深度解读汽车域控制器

什么是域控制器

过去十多年的汽车智能化和信息化开展发生了一个清楚结果就是ECU芯片经常使用量越来越多。从传统的引擎控制系统、安保气囊、防抱死系统、电动助力转向、车身电子稳固系统；再到智能仪表、文娱影音系统、辅佐驾驶系统；还有电动汽车上的电驱控制、电池治理系统、车载充电系统，以及蓬勃开展的车载网关、T-BOX和智能驾驶系统等等。

传统的汽车电子电气架构都是散布式的（如下图2-1），汽车里的各个ECU都是经过CAN和LIN总线衔接在一同，现代汽车里的ECU总数曾经迅速参与到了几十个甚至上百个之多，整个系统复杂度越来越大，几近下限。在当天软件定义汽车和汽车智能化、网联化的开展趋向下，这种基于ECU的散布式EEA也日益泄露诸多疑问和应战。

为了处置散布式EEA的这些疑问，人们开局逐渐把很多性能相似、分别的ECU性能集成整合到一个比ECU性能更强的处置器配件平台上，这就是汽车“域控制器（Domain Control Unit，DCU）”。域控制器的出现是汽车EE架构从ECU散布式EE架构演进到域集中式EE架构（如图2-2所示）的一个关键标记。

域控制器是汽车每一特性能域的中心，它关键由域主控处置器、操作系统和运行软件及算法等三局部组成。平台化、高集成度、高性能和良好的兼容性是域控制器的关键中心设计思维。依托高性能的域主控处置器、丰盛的配件接口资源以及弱小的软件性能特性，域控制器能将原本须要很多颗ECU成功的中心性能集成到出去，极大提高系统性能集成度，再加上数据交互的规范化接口，因此能极大降低这局部的开发和制作老本。

关于性能域的详细划分，各汽车主机厂家会依据自身的设计理念差异而划分红几个不同的域。比如BOSCH划分为5个域：能源域（Power Train）、底盘域（Chassis）、车身域（Body/Comfort）、座舱域（Cockpit/Infotainment）、智能驾驶域（ADAS）。这也就是最经典的五域集中式EEA，如下图2-2所示。也有的厂家则在五域集中式架构基础上进一步融合，把原本的能源域、底盘域和车身域融合为整车控制域，从而构成了三域集中式EEA，也即：车控域控制器（VDC，Vehicle Domain Controller）、智能驾驶域控制器（ADC，ADAS\AD Domain Controller）、智能座舱域控制器（CDC，Cockpit Domain Controller）。群众的MEB平台以及华为的CC架构都属于这种三域集中式EEA。

域控制器市场概述

2018年，基于德尔福提供的域控制器技术，奥天时TTTech公司开发的zFAS控制器率先运行在奥迪A8当中。伟世通公司则推出了SmartCore域控制器，集成信息文娱、仪表板、信息显示、HUD、ADAS等性能。这些产品开创了商用性能域控制器产品之先河，世界各大Tier 1供应商纷繁跟进，整个域控制器市场逐渐开展起来。

在国际市场，华为、德赛西威、航盛电子、东软等企业也推出了DCU处置打算，并失掉了国际车企的驳回。比如，2020年小鹏汽车推出的智能轿跑P7就驳回了德赛西威基于英伟达Xavier打造的智能驾驶域控制器产品——IPU03。

，整个业界对DCU市场都有十分失望的预期。据佐思产研的预测，2025年世界汽车DCU（座舱+智能驾驶）出货量将超越1万套，2019-2025时期年平均增长高达50.7%。

世界域控制器市场预测

整个汽车行业普遍以为，域控制器是汽车电子行业未来竞争门槛最高的局部，因此利润也最高，芯片厂商和中心算法供应商将会受益。

（一）域控制器市场极速增长面前的驱动要素

更多更好的ADAS性能和智能座舱与信息文娱性能不时是推进域控制器市场极速增长的关键要素，这些新性能能清楚提高整车的科技感和用户体验，因此也是主机厂开发新车型时的投入重点。L1到L2+级别之间的ADAS运行是这几年开展十分快，很多性能都正在极速遍及，比如：停车辅佐、车道偏离预警、自顺应巡航、碰撞防止、盲点侦测、驾驶员疲劳探测等。

域控制器须要一颗性能更强、集成度越高的主控处置器来作为其大脑，更多原本经过火离ECU成功的性能如今可以放到域主控处置器过去成功，也因此就能愈加节俭性能域里所需的ECU用量和其它配件资源。更高的集成度可以更主机厂供应链治理成功ADAS域控和相关零部件平台化和规范化的要求。

（二）对域控制器供应链的影响

汽车E/E架构的演进和开展，也深入影响了主机厂和汽车电子供应商的供应相关。主机厂的中心竞争力从以前的机械制作为主，片面转向软件和算法为重点。估量未来整车厂与Tier 1供应商之间将或许有两种协作形式：

座舱智能化的实质是基于汽车驾驶舱中的人机交互场景，将驾驶信息与文娱信息两个模块启动集成，为用户提供高效的、直观的、充溢未来科技感的驾驶体验。智能座舱的设计诉求关键是用于优化用户的驾乘体验，同时还要保障用户驾乘的安保性和温馨性，最终成功汽车作为人们上班和家庭场景以外的第三生存空间这一终极指标。

智能座舱域包括HUD、仪表盘（Cockpit）和车载文娱信息系统（In-Vehicle Infotainment，简称IVI）三个最关键的组成局部。

HUD是十分适用的性能，将ADAS和局部导航性能投射到挡风玻璃上，诸如ACC、行人识别、LDW、路途揭示、路口转弯揭示、变道揭示、残余电量、可行驶里程等。HUD将很快调演化为AR HUD，在L3和L4时代成为标配。

进入L3时代，驾驶员形态监测（Driver Status Monitor，DMS）将成为必备的性能，包括：面部识别、眼球追踪、眨眼次数跟踪等将引入机器视觉和深度学习算法。而L4时代则必备V2X（Vehicle to everything）。

另外，多模态交互技术的蓬勃开展将会极大扭转用户与汽车的交互形式。基于语音识别性能的语音交互技术越来越遍及，罕用于跟IVI系统的交互操作。进一步还能经过语音来对驾驶员启动心情景态剖析。当DMS系统检测到驾驶员昏昏欲睡时，系统可以经过播放音乐或许监禁香味来唤醒驾驶员；基于多场景下的汽车座舱多模态交互技术未来肯定会从新定义人机交互技术的开展。

一切这些智能座舱新技术的开展，都将推进对座舱域计算资源需求的暴增。

智能座舱域控制器畛域，世界Tier 1厂商关键包括：博世、大陆汽车、哈曼、伟世通和Aptiv（安波福）等。中国外乡企业关键有德赛西威、航盛和东软睿驰等。

世界关键座舱域控制器厂商信息

ADAS域控制器通常须要衔接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达等传感器设备，要具有多传感器融合、定位、门路布局、决策控制、无线通讯、高速通讯的才干，要成功蕴含图像识别、传感器数据处置等诸多性能，因此要成功少量运算，域控制器普通都要婚配一个中心运算力强的处置器，能够提供智能驾驶不同级别算力的支持，目前业内有NVIDIA、华为、瑞萨、NXP、TI、Mobileye、赛灵思、地平线等多个打算。

智能驾驶技术目前是世界科技行业最前沿的方向。L1到L2+级别的辅佐驾驶技术和性能曾经日趋成熟，搭载ADAS性能和运行的很多车型开局进入大规模量产。可以遇见L1/L2级别ADAS性能的市场浸透率将极速优化，而L3/L4级别智能驾驶系统仍处于小规模原型测试阶段。

当今的智能驾驶行业，中国市场相对是主力。往年中国L2的搭载量估量打破80万，中国品牌占据绝大局部份额。未来中国市场ADAS性能的浸透率还将继续极速提高，中低端汽车所性能的ADAS性能将逐渐增多。依据艾瑞咨询钻研报告显示，估量2025年ADAS性能在乘用车市场可以到达65%左右的浸透率。L3级别的高速智能领航HWP性能和L4级别的AVP智能泊车性能，目前车型浸透率较低，未来优化空间较大。

中国ADAS性能市场浸透率预测

ADAS域控制器正在从过去的散布式系统架构演化到域集中式架构。过去一套ADAS系统，要有好几个独立的ECU才干成功，比如车道偏移和交通识别ECU、前向碰撞预警ECU、泊车辅佐ECU等。如今有了性能弱小的集中式ADAS域控制器后，一个域控制器就成功了一切性能。系统的软配件复杂度大大降低，牢靠性也失掉了提高。

目前业内提供ADAS域控芯片平台的有NVIDIA、华为、瑞萨、NXP、TI、Mobileye，以及国际外乡的地平线和黑芝麻等多个打算。下表2-2总结了世界关键ADAS域控制器厂商及其客户和同伴信息。

世界关键ADAS域控制器厂商信息

域控制器的兴起对传统的汽车MCU厂商形成了极大的应战，“由于MCU经常使用量将大大缩小，传统的MCU产品其演进路途将不复存在”。

在散布式ECU时代，计算和控制的中心是MCU芯片，传输的基础中心是基于传统的CAN、LIN和FlexRay等低速总线。但在域控制器时代，高性能、高集成度的异构SoC芯片作为域的主控处置器，将成为域控制器的计算与控制的中心芯片。而汽车TSN（Time-Sensitive Network）以太网由于具有高带宽、实时和牢靠的数据通讯才干等特点，必将成为整车通讯的中心基础设备，尤其是域主控处置器之间的通讯主干网。

上方咱们来便捷剖析一下域控制器以及中心的主控处置器的一些关键技术和趋向。

总的来说，对算力的需求优化不时是域控制器中心芯片开展的关键推进力。一方面本因由多个ECU成功的性能，如今须要依托繁多的域主控处置器来成功，并且还须要治理和控制所衔接的各种传感器与口头器等。比如：底盘、能源传动系统和车身温馨电子系统的域主控处置器，其算力需求大概在10000DMIPS-15000DMIPS左右。

汽车域控制器对CPU DMIPS算力的需求预测

新的智能汽车，除了要更多的与人交互外，更须要少量的对环境启动感知，这就须要计算和处置海量的非结构化数据，因此座舱域和智能驾驶域都要求高性能的CPU，比如就座舱仪表的CPU算力而言，它其实跟一部上流智能手机的CPU算力差不多，约为50000DMIPS左右。此外，为了支持L2辅佐驾驶性能或许更初级别的智能驾驶性能，须要运转很多视觉DNN模型算法，这就又额外须要上百TOPS的AI算力。

所以，各芯片厂商总是会尽量经常使用更先进的制程工艺、更先进的CPU核于与NPU核来尽量提高域主控芯片的CPU中心性能与NPU性能。

随同着AI技术在视觉畛域的运行，基于视觉的智能驾驶打算逐渐兴起，这就须要在CPU的基础上加装长于视觉算法的GPU芯片，从而构成“CPU+GPU”的处置打算。

不过，“CPU+GPU”组合也并非最优处置打算，由于 GPU 虽然具有较强的计算才干，但老本高、功耗大，由此又逐渐引入了FPGA和 ASIC 芯片。

总体来看，繁多类型的微处置器，无论是 CPU、GPU、FPGA还是ASIC，都无法满足更高阶的智能驾驶需求，域控制器中的主控芯片会走向集成“CPU+xPU”的异构式 SoC（xPU 包括 GPU/FPGA/ASIC等），从而能较好的撑持各种场景的配件减速需求。

从性能层面上，域控制器会整合集成越来越多的性能。比如能源系统域或许把发起机的控制、电机控制、BMS、车载充电机的控制组合在一同。有些主机厂甚至间接一步到位，将底盘、能源传动以及车身三大性能域间接整分解一个“整车控制域（Vehicle Domain Controller，VDC）”。

要支持这些性能的整合，作为域控制器的大脑，域主控处置器SoC就须要集成尽或许多的接口类型，比如：USB、Ethernet、I2C、SPI、CAN、LIN以及FlexRay等等，从而能衔接和治理各种各样的ECU、传感器和口头器。

对配件虚构化技术的须要关键来自两方面：（1）配件资源的分区与隔离；（2）支持混合安保等级。

原本须要多个ECU成功的多特性能都整合到域控制器上后，势必会造成域控制器的软件更为复杂，这势必会造成整个软件系统的出错概率参与、牢靠性降低。而且多个运行混合运转在同一个操作系统上，经常会出现缺点流传（Failure Propagation），也就是一个运行出现疑问后，会使得整个系统底层软件和配件都处于紊乱形态，从而造成其它原本反常的运行也会开局出现缺点。因此经过配件虚构化技术对配件资源启动分区（Partition），使得各特性能对应的软配件之间相互隔离（Isolation），以此保障整个系统的牢靠性。

另一方面，在汽车电子系统中，通常不同的运行其对实时性要求和性能安保等级要求都不同。例如，依据ISO 26262规范，汽车仪表系统与文娱信息系统属于不同的安保等级，具有不同的处置优先级。汽车仪表系统与能源系统亲密相关，要求具有高实时性、高牢靠性和强安保性，要求运转在底层实时操作系统上（比如QNX）。而信息文娱系统关键为车内人机交互提供控制平台，谋求多样化的运行与服务，以Linux和Android为主。为了成功混合安保等级的运行，成功不同的操作系统运转在同一个系统上，这就须要虚构化技术的支持。

车载配件虚构化技术的中心是Hypervisor，它是一种运转在物理主机和操作系统之间的两边层软件，可以准许多个不同虚机上的操作系统和运行共享一套基础物理配件。当系统启动时，首先运转Hypervisor，由它来担任给每一台虚构机调配过量的内存、CPU、网络、存储以及其它配件资源等等（也就是对配件资源启动分区），最后加载并启动一切虚构机的客户操作系统。

一句话总结一下基于Hypervisor的好处：它提供了在同一配件平台上承载异构操作系统的灵敏性，同时成功了良好的高牢靠性和缺点控制机制, 以保障关键义务、硬实时运行程序和普通用途、不受信赖的运行程序之间的安保隔离，成功了车载计算单元整合与算力共享。

性能安保是汽车研发流程中十分关键的要素之一。随着系统复杂性的提高，来自系统失效和随机配件失效的危险日益参与。ISO 26262规范制订的目的就是更好的规范和规范化汽车全生命周期中的性能安保治理和要求，包括：概念阶段、系统研发、配件研发、软件研发、消费和操作环节、售后等环节，尤其重点在产品设计阶段如何定义和成功性能安保的指标。

载汽车性能安保规范ISO26262-5 2018 “产品开发：配件层面附录D”中对处置器单元的诊断笼罩率介绍的安保技术措施中，双核锁步(dual-core lockstep)、非对称冗余和编码计算是三种典型的配件冗余技术措施。除此之外，配件BIST、软配件Self-Test技术、ECC等也是经常出现的提高处置器安保特性的设计措施。

ISO26262规范中的性能安保芯片设计技术

双核锁步CPU是一种CPU冗余技术，在一个芯片中蕴含两个相反的处置器，一个作为master core，一个作为slave core，它们口头相反的代码并严厉同步，master可以访问系统内存并输入指令，而slave不时口头在总线上的指令（即由主处置器失掉的指令）。slave发生的输入，包括地址位和数据位，发送到比拟逻辑模块，由master和slave总线接口的比拟器电路组成，审核它们之间的数据、地址和控制线的分歧性。检测就任何总线的值不分歧时，就会发现其中一个CPU 上存在缺点，但不会确定是哪个CPU缺点。

这种CPU架构使得CPU自检独立于运行软件，不须要口头专门的指令集自检，实践运转的软件指令在每个时钟都启动比拟，只须要测试软件用到的CPU资源，但这种架构不会对内存和总线启动检测，须要参与独自的检测方法以防止两个CPU的共模缺点。

汽车网络会存在多种通讯总线。主干网未来势必会基于TSN以太网来构建，然而从域主控处置器到ECU或许传感器之间的通讯则依然是基于传统的车载低速总线，比如：CAN、FlexRay等。域主控处置器作为域控制器的中心，是一切ECU和传感器通讯的会聚中心。因此假设要依托CPU的算力来成功不同总线间的协定转换，以及跨域通讯的网络包处置的话，势必会占用贵重的CPU算力资源。

因此基于配件来成功网络协定转换处置的网络卸载引擎，关于各个域（包括中央网关）的域主控处置器是十分关键的技术。

衔接性（Connectivity）是汽车智能化开展的一个很关键的趋向，未来的汽车肯定会像当天的手机一样随时坚持衔接到互联网中。因此如何阻止未经授权的网络访问，以包全汽车免于遭到黑客的攻打，对未来的智能汽车而言就会变得极为关键。下一代配件安保模块（Hardware Security Module，HSM）正在成为下一代车载网络通讯的关键基础设备之一。

HSM关于齐全的安保车载通讯（Secure Onboard Communication，SecOC）是必无法少的。HSM能确保所接纳到的数据的实在性，防止攻打者绕过相关的安保接口，入侵车载网络。

基于配件的安保模块关键处置两个疑问：

SHE（Secure Hardware Extension）规范是由奥迪和宝马公司协作制订的、针对配件安保模块HSM的规范，它关键包括明码模块的配件、配件软件接口。这个规范已被宽泛接受，很多针对汽车行业的微处置器都支持这个规范。

ECU原先运转的软件大少数是依照Classic AutoSAR规范开发的软件系统，其中的运行软件普通都是静态调度（Static Scheduling）形式的，也即在系统运转时，程序中不同性能的函数依照事前定义好的排序言件依次调用、一一运转。静态调度的好处是资源调配疑问都是事前布置好的，车辆量产后就不会再扭转，每特性能对应的函数代码详细运转时期也被提早锁定，是确定性的。因此这种设计关于汽车上很多对性能安保要求厚道的场景是十分适宜的。比如：选择安保气囊能否关上的性能函数就是固定地每隔几毫秒运转一次性，以便紧急状况下可以及时关上。

承载计算和控制的底层配件从扩散的多个ECU集中到多核、异构的高性能域主控处置器后，相应的软件也会从扩散向集中、从便捷向复杂、从静态向灵活退化。下图2-7显示了汽车域控制器上的典型软件架构：

域控制器上基于空分虚构化技术的典型软件架构

汽车以太网给车载系统通讯带来一个反派性的变动，在中央计算式汽车EE架构下，整个车载系统可以被看作是一个散布式网络系统：中央计算平台是一个小型主机集群，区域计算平台是边缘计算节点。在互联网或许大型散布式系统中，SOA架构设计理念曾经被宽泛经常使用了。因此当IP网络技术被宽泛运行于汽车后，很多在互联网或许散布式计算中曾经很成熟的软件技术，人造会被自创到新的汽车软件架构设计中来，比如：RPC技术、事情/信息总线、RESTful API设计等。

大型互联网数据中心中的主机集群动辄几百、上千台主机，每秒百万、千万级别的并发。车载系统虽然可以被看作是一个散布式网络系统，然而它却没有互联网大型主机系统的高并发特色，相反，它更器重通讯的实时性和牢靠性。

车载系统在物理上是向集中式开展的，也就是原来经过多个扩散ECU来成功的性能，慢慢集中到几个关键的高性能域控制器上。因此，虽然在软件设计上，咱们会尽量依照SOA的思绪拆分红一个一个小的服务，然而这些服务在部署上其实是集中式的。鉴于这种物理部署上的“集中”与运转时的“散布式”并存的特点，因此咱们可以经过一系列技术手腕来优化服务与服务之间的通讯提早（比如：经过共享内存技术）。这是车载散布式系统与互联网强调高并发特性的散布式系统之间另一个清楚的差异。

域集中式EE架构会是未来相当长一段时期占关键位置的汽车EE架构，域控制器作为域集中式EE架构的中心，会在整个汽车产业链中占据越来越关键的位置。其相应的芯片和配件打算、操作系统和算法等将会成为整个产业链各高低游厂家的争夺焦点。