McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive

По мере того, как автомобиль продолжает переход от аппаратно-управляемого обеспечения к программно-управляемым устройствам, правила конкурентной борьбы в автомобильной промышленности сильно меняются.

Двигатель был технологическим и инженерным ядром автомобиля 20-го века. Сегодня эту роль все чаще выполняют программное обеспечение, большие вычислительные мощности и современные датчики; большинство инноваций связаны со всем этим. От этих вещей зависит все, начиная от эффективности автомобилей, их доступа к интернету и возможности автономного вождения, заканчивая электромобильностью и новыми мобильными решениями.

Однако вместе с важностью электроники и ПО растет также их уровень сложности. Возьмем в качестве примера растущее число строк программного кода (SLOC), содержащихся в современных автомобилях. В 2010 году на некоторых автомобилях было около десяти миллионов SLOC; к 2016 году этот показатель увеличился в 15 раз и составил примерно 150 миллионов строк кода. Лавинообразная сложность вызывает серьезные проблемы с качеством программного обеспечения, о чем свидетельствуют многочисленные отзывы о новых автомобилях.

У машин повышенный уровень автономии. Поэтому люди, работающие в автомобильной промышленности, считают качество и безопасность ПО и электроники ключевыми требованиями для обеспечения безопасности людей. Автомобильной отрасли необходимо переосмыслить современные подходы к ПО, а также к электрической и электронной архитектуре.

Решение острой проблемы отрасли

Поскольку автомобильная промышленность переходит от аппаратно-управляемого обеспечения к программно-управляемым устройствам, среднее количество ПО и электроники на транспортном средстве быстро увеличивается. На сегодняшний день программное обеспечение составляет 10% от общего содержимого автомобилей для сегмента D или автомобиля побольше (примерно 1220 долларов США). Ожидается, что средняя доля программного обеспечения вырастет на 11%. Прогнозируют, что к 2030 году ПО будет составлять 30% от общего содержимого автомобилей (около $ 5200). Неудивительно, что люди, участвующие в том или ином этапе создания автомобилей, пытаются извлечь выгоду из инноваций, реализованных с помощью программного обеспечения и электроники.

Компании, разрабатывающие программное обеспечение, и другие игроки в области цифровых технологий больше не хотят быть на задворках. Они пытаются привлечь автопроизводителей в качестве поставщиков первого уровня. Свое участие в «стеке» автомобильных технологий компании расширяют за счет перехода от фич и приложений к операционным системам. В то же время компании, привыкшие работать с электронными системами, смело вступают в сферу применения технологий и приложений от технических гигантов. Производители автомобилей премиум-класса не стоят на месте и разрабатывают собственные операционные системы, аппаратные абстракции и способы обработки сигналов, чтобы их продукты были уникальными по своей природе.

У вышеописанной стратегии есть последствия. В будущем нас ждет сервис-ориентированная архитектура (SOA) транспортного средства на основе общих вычислительных платформ. Разработчики добавят много нового: решения в области обеспечения доступа к интернету, приложения, элементы искусственного интеллекта, расширенную аналитику и операционные системы. Различия будут не в традиционном аппаратном обеспечении автомобиля, а в пользовательском интерфейсе и в работе с программным обеспечением и передовой электроникой.

Автомобили будущего перейдут на платформу новых брендовых конкурентных преимуществ.

Скорее всего, они будут включать в себя информационно-развлекательные инновации, возможности автономного вождения и интеллектуальные функции безопасности, основанные на «отказоустойчивом» поведении (например, система, способная выполнять свою ключевую функцию, даже если ее часть выходит из строя). Программное обеспечение продолжит двигаться вниз по цифровому стеку, чтобы стать частью оборудования под видом интеллектуальных датчиков. Стеки станут горизонтально интегрированными и получат новые уровни, которые переведут архитектуру в SOA.

Модные тенденции меняют правила игры. Они влияют на программное обеспечение и электронную архитектуру. Эти тенденции определяют сложность и взаимозависимость технологий. Например, новые интеллектуальные датчики и приложения создадут «бум данных» в транспортном средстве. Если компании, занимающиеся производством автомобилей, хотят оставаться конкурентоспособными, им нужно эффективно обрабатывать и анализировать данные. Модульные обновления SOA и беспроводные обновления (OTA) станут ключевыми требованиями для поддержки сложного программного обеспечения в автопарках. Они также очень важны для реализации новых бизнес-моделей, в которых функции появляются по первому требованию. Все больше будут применяться информационно-развлекательные системы и, хоть и в меньшей степени, передовые системы помощи водителю (ADAS). Причина в том, что появляется все больше и больше сторонних разработчиков приложений, которые предоставляют продукты для транспортных средств.

Из-за требований к цифровой безопасности стратегия обычного контроля доступа перестает быть интересной. Пора переходить на интегрированную концепцию безопасности, предназначенную для прогнозирования, предотвращения и обнаружения кибератак, а также защиты от них. Когда появятся высокоавтоматизированные возможности вождения (HAD), нам потребуется конвергенция функционала, превосходная вычислительная мощность и высокая степень интеграции.

Изучение десяти гипотез о будущей электрической или электронной архитектуре

Путь развития как для технологии, так и для бизнес-модели еще однозначно не определен. Но на основе наших обширных исследований и мнений экспертов мы разработали десять гипотез относительно будущей электрической или электронной архитектуры автомобиля и ее последствий для отрасли.

Все чаще будет осуществляться консолидация электронных блоков управления (ЭБУ/ECU)

Вместо множества конкретных ЭБУ для конкретных функций (как в нынешней модели в стиле «добавить функцию, добавить окно») отрасль перейдет на объединенную архитектуру ЭБУ автомобиля.

На первом этапе большая часть функциональности будет сосредоточена на объединенных контроллерах доменов. Для доменов основных транспортных средств они частично заменят функциональные возможности, которые есть сейчас в распределенных ЭБУ. Разработки уже ведутся. Ждем готовый продукт на рынке через два-три года. Консолидация вероятней всего произойдет у стеков, связанных с функциями ADAS и HAD, в то время как более базовые функции транспортного средства могут сохранять более высокую степень децентрализации.

Мы движемся в направлении автономного вождения. Поэтому виртуализация программных функций и абстрагирование от аппаратных средств станут просто необходимыми. Этот новый подход можно реализовать по-разному. Можно объединить аппаратное обеспечение в стеки, которые удовлетворяют разным требованиям по отношению к времени ожидания и надежности. К примеру можно взять высокопроизводительный стек, поддерживающий функциональные возможности HAD и ADAS, и отдельный управляемый временем стек с малым временем ожидания для основных функций безопасности. Или же можно заменить ЭБУ одним резервным «суперкомпьютером». Другой возможный сценарий это когда мы совсем отказываемся от концепции блока управления в пользу умной вычислительной сети.

Изменения обусловлены прежде всего тремя факторами: затратами, новыми участниками рынка и спросом на HAD. Снижение затрат на разработку функций и на необходимое вычислительное оборудование, включая коммуникационное оборудование, ускорит процесс консолидации. То же самое можно сказать и о новых участниках автомобильного рынка, которые, скорее всего, подорвут отрасль с помощью программно-ориентированного подхода к архитектуре автомобилей. Растущий спрос на функции HAD и резервность также потребует более высокой степени консолидации ЭБУ.

Некоторые автопроизводители премиум-класса и их поставщики уже активно участвуют в консолидации ЭБУ. Они делают первые шаги по обновлению своей электронной архитектуры, хотя на данный момент прототипа еще нет.

Промышленность ограничит количество стеков, используемых для конкретного оборудования

Сопровождение консолидации нормализует ограничение стеков. Оно позволит разделить функции транспортного средства и аппаратного обеспечения ЭБУ, которое включает в себя активное использование виртуализации. Аппаратное и встроенное микропрограммное обеспечение (включая операционную систему) будет зависеть от основных функциональных требований, а не от части функционального домена транспортного средства. Чтобы обеспечить разделение и сервис-ориентированную архитектуру нужно ограничить количество стеков. Ниже перечислены стеки, которые могут стать основой для будущих поколений автомобилей через 5-10 лет:

• Стек, управляемый временем. В этом домене контроллер напрямую подключен к датчику или к исполнительному механизму, в то время как системы должны поддерживать жесткие требования в режиме реального времени и при этом обладать малым временем ожидания; планирование ресурсов основано на времени. Этот стек включает в себя системы, которые достигают наивысшего уровня безопасности автомобиля. Примером может служить классический домен автомобильной архитектуры открытых систем (AUTOSAR).
• Стек, управляемый временем и событиями. Этот гибридный стек объединяет высокопроизводительные приложения безопасности за счет, например, поддержки ADAS и HAD. Приложения и периферийные устройства разделены операционной системой, в то время как приложения планируются по времени. Внутри приложения планирование ресурсов может быть основано на времени или приоритете. Операционная среда обеспечивает выполнение критически важных приложений в изолированных контейнерах, четко отделяя эти приложения от других приложений в автомобиле. Хороший пример — адаптивный AUTOSAR.
• Стек, управляемый событиями. Этот стек сосредоточен на информационно-развлекательной системе, которая не является критически важной для безопасности. Приложения четко отделены от периферийных устройств, а ресурсы планируются с использованием оптимального планирования или планирования на основе событий. Стек содержит видимые и часто используемые функции: Android, Automotive Grade Linux, GENIVI и QNX. Эти функции позволяют пользователю взаимодействовать с транспортным средством.
• Облачный стек. Последний стек охватывает доступ к данным и координирует его и функции автомобиля снаружи. Данный стек отвечает за связь, а также за проверку безопасности приложений (аутентификацию) и устанавливает определенный автомобильный интерфейс, в том числе удаленную диагностику.

Поставщики автомобилей и производители технологий уже начали специализироваться на некоторых из этих стеков. Ярким примером является информационно-развлекательная система (стек, управляемый событиями), где компании разрабатывают коммуникационные возможности — 3D и расширенную навигацию. Второй пример — искусственный интеллект и зондирование для высокопроизводительных приложений, где поставщики объединяются с ключевыми автопроизводителями для разработки вычислительных платформ.

В домене, управляемым временем, AUTOSAR и JASPAR поддерживают стандартизацию этих стеков.

Промежуточное программное обеспечение будет абстрагировать приложения от аппаратного обеспечения

Поскольку транспортные средства продолжают развиваться в направлении мобильных вычислительных платформ, промежуточное программное обеспечение позволит перенастроить автомобили, установить и обновить их программное обеспечение. Сейчас промежуточное ПО в каждом ЭБУ облегчает связь между устройствами. В следующем поколении транспортных средств оно будет связывать контроллер домена с функциями доступа. С помощью аппаратного обеспечения ЭБУ в автомобиле, промежуточное программное обеспечение обеспечит абстракцию, виртуализацию, SOA и распределенные вычисления.

Уже есть доказательства того, что представители автомобильного бизнеса переходят к более гибким архитектурам, в том числе и к промежуточному программному обеспечению. Например, адаптивная платформа AUTOSAR это динамическая система, которая включает в себя промежуточное программное обеспечение, поддержку сложной операционной системы и современные многоядерные микропроцессоры. Однако разработки, имеющиеся на данный момент, ограничены только одним ЭБУ.

В среднесрочной перспективе количество бортовых датчиков значительно возрастет

В следующих двух-трех поколениях транспортных средств автопроизводители установят датчики со схожими функциями, чтобы гарантировать, что резервов, связанных с безопасностью, достаточно.

В долгосрочной перспективе автомобильная промышленность разработает специальные решения для датчиков, чтобы уменьшить их количество и стоимость. Мы считаем, что объединение радара и камеры может быть самым популярным решением в ближайшие пять-восемь лет. Поскольку возможности автономного вождения продолжают расти, будет необходимо ввести лидары. Они позволят обеспечить резервность как в сфере анализа объектов, так и в сфере локализации. Например, для конфигурации автономного вождения SAE International L4 (высокой автоматизации) вначале, вероятно, потребуется от четырех до пяти лидарных датчиков, включая те что будут установлены сзади для навигации в городе и для видимости почти на 360 градусов.

По поводу количества датчиков в транспортных средствах в долгосрочной перспективе сложно что-то сказать. Либо их количество увеличится, либо уменьшится, либо останется таким же. Все зависит от регламента, технической зрелости решений и способности использовать несколько датчиков в разных случаях. Нормативные требования могут, например, усилить контроль за водителем, что приведет к увеличению количества датчиков внутри транспортного средства. Можно ожидать, что в салоне автомобиля будет использоваться больше датчиков потребительской электроники. Датчики движения, мониторинг состояния здоровья (частоты сердечных сокращений и сонливости), распознавание лица и радужной оболочки — это лишь некоторые из возможных вариантов использования. Однако, чтобы увеличить количество датчиков или даже оставить все как есть, потребуется более широкий перечень материалов, причем не только в самих датчиках, но и в сети транспортных средств. Поэтому гораздо выгоднее количество датчиков уменьшить. С появлением высокоавтоматизированных или полностью автоматизированных транспортных средств усовершенствованные алгоритмы и машинное обучение могут повысить производительность и надежность датчиков. Благодаря более мощным и функциональным сенсорным технологиям, лишние сенсоры возможно больше не понадобятся. Датчики, используемые сегодня, могут устареть — появятся более функциональными датчики (например, вместо парковочного помощника на основе камеры или лидара могут появится ультразвуковые датчики).

Датчики станут умнее

Системной архитектуре будут нужны интеллектуальные и интегрированные датчики для управления огромными объемами данных, которые необходимы для высокоавтоматизированного вождения. Высокоуровневые функции, такие как объединение датчиков и трехмерное позиционирование, будут работать на централизованных вычислительных платформах. Циклы предварительной обработки, фильтрации и быстрой реакции, скорее всего, будут находиться на границе или выполняться непосредственно в самом датчике. Согласно одной из оценок, объем данных, которые автономный автомобиль будет генерировать каждый час, составляет четыре терабайта. Следовательно, искусственный интеллект будет перемещаться из ЭБУ в датчики для проведения базовой предварительной обработки. Она требует небольшого времени ожидания и низкой вычислительной производительности, особенно если сравнить затраты на обработку данных в датчиках и затраты на передачу больших объемов данных в транспортном средстве. Резервность принимаемых на дороге решений в HAD, тем не менее, потребует конвергенции для централизованных вычислений. Вероятней всего эти вычисления будут считаться на основе предварительно обработанных данных. Интеллектуальные датчики будут контролировать свои собственные функции, в то время как резервность датчиков повысит надежность, доступность и, следовательно, безопасность сенсорной сети. Чтобы обеспечить правильную работу датчика в любых условиях, потребуются приложения для очистки сенсоров — противогололедные средства и средства для удаления пыли и грязи.

Потребуется полная мощность и резервные сети передачи данных

Ключевые и критически важные для безопасности приложения, требующие высокой надежности, будут использовать полностью резервированные циклы для всего, что необходимо для безопасного маневрирования (передачи данных, электропитания). Внедрение электромобильных технологий, центральных компьютеров и энергоемких распределенных вычислительных сетей потребует новых резервных сетей управления питанием. Отказоустойчивые системы, поддерживающие проводное управление и другие функции HAD, потребуют разработки систем резервирования. Это существенно улучшит архитектуру современных реализаций отказоустойчивого мониторинга.

«Automotive Ethernet» поднимется и станет основой автомобиля

Современных автомобильных сетей недостаточно для удовлетворения потребностей будущих транспортных средств. Повышенные скорости передачи данных, требования к резервности для HAD, необходимость безопасности и защиты в подключенных средах, а также потребность в межотраслевых стандартизированных протоколах, скорее всего, приведут к появлению автомобильного Ethernet. Он станет ключевым средством обеспечения, особенно для резервированной центральной шины данных. Решения Ethernet потребуются для обеспечения надежной связи между доменами и удовлетворения требований в режиме реального времени. Это станет возможным, благодаря добавлению Ethernet таких расширений как Audio Video Bridging (AVB) и time-sensitive networks (TSN). Представители индустрии и OPEN Alliance поддерживают внедрение технологии Ethernet. Многие автопроизводители уже сделали этот большой шаг.

Традиционные сети вроде локальных взаимосвязанных сетей и сетей контроллеров, будут продолжать использоваться в транспортном средстве, но только для закрытых сетей нижнего уровня, например, в датчиках. Такие технологии, как FlexRay и MOST, вероятно, будут заменены автомобильным Ethernet и его расширениями — AVB и TSN.

В будущем мы ожидаем, что автомобильная промышленность также будет использовать другие технологии Ethernet — HDBP (high-delay bandwidth products) и 10-гигабитные технологии.

OEM-производители всегда будут строго контролировать возможности подключения к данным для обеспечения функциональной безопасности и HAD, однако они будут открывать интерфейсы, чтобы доступ к данным могли получить третьи лица

Центральные шлюзы связи, передающие и принимающие критически важные для безопасности данные, всегда будут напрямую подключаться к бэкэнду OEM-производителя. Доступ к данным будет открыт для третьих лиц, когда это не запрещено правилами. Информационно-развлекательная деятельность является «приложением» к транспортному средству. В этой области появляющиеся открытые интерфейсы позволят контент-провайдерам и приложениям разворачивать свои продукты, в то время как OEM-производители будут придерживаться стандартов, насколько это возможно.

Сегодняшний бортовой диагностический порт будет заменен подключенными телематическими решениями. Доступ к техническому обслуживанию для автомобильной сети больше не потребуется, но сможет проходить через бэкенды OEM-производителей. OEM-производители предоставят порты данных в задней части транспортного средства для определенных случаев использования (отслеживания угнанных транспортных средств или индивидуальной страховки). Однако устройства после продажи будут иметь все меньше доступа к внутренним сетям передачи данных.

Крупные операторы автопарка будут играть более важную роль в пользовательском опыте и будут создавать ценность для конечных клиентов. Они смогут предлагать разные транспортные средства для разных целей в рамках одной подписки (например, для ежедневных поездок на работу или отдыха в выходные). От них потребуется использование серверных частей различных OEM-производителей и консолидация данных в своих автопарках. Тогда большие базы данных позволят операторам автопарка монетизировать консолидированные данные и аналитику, недоступную на уровне OEM.

Автомобили будут использовать облачные сервисы, чтобы объединить бортовую информацию с внешними данными

«Нечувствительные» данные (то есть данные, которые не связаны с личностью или безопасностью) будут все чаще обрабатываться в облаке для получения дополнительной информации. Доступность этих данных за пределами OEM будет зависеть от будущих законов и договоренностей. По мере роста объемов данных без аналитики данных будет невозможно обойтись. Аналитика нужна для обработки информации и извлечения важных данных. Мы стремимся к автономному движению и другим цифровым инновациям. Эффективность использования данных будет зависеть от обмена данными между несколькими игроками рынка. До сих пор неясно, кто и как это будет делать. Однако крупные поставщики автомобилей и технологические компании уже сейчас создают интегрированные автомобильные платформы, способные обрабатывать новое множество данных.

В автомобилях появятся обновляемые компоненты, которые будут поддерживать двустороннюю связь

Бортовые тестовые системы позволят автомобилям автоматически проверять наличие обновлений. Мы сможем управлять жизненным циклом автомобиля и его функциями. Все ЭБУ будут отправлять и получать данные от датчиков и исполнительных механизмов, извлекая данные. Эти данные будут использоваться в разработке инноваций. Примером может послужить построение маршрута на основе параметров транспортного средства.

Возможность обновления OTA является обязательным условием для HAD. Благодаря этим технологиям у нас появятся новые функции, кибербезопасность и более быстрое развертывание функций и ПО. Фактически, именно возможность обновления OTA является движущей силой многих важных изменений, описанных выше. Кроме того, эта возможность также требует комплексного решения по обеспечению безопасности на всех уровнях стека — как за пределами транспортного средства, так и внутри ЭБУ. Это решение еще только предстоит разработать. Интересно посмотреть, кто и как это сделает.

Смогут ли обновления у автомобилей устанавливаться как на смартфоне? Отрасли необходимо преодолеть ограничения в договорах поставщиков, нормативные требования, а также проблемы безопасности и конфиденциальности. Многие автопроизводители объявили о планах развертывания сервисных предложений OTA, включая беспроводные обновления для своих автомобилей.

OEM-производители будут стандартизировать свои автопарки на платформах OTA, тесно сотрудничая с поставщиками технологий в этой области. Возможности подключения к автомобилям и платформы OTA вскоре станут очень важны. OEM-производители понимают это и стремятся получить больше прав собственности в этом сегменте рынка.

Транспортные средства будут получать обновления программного обеспечения и функций, а также обновления безопасности для проектного срока службы. Контролирующие органы, вероятно, будут обеспечивать обслуживание программного обеспечения, чтобы обеспечить целостность конструкции автомобиля. Необходимость обновлять и поддерживать программное обеспечение приведет к появлению новых бизнес-моделей для технического обслуживания и эксплуатации транспортных средств.

Оценка будущих последствий программного обеспечения для автомобилей и электронной архитектуры

Тенденции, влияющие на автомобильную промышленность, порождают серьезные неопределенности, связанные с аппаратным обеспечением. Тем не менее будущее программного обеспечения и электронной архитектуры выглядит многообещающе. Перед индустрией открыты все возможности: автопроизводители могли бы создавать отраслевые ассоциации для стандартизации архитектуры транспортных средств, цифровые гиганты могли бы внедрять бортовые облачные платформы, игроки, занимающиеся мобильностью, могли бы производить свои собственные транспортные средства или разрабатывать стеки транспортных средств с открытым исходным кодом и функциями программного обеспечения, автопроизводители могли бы внедрять все более изощренные автономные машины, с возможностью интернет-подключения.

Продукты скоро перестанут быть ориентированы на аппаратные средства. Они будут ориентированы на программное обеспечение. Этот переход тяжело дастся автомобильным компаниям, которые привыкли производить традиционный автопром. Тем не менее, учитывая описанные тенденции и изменения, даже у малых компаний не останется выбора. Им придется подготовиться.

Мы видим несколько основных стратегических шагов:

• Разделите циклы развития транспортного средства и функции транспортного средства. OEM-поставщики и поставщики первого уровня должны решить, как они будут разрабатывать, предлагать и развертывать функции. Они должны не зависеть от циклов разработки транспортных средств, как с технической, так и с организационной точек зрения. Учитывая текущие циклы разработки транспортных средств, компаниям необходимо найти способ управления инновациями в программном обеспечении. Кроме того, им следует подумать о вариантах модернизации и обновлений (например, вычислительных блоков) для существующих автопарков.
• Определите целевую добавленную стоимость для разработки программного обеспечения и электроники. OEM-производители должны определить отличительные особенности, для которых они могут установить контрольные точки. Кроме того, крайне важно четко определить целевую добавленную стоимость для их собственных разработок ПО и электроники. Также нужно определить области, в которых потребуются продукты, и темы, которые следует обсуждать только с поставщиком или партнером.
• Задайте явную цену программному обеспечению. Чтобы отделить программное обеспечение от аппаратного обеспечения, OEM-производителям нужно переосмыслить внутренние процессы и механизмы для того, чтобы купить ПО напрямую. В дополнение к традиционной настройке также важно проанализировать, как гибкий подход к разработке программного обеспечения может быть привязан к процессу закупок. Здесь поставщики (первого уровня, второго уровня и третьего уровня) также играют решающую роль, поскольку им необходимо придать четкую бизнес-ценность своим программным и системным предложениям, чтобы они могли получить большую долю дохода.
• Разработайте конкретную схему организации новой архитектуры электроники (включая бэкенды). Представителям автоиндустрии нужно изменить внутренние процессы для поставки и продажи передовой электроники и ПО. Также им нужно рассмотреть различные организационные установки для электронных тем, связанных с транспортными средствами. В основном, новая «многоуровневая» архитектура требует потенциального разрушения текущей «вертикальной» настройки и введения новых «горизонтальных» организационных единиц. Кроме того, необходимо расширить возможности и навыки разработчиков ПО и электроники в командах.
• Разработайте бизнес-модель отдельных компонентов автомобиля как продукта (особенно для поставщиков). Крайне важно проанализировать, какие функции придают реальную ценность будущей архитектуре и, следовательно, могут быть монетизированы. Это поможет вам оставаться конкурентоспособными и получать значительную долю стоимости в области автомобильной электроники. Впоследствии нужно будет найти новые бизнес-модели для продажи ПО и электронных систем, будь то продукт, услуга или что-то совершенно новое.

Когда начинается новая эра автомобильного программного обеспечения и электроники, она кардинально меняет все, что касается бизнес-моделей, потребностей клиентов и характера конкуренции. Мы считаем, что на этом можно будет много заработать. Но чтобы извлечь выгоду из надвигающихся перемен, все представители отрасли должны переосмыслить свой подход к автопроизводству и с умом установить (или изменить) свои предложения.

Эта статья была разработана в сотрудничестве с Global Semiconductor Alliance.