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汽車硬件虛擬化的發(fā)展趨勢(shì)

2020-08-11 20:54:30·  來源：智車科技  
　
隨著汽車行業(yè)電氣化和自動(dòng)化程度的提高，汽車內(nèi)部ECU的合并，更嚴(yán)格的安全性標(biāo)準(zhǔn)，汽車生態(tài)系統(tǒng)參與者正在以多種方式尋求虛擬化概念，以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)
隨著汽車行業(yè)電氣化和自動(dòng)化程度的提高，汽車內(nèi)部ECU的合并，更嚴(yán)格的安全性標(biāo)準(zhǔn)，汽車生態(tài)系統(tǒng)參與者正在以多種方式尋求虛擬化概念，以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)未來汽車。
 
計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的硬件虛擬化
硬件虛擬化是一種對(duì)計(jì)算機(jī)或操作系統(tǒng)的虛擬，虛擬化對(duì)用戶隱藏了真實(shí)的計(jì)算機(jī)硬件，表現(xiàn)出另一個(gè)抽象計(jì)算平臺(tái)。
諸如GPU之類的設(shè)備，托管一個(gè)或多個(gè)虛擬機(jī)的能力，每個(gè)虛擬機(jī)的行為類似于具有自己的操作系統(tǒng)獨(dú)立計(jì)算機(jī)，并且都在相同的基礎(chǔ)設(shè)備硬件上運(yùn)行。這意味著單個(gè)GPU可以支持多個(gè)同時(shí)運(yùn)行的操作系統(tǒng)，每個(gè)操作系統(tǒng)都將工作負(fù)載提交給單個(gè)圖形硬件設(shè)備。
如果做一個(gè)更形象的比喻，有一臺(tái)打印機(jī)連接在一臺(tái)電腦上，只有一部電腦才能使用它，為了讓不同的電腦能用上它，我們?cè)谶@臺(tái)電腦上配置共享打印機(jī)的功能，就好比軟件虛擬化，打印機(jī)本身進(jìn)化成網(wǎng)絡(luò)端口，直接提供給不同的電腦同時(shí)服務(wù)，就成了硬件的虛擬化。
計(jì)算平臺(tái)作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的大腦，多采用多元異構(gòu)的硬件架構(gòu)，并通過多種操作系統(tǒng)運(yùn)行具有不同功能安全和信息安全等級(jí)的環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和車輛控制算法，讓人不禁會(huì)思考：硬件虛擬化是否可以嫁接到車載計(jì)算機(jī)上，充分利用車內(nèi)計(jì)算空間，并進(jìn)一步壓縮硬件成本。
車內(nèi)虛擬化的發(fā)展
 
1950年，電子產(chǎn)品僅占汽車成本的1％。如今，汽車成本中約有40％是電子設(shè)備，隨著自動(dòng)駕駛功能和安全功能的增加以及針對(duì)這些系統(tǒng)的定制軟件的開發(fā)，這種成本將繼續(xù)上升。
有專家指出，“有些公司構(gòu)建了SoC，但實(shí)際上他們采用了兩個(gè)圖形核心，一個(gè)用于儀表板，另一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)另一塊屏幕，這些在物理上是分開的。問題是，如果兩者性能存在差異，則不能僅使用另一個(gè)GPU來加速它,這是人們遇到的一個(gè)大問題。沒有充分挖掘和利用計(jì)算空間，配置太多模塊導(dǎo)致了昂貴的結(jié)果。”
傳統(tǒng)汽車制造商似乎還沒有意識(shí)到車載操作系統(tǒng)重要性，它能在未來商業(yè)模式中節(jié)省資金，同時(shí)也可以解決自動(dòng)駕駛問題，ADAS問題和安全問題以及所有其他電氣化問題。
計(jì)算平臺(tái)在硬件層實(shí)現(xiàn)多處理器整合的同時(shí)，打破了傳統(tǒng)汽車電子架構(gòu)中基于總線和網(wǎng)關(guān)的物理保護(hù)屏障，使得不同安全級(jí)別的應(yīng)用共享計(jì)算能力，在軟件層基于自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件運(yùn)行具有不同功能安全及信息安全等級(jí)和實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用軟件。保證差異化功能安全和信息安全要求的同時(shí)滿 足性能要求是自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
特斯拉在互聯(lián)汽車的功能方面發(fā)揮了重要作用，可以使用iPhone打開汽車，檢查汽車，查看汽車中的攝像頭,一般情況下，兩臺(tái)不同的計(jì)算機(jī)，無法將相機(jī)連接到該手機(jī)上，它觀看視頻。然而，特斯拉計(jì)算機(jī)執(zhí)行攝像頭系統(tǒng)，與其他任何設(shè)備都可以形成通信，這就是操作系統(tǒng)的意義。
硬件虛擬化旨在解決這些問題。“假設(shè)你有一個(gè)GPU，但是它具有多個(gè)客戶端操作系統(tǒng)-基本上是多個(gè)受保護(hù)的工作負(fù)載，它們可以占據(jù)一定比例的GPU，可以將其完全放在硬件中，以使開銷降至最低，這與人們近來在CPU上所做的事情類似,一種基于時(shí)間切片的系統(tǒng)。使用基于軟件的規(guī)則來調(diào)度不同的工作負(fù)載并相互保護(hù)。”
Cadence解決方案營銷高級(jí)組總監(jiān)Frank Schirrmeister指出，鑒于汽車行業(yè)正在重新考慮數(shù)據(jù)總線，因此虛擬化在當(dāng)前的汽車中尤其重要。“虛擬化非常重要，尤其是在汽車中，您會(huì)遇到分區(qū)架構(gòu)以及如何放置的情況。您確實(shí)需要小心，將關(guān)鍵方面與次要方面分開，例如音頻和視頻，后者對(duì)自動(dòng)駕駛很重要。”
在自動(dòng)駕駛汽車中,具有許多不同的分布式處理器，但并不是每個(gè)處理器都專用于特定功能。在許多情況下，這被視為冗余的一種方式，從而增加了重量和成本。但是這種方法也限制了自動(dòng)駕駛汽車所需的故障轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的功能。
每個(gè)提供商都將為該特定處理器提供操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序,隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，所需的計(jì)算能力被集中在一臺(tái)集中式計(jì)算機(jī)中。這些處理器被要求放在一起，同時(shí)又要互不干擾分開工作，不同的安全等級(jí)往往會(huì)帶來很大的難度。通過虛擬化的方法，可以創(chuàng)建分配任務(wù)的錯(cuò)覺，將每個(gè)任務(wù)分開，如果某個(gè)特定任務(wù)由于軟件故障而失敗，那么其他所有任務(wù)都將不受影響。軟件虛擬化是分隔不同軟件系統(tǒng)并降低總體硬件成本的有效方法。
國外Imagination公司利用內(nèi)置的硬件虛擬化功能，實(shí)現(xiàn)服務(wù)與應(yīng)用程序的完全隔離，以確保在系統(tǒng)被入侵或數(shù)據(jù)毀損的情況下仍能保持安全，此平臺(tái)最多能同時(shí)支持八個(gè)應(yīng)用程序或服務(wù)運(yùn)行在各自獨(dú)立的容器中，汽車 OEM 廠商能任意部署并移除服務(wù)，完全不會(huì)影響其他同時(shí)運(yùn)行的服務(wù)。汽車 OEM 廠商可以根據(jù)圖形或運(yùn)算應(yīng)用程序優(yōu)先設(shè)計(jì)其系統(tǒng)，以滿足車道偏離警示、盲點(diǎn)偵測(cè)、以及全景環(huán)繞等 ADAS 功能。其他任務(wù)，像是信息娛樂系統(tǒng)和儀表板顯示，能在第二個(gè) SPU 上運(yùn)行，利用優(yōu)先級(jí)機(jī)制來達(dá)到系統(tǒng)的性能目標(biāo)。
汽車虛擬化面臨的挑戰(zhàn)
 
目前，用于汽車應(yīng)用的處理器內(nèi)核發(fā)展緩慢。為了支持虛擬化，需要附加硬件功能，結(jié)合更多的軟件層，這使得整體驗(yàn)證和功能安全合規(guī)性更加復(fù)雜。同時(shí)，如果沒有標(biāo)準(zhǔn)化解決方案（例如汽車專用操作系統(tǒng)），該問題將變得更加困難。操作系統(tǒng)的任務(wù)是處理這個(gè)領(lǐng)域中許多獨(dú)特的安全性和復(fù)雜性要求，但是要與專用操作系統(tǒng)相比，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)要困難得多。
 
汽車是世界上唯一沒有自己的操作系統(tǒng)的大批量消費(fèi)設(shè)備。INTEGRITY和QNX是最著名的以汽車為中心的操作系統(tǒng)。還有汽車級(jí)的Linux版本，這是Linux的簡化版本，所有這些都可以在虛擬系統(tǒng)中運(yùn)行。Linux和Android之類的產(chǎn)品都經(jīng)過了一定程度的測(cè)試，但是它們?nèi)匀皇情_源的，不能完全保證它們沒有錯(cuò)誤。
 
同時(shí)，汽車開發(fā)過程中要求將ISO26262覆蓋在汽車開發(fā)的V模型上。在開發(fā)周期的每個(gè)階段，甚至都要解決一些沒有出現(xiàn)在開發(fā)工具中的開發(fā)步驟，并且這些步驟必須是可追溯和可測(cè)試的，虛擬化在這里也可以發(fā)揮作用。
 
汽車OEM廠商們正在努力磨練其軟件專業(yè)知識(shí),解決以硬件為中心的思維方式。 虛擬化，數(shù)字化和數(shù)字雙胞胎確實(shí)可以為他們提供幫助，滿足在物理上無法驗(yàn)證真實(shí)硬件上的所有內(nèi)容。測(cè)試從設(shè)計(jì)到驗(yàn)證都是斷開的，使用數(shù)字孿生和虛擬化的抽象是幫助他們突破障礙的一種方法。如果他們?cè)谡麄€(gè)過程中都接受這一點(diǎn)，將可以極大地加快和改善更多自動(dòng)駕駛汽車的開發(fā)過程。
 
 
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