主流“智能座舱”现状剖析及其主控芯片未来发展前景

shuszhao

作为未来汽车发展和创新的关键因素，智能座舱正成为打造差异化，吸引用户的重要一环。根据摩根士丹利的预测，仅中国智能座舱市场的规模，就将从2020年的470亿元人民币增长至2025年的850亿元人民币，复合年增长率达到13%，超过同期中国汽车市场的整体增长速率。


如何定义“智能座舱”？

IHS Markit汽车技术高级分析师Chen Dexin说如果简单借用智能手机和功能手机的差别来下定义的话，那么智能座舱应该是一个有着便捷和多样化的人机交互/人人交互手段，更多舱内传感器，更为贴合汽车运用场景APP的一个产品。同时，智能座舱也是一个不断发展的概念，因为未来的汽车座舱会随着自动驾驶程度的提高有着更多不同的运用场景，比如长途驾驶和市内通勤会催生不同的智能座舱设计。
“单纯将‘一机多屏’等同于智能座舱是片面的，因为‘一机多屏’只是一个形态，更多体现的是对成本的控制。而‘智能座舱’一定要在语音交互、实景导航、驾驶员状态检测这样的应用上突出‘智能’二字。”恩智浦智能网联汽车业务发展经理翟骁曙有着相同的看法。

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其实，这就像在从功能手机到智能手机的变革中，大屏只是手机体验的一部分一样，丰富的新功能、扩展的新应用以及全新的用户体验才是真正创造价值的地方。对智能座舱而言，一方面，“智能”意味着更加个性化的体验、更好的情境感知安全以及更高层级的自然交互；另一方面，随着智能网联汽车的不断演进，“智能”还代表着全新的服务及业务模式，智能座舱会将广泛的消费生态特点引入汽车行业，并成为“人机交互”的全新窗口。
例如在用户还没有坐进车里的时候，汽车就已提前识别出用户的身份，并与上一个使用者区分开来。根据用户喜好，调整头枕、方向盘和座椅位置、驾驶模式、载入用户专属座舱主题，甚至通过检测驾驶员的体温来调节空调温度等。用户并不需要对整台汽车的各类设置进行调整，而完全通过数字座舱平台对用户身份的识别进行匹配和自动调节，把整套的个性化配置调试好。
车辆周围如果有行人要过马路，驾驶员没有意识到，数字座舱内的仪表盘或HUD(抬头显示)屏会及时提示，而后视镜也具有行车记录功能；如果汽车前部的摄像头探测出前方路面有结冰情况，它会提前提示驾驶员。所以，数字座舱的发展很重要的一点是结合车辆摄像头、传感器、麦克风等组件收集来的信息，通过情景感知能力提升驾乘人员的安全和体验。
当然，个性化体验和情境感知安全都离不开用户与车辆的人机交互。数字座舱可以识别驾驶员的手势指令，同时支持自然语言处理的数字座舱可实现精准的语音控制(如识别主副驾的位置、打开一半的车窗操作等)，这些都让人机交互更加便捷与直观，且提升效率，在安全驾驶的同时完成各类任务。
Imagination Technologies汽车业务营销总监Bryce Johnstone同样认为，当我们将智能座舱概念与具有丰富显示环境的座舱概念进行对比时，需要考虑显示环境是如何与用户进行交互的。他指出，单纯拥有多个具有标准功能的显示屏并不能使体验变得智能。相反，这些显示屏上显示的内容以及它们如何使驾驶员变得更轻松，才是定义智能座舱的关键所在。正如越来越多的人工智能助手被应用于座舱中一样，它们通过获取消费者的喜好和行为信息来配置用户体验，既可以播放喜欢的音乐，也可以自主规划行车路线。
哈曼在2020年提出的”每英里体验“概念中就体现了这种自然交互的理念。也就是说，不会简单地把座舱的硬件配置作为判断的标准，而是以硬件为基础，考虑如何给驾乘人员提供相应的体验，能够理解甚至预判驾乘人员意图，自然的与驾乘人员交互。而在今年推出的哈曼ExP中，更是为驾乘人员提供了基于不同使用场景的解决方案。
与此同时，驾驶员将通过软件更新获得最新的汽车服务和功能特性、保养信息等；面向汽车的安全升级，我们将看到全新的理念，将驾驶员和经销商相连接。同时，汽车还能够提供支付服务，顺畅支持通行交费或其它交易种类；而汽车保险业也将受益于驾驶行为数据的使用，这对于消费者和商业车队而言都是重要的需求。甚至还有很多目前我们难以想象的应用，都将成为未来出行生活的重要部分。


高速成长的动力

“智能座舱”是一个系统的概念，实现形式广泛多样，根据定义不同可以得到差别很大的市场渗透率。IHS Markit的数据显示，仅“一机多屏”功能的域控制器在2026年就将达到约20%渗透率，而笼统定义下的智能座舱渗透率将显著高于这个数字，甚至可以这么认为，未来所有的中高档车应该都是某种程度上的智能座舱。

                               
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座舱域控制器出货量预测(资料来源：IHS Markit)

Strategy Analytics对2020年中国智能座舱发展状况的分析数据显示：前装联网率为60%，车载中控屏搭载率达到80%，车载导航的搭载率达到57%，车载语音识别的搭载率为58%，市场发展速度非常快，在全球市场处于领先水平。
哈曼方面认为，智能座舱之所以能够快速崛起，重要原因之一是相比智能驾驶在法律法规、技术路径等方面存在的不确定性，其商业化进度更容易推进。尤其是在当前“软件定义汽车”的大环境下，智能座舱的集成主要呈现“一芯多系统”的特点，即将液晶仪表、HUD、车载信息娱乐系统、DMS&OMS、语音识别以及ADAS功能融合在一起，为用户带来更直观、更个性化的驾乘体验。此外，随着OTA更新功能在汽车上的广泛应用，汽车制造商将有能力在售后与消费者建立长期联系，并持续提供增值服务。可以说，智能座舱也是汽车制造商布局售后战略规划、实现服务变现的重要载体。
既然无论是自动驾驶还是智能座舱，最终都是为用户的体验服务。那么，当用户在其他使用场景中的体验不断提升时，他们对于汽车的期望也会相应提高，并将在消费电子领域获得的体验延伸到车内。鉴于智能座舱已经成为车企激烈竞争的差异化卖点，所以如果从“智能“角度来看，渗透率只会越来越高，只是实现的方式和效果会有不同而已。
“相比之前，现在驱动智能座舱系统所需的计算性能更容易实现，软件和应用程序的能力也得到了大幅提升，使之部署变得更可行、更经济、更高效。”Bryce Johnstone说，现在有多种针对汽车的操作系统，它们在设计时专门配备了地图、娱乐和车辆管理等智能座舱应用程序。当它们与高效率、低功耗的车辆专用图形处理器(GPU)和神经网络加速器(NNA)芯片配合在一起时，就可以通过强大的计算能力来提供多个高分辨率响应式显示屏，并拥有边缘AI推理能力来将这些显示屏转换为智能座舱系统。
其实，智能座舱的迅速发展，离不开两个要点：技术和生态。当前，伴随着汽车智能化和网联化的发展，汽车本身以及支持智能座舱的底层技术，例如5G、网络连接、大数据处理、高性能低功耗计算等，都在迅速进化。同时，迅速发展的智能网联汽车生态也为智能座舱市场的壮大提供了土壤，从成熟的汽车制造商到造车新势力，从硬件厂商到软件生态厂商，越来越多的企业迈入这个领域并且持续加大投入，而消费者对座舱智能化与强大功能的需求，更加速了这一进程。


智能座舱的演进

与手机从最初只能处理短信、接打电话，进化到当前拥有强大智能功能一样，智能座舱也正经历着从对电子信息系统逐步整合的“电子座舱”，到最终成为“除了家庭和公司之外的‘第三生活空间’”的演进路线。
根据第三方机构今年1月发布的汽车行业专题报告，“智能座舱将重塑产业链竞争力和话语权”。最初，传统座舱产品形态较为简单，整体座舱以硬件为主，通过简单ECU实现对车身的控制，仪表和IVI系统之间单一独立、无法互动。但随着智能座舱产品软硬件结构复杂化程度的加深，操作系统和应用层软件开发水平开始直接影响消费者体验。因此在整车智能化发展趋势下，智能座舱领域传统Tier 1的核心竞争力将从集成、量产能力，转化为对多类型操作系统和芯片的兼容性开发和平台化能力。
而用户对智能座舱的感受，除了一眼就能看到的高清信息娱乐大屏、HUD、数字仪表这些硬件外，最直观感受到的会是来自应用层软件的差异。当前中国汽车制造商，尤其是电动汽车新势力纷纷发力，除了充电桩搜索、电量查询这些涉及汽车车身的应用外，也将各种消费电子应用、影音视频软件、各种应用商城APP加入到了汽车系统中。此外，随着消费电子巨头和互联网巨头纷纷布局中国汽车产业，更多带有消费电子属性的生态系统也将被融入车联网当中。
“将智能座舱定义为‘第三生活空间’的观点有一定的正确性，因为除了家庭和公司，日常花费时间最多的地方恐怕就是汽车了。”翟骁曙说，如果从智能化应用的角度来看智能座舱的未来发展方向，那与居家或办公时的基本诉求类似，在一定程度上甚至就可以把汽车理解为“安装了四个轮子的起居室”；但如果从数据安全的角度来看，由于汽车的行进路线会包含一些比较特征化的数据，所以智能座舱与家庭和公司在最终的形态上会有一些区别。
Bryce Johnstone的观点是，当前，智能座舱的发展方向是在汽车辅助驾驶方面实现娱乐、加油、地图及更多功能的演进，再下一步，则是驾乘人员监控功能的提升，也就是车内摄像头可以用来评估驾驶员的身体状态、警觉性和注意力，这一创新将与自动驾驶系统和先进驾驶辅助系统一同发展。
Chen Dexin用“your home away from home”这句话来形容未来的智能座舱。在他看来，未来的智能座舱应该有着更加多样化的人机交互HMI(语音、手势、AR抬头显示、融合导航指示），更大更高分辨率(12inch+,4K)的屏幕, 流畅的屏屏互动功能，多模态的舱内传感器(摄像头、毫米波雷达），更丰富的车机软件，同时能把座舱数据进行更好的整合以带来更便利的体验。


主流“智能座舱”前进到了哪里？

在Bryce Johnstone看来，当前主流的智能座舱仍然属于非常高端的功能，只有一些一级制造商在其高端产品线中推出了真正意义上的智能座舱。接下来的挑战，在于如何向更广大的车主推广这些功能，因为传统意义上，汽车的利润空间非常紧张，昂贵且大量的计算组件只能用于高端产品。一旦成本出现下降，智能座舱的功能得以逐步实现，那么不仅可以鼓励在软件开发方面进行更多投资，还可以使一级制造商的车辆产品凭借差异化功能和实惠的价格持续脱颖而出。
纵观当前市场上量产型高端智能座舱，已经可以实现的功能主要包括：个性化，即可以智能识别驾驶员身份，并自动实现车内相关配置；可以与消费电子端APP实现账号打通；支持包括语音、手势在内的多种交互方式，可实现一定程度的自然语义识别和交互；支持驾驶员监控，监测驾驶员疲劳状况，并给出相应提示和建议……
以哈曼向ARCFOX极狐交付的第二款智能座舱——极狐阿尔法S智能座舱系统为例，此款智能座舱系统集5种交互技术于一身，以语音和触摸交互为主，人脸识别、悬空手势、声纹识别、实体按键等为辅，实现多维度智能操控；个性化用户界面提供全屏分屏交替，接入腾讯视频、喜马拉雅等多款应用，内含无线CarPlay、CarLife互联方案，同时支持手机无线充电功能；基于电动车使用场景，含有电池低电量提醒并智能导航附近充电桩，整合ADAS高级驾驶辅助系统，并集成高清360°环视及驾驶员监控系统。
但值得注意的是，虚拟化平台的ARCFOX阿尔法T和阿尔法S智能座舱软件的代码量达到了惊人的4500万行，这对图形驱动、虚拟化以及整机运行效果都提出了前所未有的挑战。如果软件优化跟不上，就会大量出现使用硬件进行堆叠的情况。同时，智能座舱也是一个复杂的集成工程，软硬件来自上百个供应商，任何环节都需要严格把控以确保交付质量。
高通公司产品市场高级总监艾和志在接受采访时表示，智能座舱正处于快速发展期，整个行业在2020年取得了非常多的成果：硬件层面，高性能芯片、AR HUD、5G、C-V2X等新技术和新产品纷纷实现量产；软件层面，移动端操作系统和广泛的应用生态迅速上车。这些丰富的技术和应用不断扩展了“智能座舱”定义的边界，使智能座舱承载的功能更加丰富，各类人机交互、AI支持的智能化操作等功能也都已经实现。
从高通的角度来说，多层级的骁龙汽车数字座舱平台支持了众多国内外汽车制造商在2020年和2021年推出的新车。例如WEY摩卡能够支持车外360度的实时影像感知，高通所提供的高性能计算平台可以对传感器、摄像头捕捉的照片和视频图像进行实时的无缝拼接和渲染融合，在车内大屏为驾驶员呈现实时图像，帮助实现环视和轻松泊车等功能；小鹏P5和P7具备丰富的多媒体娱乐功能，通过异构计算、图形图像、计算机视觉和AI等技术，为用户打造沉浸式车内体验，包括听音乐/广播/电子书、看视频、玩游戏以及众多车载应用的扩展支持等等。


主控芯片未来往哪儿走？

随着汽车行业向“新四化”不断演进，整个汽车电子电气架构的变革趋势已经由分布式向集中式转变，这一点是毋庸置疑的。在传统分布式系统中，车辆各功能由不同的ECU控制，一辆车的系统往往由几十个甚至上百个ECU组成。但是，随着汽车科技迭代加快、功能越来越复杂，这种传统架构模块太多、可控性不强，难以满足快速变化的市场和汽车功能的需求。如今，汽车架构已经向更少的ECU、更集中的“基于域的系统”演进。在该架构中，中央计算可跨分区进行支持和调度，这也让核心的半导体元器件扮演了更重要的角色。
随着智能座舱SoC芯片能力的不断强大，无论是汽车制造商还是生态合作伙伴，都开始重新定义汽车上的融合体验，而未来智能座舱所代表的“车载信息娱乐系统＋全液晶仪表+电子后视镜＋HUD抬头显示系统＋车联网系统＋ADAS各种功能”的融合体验，都将依赖于智能座舱SoC芯片。
咨询机构罗兰贝格认为，短期内，自动驾驶高性能芯片和智能座舱主控芯片将分别演进。究其原因，座舱应用场景和芯片性能要求已相对明晰，并且消费电子级芯片可满足座舱现有场景需求，消费电子芯片玩家可以利用规模优势实现低成本商业化开发。
目前，汽车电子电气架构(EEA)正在经历从分布式架构(Distributed），到基于域的集中式架构(DCU based centralized)，再到基于域融合的带状架构(DCU fusion basedzonal)的发展历程。预计2030年以后，随着自动驾驶技术路线的逐渐成熟，自动驾驶高性能芯片将与座舱主控芯片进一步向中央计算芯片融合，从而通过集成进一步提升运算效率并降低成本，但由于自动驾驶和座舱安全要求不同，满足安全要求将成为融合的前提。

                               
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座舱域控制芯片发展情景(图片来源：罗兰贝格)
Bryce Johnstone认为打造完美的智能座舱系统级芯片(SoC)需要注重三个方面：性能、效率和安全。
“从性能和效率的角度来看，我们需要为汽车的进一步电气化和汽车所处理的数据大幅增加做好准备。仅在过去5年里，汽车所需的计算量就已呈现数量级式的增长，而随着更多智能和ADAS功能的实现，这一趋势还将延续下去。”他说，这意味着我们将比以往任何时候都需要更多的计算能力，同时要考虑电池和续航里程因素，这使得采用定制化嵌入式SoC成为关键所在。
事实也的确如此。当前，许多智能座舱和自动驾驶概念车都使用耗电且体积庞大的GPU芯片，这类GPU是从电源供电型游戏硬件改造而来的，虽然可以完成所需的计算，但是占用空间大、冷却成本高，且会耗费大量电池电量。采用优先考虑汽车需求的设计方法是解决这一问题的途径，也就是在GPU设计之初就要考虑到汽车有限的空间和功率预算，以便于进行优化从而获得极高的性能。
安全问题也需要考虑。当智能手机或家用设备上的辅助功能或GPU发生故障时，会给用户带来不便。那么，如果这种情况发生在车辆高速行驶或行驶在闹市区时，就会是致命的。因此，驱动汽车人机界面(HMI)所有组件的SoC必须满足ISO26262标准所规定的功能安全性。
对此，艾和志的看法是：“随着座舱对于视觉和环境感知、语音交互、网联通信等功能需求的提升，一个始终连接、拥有强大信息娱乐、实时导航和扩展功能的数字座舱，会成为未来驾乘体验的核心。”
车内屏幕成为展示服务和内容的窗口，这对AI和高性能计算提出了更多要求。AI和高性能计算将支持汽车制造商为用户带来多元的沉浸式体验，包括AI虚拟助理、车内游戏、4K多屏显示、顶级的音视频娱乐等。
随着汽车功能的增多，座舱芯片平台将向集成式解决方案演进，从而减少组件数量，最大程度降低有线连接和冷却系统的需求。
汽车功能需求的增多还将使数字座舱越来越多地采用异构计算，通过覆盖整个异构引擎的分区算法，使每个时钟周期内可以完成更多运算，并让算法与对应的处理引擎逐一匹配，从而以更低功耗处理更多运算。


无法忽视的软件力量

在谈及“未来数年内，在车内人工智能和软件定义汽车两大趋势的引领下，整个汽车电子电气架构会不会只剩下中央计算、智能驾驶和智能座舱三个域，其余子系统则统统被集成的局面？”时，Chen Dexin回应称，这的确是业界一直在讨论的话题，根据他的观察，这一过程将呈现“两步走”的特点：首先是汽车的主要功能将被集成在3-5个域控制器(如座舱/舒适/动力/辅助驾驶/网联)上，之后是否会有更高算力、更高集成度的中央运算平台出现，目前仍然在讨论阶段。同时值得关注的是，尽管硬件的集成和软件附加值的提升现在仍处于“修桥铺路”阶段，但已成必然趋势。
翟骁曙表示，子系统被尽量多的集成是一个趋势，最大的驱动力在于成本的节省，以及便于在“软件定义汽车”概念下进行部署。因此，目前三个域的架构形态不会是最终版，随着集成度的不断提高，最终形态有可能是这三个域融合到一起，变成类似中央行车电脑的形态。
他特别提到了与电子电气架构相关的软件部分，指出未来OTA一定会广泛流行，因为这是所有软件定义汽车的基本承载工具。将来，汽车通过无线网络就可以对车内软件实施在线升级，并借此改变或者升级车辆的功，这是未来汽车的重要特征，会对车辆提供的服务、软件开发等方面带来显著变化。此外，汽车电子的比重会越来越高，虽然自动驾驶功能的执行机构仍然是车轮、动力系统和底盘，但决策和感知机构占比将明显扩大，使得整车电子电气架构愈发重要。
“伴随着汽车架构的演进，软件也在发展，未来软件的功能和质量将在很大程度上决定汽车的产品体验，而硬件仍将是支撑软件运行的重要基础。”这是高通在谈及软件时表达出的核心思想。
我们可以从以下几个方面加以理解。首先，软件将更多地参与到整车的设计、开发、验证中，同时将会贯穿到用户整个用车周期内。过去，汽车制造商并不会过多地考虑软件，或者把软件作为打造或定义一辆汽车的核心。现在，整个汽车行业都在朝着电气化转变，驾乘人员需要知道充电站在哪里，需要仪表盘的各种信息，需要能够更新用于自动驾驶、数字座舱的电子控制单元等。
但是软件也离不开硬件基础支撑。如果拥有一台以软件为中心的汽车，那么消费者就得需要具有强大算力的、可以运行这些软件的处理器。总的来说，软件将帮助定义产品性能体验，但是硬件决定产品的天花板——再强大的功能也要依托硬件的实现，需要成熟稳定的标准化基础硬件支持，要具备良好的架构设计。
高通也是看到了上述趋势，所以在进行汽车产品设计时，在提供硬件产品的同时提供完整的软件解决方案，并且支持产品在整个生命周期里对于硬件和软件性能及时更新和升级，从而释放更多新性能和特性，同时也能实现内容、应用程序和服务的集成。

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智能座舱越来越复杂了

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