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天际汽车周毅:芯片升级下的域控硬件开发

发布日期:2021-07-03浏览次数:217 次

6月29日—30日,由盖世汽车主办的“2021中国汽车半导体产业大会” 隆重召开。本次会议主要围绕中国车企缺芯现状、供应链国产化安全建设、车载芯片平台的搭建设计、自动驾驶、智能座舱领域的芯片需求和应用案例、功率半导体在三电中的应用以及芯片测试和功能安全等话题展开讨论,共谋产业未来发展之路。下面是天际汽车基础硬件总监周毅在本次大会上的发言。

天际汽车基础硬件总监 周毅

大家下午好,我是周毅,目前在天际汽车负责域控制器的硬件开发。我们也是一家新造车势力,可能在座各位对天际汽车不是特别了解,下面我花几分钟时间跟大家介绍一下天际汽车的基本情况。

天际汽车愿景是成为绿色智能出行的探索者和引领者。天际汽车早在2015年就成立了,当时叫电咖汽车;在2018年的时候发布了中高端品牌ENOVATE,同年更名天际汽车;2018年12月份拿到整车生产资质,这里包括传统汽车,混动,新能源,商用车。在生产方面,天际目前有三大制造基地:绍兴、长沙、青岛(商用车制造基地)。去年9月份我们第一款B级SUV ME7正式发布,去年10月份我们完成了新一轮50亿融资。在去年11月份,我们向天际ME7(参数丨图片)第一批车主交付。从产品发布到最后交付,公司仅仅花了40多天,这个速度在行业内其实还是比较快。

在今年3月份,我们联手浙江卫视&抖音打造一款跨界的音乐综艺节目《为歌而赞》,之后也获得了好评。在今年5月份,与京东达成战略合作,双方将在品牌、产品、用户、渠道各个方面实现资源共享。今年6月份,天际汽车第二款产品A+SUV ME5正式在天际长沙匠心工厂下线,同时启动了天际ME5预售。在两个礼拜前,6.18 ME5京东定制版也同步在京东预售。

天际ME7,造型是前保时捷设计师Hakan亲手打造,车身轴距达到2830mm,目前有两个版本,530公里续航和410公里续航。在智能化或者座舱这块,我们支持5屏即时互联,有AI语音助手小天,人脸识别,整车也是支持全时OTA在线升级。智驾这块,我们具备L2.5级别智能驾驶辅助性能。

右边是天际ME5,这款是定位A+SUV,也是颜值在线。这款车整体还是比较偏年轻、运动,轴距是2750mm。这款车也有两个版本,首发的是增程版本,综合行驶里程达到1012公里,在智驾这块支持L2+智能驾驶。

下面回到主题。我今天和大家分享的题目是芯片升级下的域控硬件开发,主要从三个方面进行分享。1、电控系统的变革和坚守。2、电控硬件设计的新趋势。3、域控硬件设计的新挑战。

第一个变化,是EE架构集中化。整个架构趋势也是从分布式架构逐步向域控,最后到Zone架构的过程。整体逻辑还是决策向中央计算平台集中,执行以及传感下放。

第二个变化,软件服务化,也就是现在非常热的SOA架构。对于传统的汽车软件架构来讲,比如说Classic AUTOSAR还是面向信号的软件架构,我们在做设计变更或者在做OTA升级的时候,整体的难度较高,这种架构就像齿轮组一样,中间某个齿轮尺寸的变更势必会影响到非常多和它关联的齿轮,整个变更效率或者OTA更新的技术难度是比较大的。

在软件定义汽车的背景下,这种软件架构慢慢地向服务型软件架构变化,车内功能慢慢会像积木一样变成标准的服务,服务之间是低耦合的,并且具备非常细的颗粒度,这对我们来讲就可以灵活部署,对用户或者市场的需求可以做到快速响应。

第三个变化是传感和执行泛化,我们现在一辆车可能有80-100个控制器,每个控制器都是不一样的。但是抽象来看,对于典型嵌入式系统来讲有输入,有控制,有输出,对于输入来讲有硬线信号输入,也有从总线来的输入,甚至其他特殊的输入。对于输出来讲有高低边驱动,H桥,三相全桥等,有些也是通过总线输出。对于传感知行和泛化,就是把这些传感与执行单元按照接口形式,接口数量,驱动能力,以及通讯接口的类型,通讯速率,把它标准化为Zone的控制器。然后把这种和用户比较靠近的上层逻辑中央化为车载计算平台。车载计算平台具备大的算力、大的数据吞吐率,这就是我们讲的传感与执行的泛化。

第四个变化是组织敏捷化,这张图是传统OEM动力总成部门的一个组织架构。它有整车控制部门,电池管理部门,混动部门,电机部门等。对于传统OEM架构来讲,每一个部门都是有硬件开发,软件开发,应用层开发。

这里主要有两个问题,第一个,整体组织效率是比较低。对于动力系统中每个子系统是联系非常紧密的,在不同部门的分工下,沟通成本非常高。第二个,技术资源共享或者人力资源共享的问题。我们可以经常看到,有些公司整车控制部门的工具链、基础软件包和BMS部门有可能是不一样的。在芯片升级或者软件定义汽车趋势下,我们需要把这种边界打破,其实就是技术倒逼整个组织机构升级。我们可以把硬件打通,基础软件打通,控制及算法打通。从组织效率来讲,从资源来讲,它的利用率都是最大的。这是从传统动力总成部门举例来讲,其实从整个公司来讲,我们也看到很多公司在做这样组织变更的事情。另外,对于汽车行业,目前采取的开发模式还是V模型开发模式,这种模式是典型的瀑布模型开发,整个开发过程包括需求、设计、开发、验证环节,还是比较按部就班的过程,从需求到设计到开发到测试,每一个阶段可能都是定义好的。

其实在智能汽车这块,比如说硬件这块的开发还是需要这样的模式,因为硬件迭代的周期或者成本还是比较大的。但是从软件来看,这种模式已经不适用了,我们需要敏捷开发模式,以快速响应用户的最终需求。

第五个变化,合作模式深度化。传统的合作模式主要有两种,第一种是Tier1提供完整硬件和软件(交钥匙工程),主机厂只需要提需求,其他由Tier1来实现。第二种是合作开发模式,Tier1提供硬件以及中间件,OEM开发上层算法。随着智能汽车的发展,其实这块模式也在变,就是整车厂和OEM分工或者边界也会有一些调整。主机厂可能需要做的是差异化的产品,因为对于市场上竞争越来越激烈,差异化是主机厂必争的高地,它能够得到更多用户价值。作为Tier1来讲,更多是提供标准、批量、可靠的产品,不管是硬件,还是软件。这是整个合作模式的变化。

第六个变化,供应链体系。传统上我们去采购零部件,可能是按照系统,比如说底盘系统,动力系统,智驾系统,座舱系统等等。每一个系统都是有控制器,传感器,执行器的,我们是这种供应链的模式。

对于智能汽车或者芯片升级下的供应链模式而言,可能会发生一些变化。从主机厂角度,传统ECU、芯片还是要去采购的,但是采购的对象可能会更多,比如OEM会为操作系统付费,我们还会买软件,包括基础软件,中间件,视觉算法,高清地图等等,在云端我们也会租赁甚至购买云端计算平台,去购买云端的服务,后面车路协同趋势下,也可能会为路侧基础设施付费,这是供应链体系的变化。

刚才讲了这么多变化,那么电控产品或者汽车产品应该坚守什么呢?可能我们需要坚守很多,在这儿主要跟大家分享一点就是产品的可靠性以及安全属性。我们经常在各种媒体论坛上看到,有人说汽车就是一个手机加四个轮子。

从智能硬件角度来讲,汽车可能是史上最大的智能硬件,不管是技术趋势,还是开发模式,还是智能化的OTA升级等很多方面汽车跟手机越来越相似,这是我们不得不承认的,并且这个趋势也变得更加明显,汽车需要和通讯行业、手机行业更深入的融合,从这个意义上来讲,汽车的确就是带四个轮子的手机。但是作为汽车产品,交通工具永远是它的第一位属性,对于汽车行业从业人员来讲,不管是做芯片,还是控制器,甚至做系统,最后做到整车,车规级的电控产品永远是第一位。那么我们怎么保证它是车规级产品呢?我从四个方面讲一下。

第一,体系文化的保证。我们设计产品一定是从安全出发,安全和可靠性是汽车电控产品以及汽车行业工程师的DNA,关于安全或者体系文化有各种各样的车规级标准,我们有质量体系IATF16949,有ISO26262等等。

第二,可靠性设计。可靠性应该首先是设计出来的,而不是测试出来的。从设计角度来讲,我们有WCCA分析计算,各种仿真,各种应力分析,还有FTA/FMEA等保证整个产品在设计阶段就是车规级的。

第三,可靠性验证。比如说在芯片级别有AEC-Q100、AEC-Q200等;在控制器产品可靠性方面也有大量验证,比如说环境,电性能,EMC,寿命试验;电控系统级别也会做相应可靠性试验;在整车级别,我们有三高试验,整车耐久试验,城市综合道路试验等等,从多维度保证整个产品是车规级的。

第四,制造。制造这里也是有质量体系保证,制造工艺保证,生产测试保证,并且我们的生产测试目标是要保证测试覆盖率100% Coverage,并且对于零公里的缺陷,汽车行业也有非常严格的标准。

下面讲一下在这种趋势下,电控硬件有哪些新的变化?

第一,控制器级别硬件架构的变化,传统ECU可能就是单MCU系统。现在域控硬件架构,需要偏向安全的MCU和多颗SOC实现。芯片架构也是向多核异构趋势发展,整体芯片也是在往集中化方向发展。芯片算力方面也在大幅提升,一个传统MCU,英飞凌AURIX TC275的算力等效为0.61TOPS(预估),而英伟达Orin的算力可达254TOPS。存储方面也是由片内储存向片外高存储容量趋势发展。

第二,电源架构趋势,控制器电源拓扑结构日趋复杂,电源种类大幅度增加,以某分布式ECU电源拓扑对比某域控制器,电源种类由9种增加到24种。分布式ECU一般无严格的上下电时序要求,SOC或MPU有非常严格的上下电时序要求,电源完整性要求也越来越高。

第三,通信接口的变化。不管是板内通信接口,还是现场总线,首先通信接口种类越来越多,整体趋势也是从低速向高速发展。未来现场总线,如以太网,包括千兆以太网,后面可能有10G以太网将大量应用在车中,所以整体还是向高速发展。

那么在这种变化趋势下,对于域控制器级别的硬件设计有哪些挑战呢?

第一个,电源完整性挑战。这里有两个原因,第一个原因是信号速度越来越快,造成了电源系统阻抗变大。我们预期是比较稳定的电源,但是到芯片端已经是比较不稳定的状态。第二个原因,电压等级降低,噪声信号的噪声裕度容限降低。应对主要是两个方面,第一个是要加大电源完整性仿真力度,第二个是电源完整性测试要做得非常充分。

第二个,信号完整性问题,由于信号上升沿变快引起了信号反射,串扰,延时等。从应对方案来讲是自上而下的SI分析方法,目前很多厂商对信号完整性做得不是特别充分,主要是依靠压力测试来保证信号完整性,但是我们建议更多是从仿真和比较全面的信号完整性测试去保证。

第三个是EMC,这里分两块来讲,EMI骚扰增强,为什么这么说呢?电源回路、高速接口以及时钟电路的增加,造成了比较多的骚扰源。抗扰性这块,主要原因是车内EMC环境越来越复杂,以及高速信号噪声容错余量小,对干扰更敏感。另外,整车厂也在提高EMC测试等级。主要措施跟刚才讲的SI/PI一样,还是强调在设计和前期仿真阶段提前发现问题,以减少硬件迭代的成本。

第四个是功耗与散热的问题。传统一个分布式控制器功耗可能不到10W,对于一个域控,我们拿特斯拉FSD来讲,有70多瓦的功耗,那么对于一个中央计算平台可能有几百瓦甚至上千瓦功耗,热对于可靠性有非常大的影响,那么我们结构设计上,除了加入主动散热措施,比如风冷、水冷,板级以及系统热仿真这块也要重视起来。

第五个是设计寿命的问题,这是电动车比较通用的一个问题。拿一个整车15年,30万公里设计寿命来讲,传统分布式ECU只需要工作8000小时,但是域控制器在充电时间也工作,并且现在充电时间已经占据了车辆主要的工作时间,那么域控可能需要工作2.6万小时,这是一个比较大的挑战。对于设计寿命的延长,相对应的验证要求也是越来越高。我们拿零部件高温耐久来讲,传统控制器只需要验证1800小时,对于域控可能需要5900小时。对于这块我们的建议是,由于半导体厂商提供的寿命曲线和控制器级别的工况甚至整车工况是不匹配的,大家遵循的标准是不一致的,那么从设计方面,希望设计初期就需要详细分析相关器件、材料寿命曲线和真实的控制器工作环境,以评估器件、材料是否满足寿命要求,另外,建议前期做相关可靠性或者失效率仿真。

对于验证阶段,从OEM来讲,由于控制器的布置位置不同,我们需要去评估各个控制器实际工况下的温度分布,然后把不同位置的控制器温度曲线尽量做到精准,避免过设计。另外,从测试方案方面,刚才我们看到高温耐久要近6000小时,那么控制器验证需要适当增加样本以减少测试时间,保证项目节点。

第六个是测试及验证,总体测试复杂度提升,测试工作量加大。包括测试仪器,测试环境的搭建,测试项目以及对测试人员的技术要求。

最后讲一下制造工艺的需求,有三个方面:1、器件以及PCB设计尺寸减小。现在大量使用0402封装,0201也有可能也会导入到汽车行业,PCB线宽线距减少,盲埋孔设计等,这块对PCB制造工艺以及贴片工艺都有更高的要求。2、BGA封装大量使用,对于焊接质量和产线检测设备也是有更高的要求。3、组装测试工艺,域控及中央计算平台的应用对组装工艺提出了更高的要求,比如在点胶、气密等工艺方面。在高速信号测试方面,信号完整性生产测试方面也会有特殊的需求。

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