然要求主系统做更多的功能集成,从而实现在原有系统硬件成本基本不变的前提下提供更加丰富功能。

打造高性价比SoC片上系统

很多人士都认为未来infotainment和ADAS两大系统不可避免的会出现融合,打造高性价比的SoC片上系统是大势所趋。以TI的Jacinto和Vision处理器家族为例,这两款处理器原本就是姐妹平台,拥有共同的基础架构,比如Jacinto6与TDA2x处理器有极大的相似性。尽管由于最终运行任务与承载使命的不同,在硬件模块化配置、软件系统和SDK等方面有所不同,但并不妨碍它们成为姐妹平台。

“多核异构处理器是打造高性价比SoC片上系统的必由之路,TI 很荣幸在这个方向上走得比较靠前。在业界的下一代产品规划上,我们看到越来越多的同行们也在朝这个方向靠近。”蒋宏认为,多核异构处理器带来的好处不仅仅是集成度高,而且可以实现让不同的内核分配到他们最适合承载的任务,从而让系统总体运行的效率达到最高。对于一个需要承载多个不同类型功能应用运行的应用处理器而言,多核异构是最佳任务映射的硬件承载体。

黄强也对此持赞同态度,但强调称,“由于Infotainment在一定程度上需要基于无人驾驶基础之上,因此ADAS必将走在前面。”索喜科技最新推出的Miranda支持视觉处理单元(VPU)与OpenVX,相比传统的GPU等硬件解决方案具有明显的低功耗和高性能优势。客户既可以采用成熟的MOD、HOG等ADAS功能,也可移植第三方ADAS算法,从而快速实现量产。

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