車用虛擬化技術(shù)：域控融合的必經(jīng)之路
上海 2025年7月4日 /美通社/ -- 本文闡述了汽車電子架構(gòu)從分布式向集中化演進(jìn)的趨勢(shì)，黑芝麻智能分析了集中化帶來(lái)的安全隔離、實(shí)時(shí)性等關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并指出車用虛擬化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)域控融合的核心解決方案。該技術(shù)能夠優(yōu)化資源分配、保障功能安全，從而有效推動(dòng)汽車的智能化變革。
汽車電子電氣架構(gòu)的集中化趨勢(shì)
近年來(lái)，汽車電子電氣架構(gòu)正經(jīng)歷著從分布式到集中式的深刻變革。傳統(tǒng)汽車中，各個(gè)功能模塊（如儀表、娛樂系統(tǒng)、ADAS等）通常由獨(dú)立的電子控制單元（ECU）實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、線束繁多、成本高昂。隨著汽車智能化的發(fā)展，這種分布式架構(gòu)已無(wú)法滿足需求，控制器融合成為必然選擇。
現(xiàn)代汽車電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)可分為三個(gè)典型階段，其核心驅(qū)動(dòng)力來(lái)自智能化需求爆發(fā)與"軟件定義汽車"理念的落地：
分布式架構(gòu)階段（ 2000-2015）
在分布式架構(gòu)階段，汽車的每個(gè)功能模塊對(duì)應(yīng)了獨(dú)立的ECU，全車ECU數(shù)量可達(dá)100個(gè)以上。以寶馬7系2015款為例，其ECU數(shù)量約為140個(gè)。這種架構(gòu)雖然實(shí)現(xiàn)了功能的模塊化設(shè)計(jì)，但也帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)：
線束問題：線束總長(zhǎng)度超過(guò)5公里，重量可達(dá)70公斤，不僅增加了整車重量，還提高了裝配復(fù)雜度。
通信協(xié)議碎片化：不同供應(yīng)商的ECU采用不同的通信協(xié)議（如CAN、LIN、FlexRay），導(dǎo)致系統(tǒng)集成困難。
成本高昂：ECU數(shù)量的增加直接推高了硬件成本和維護(hù)成本。
升級(jí)困難：功能升級(jí)依賴硬件迭代，難以通過(guò)軟件OTA實(shí)現(xiàn)。
域控架構(gòu)階段（ 2015-2025）
隨著高性能車規(guī)級(jí)SoC的出現(xiàn)，多系統(tǒng)共存成為可能，汽車電子電氣架構(gòu)進(jìn)入域控階段。多個(gè)功能模塊被整合到同一個(gè)SoC中，形成區(qū)域控制器。典型的域控制器包括：
智能座艙域：整合組合儀表、HUD和車載娛樂系統(tǒng)。
智能駕駛域：融合攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理功能。
車身域：集成車身控制模塊（BCM）、空調(diào)和燈光控制等功能。
域控架構(gòu)不僅減少了ECU數(shù)量，還提升了系統(tǒng)的集成度和資源利用率。
中央計(jì)算+區(qū)域控制階段（2023-）
隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，汽車電子電氣架構(gòu)正向"中央計(jì)算+區(qū)域控制"的二級(jí)架構(gòu)演進(jìn)。中央計(jì)算平臺(tái)負(fù)責(zé)高算力任務(wù)，而區(qū)域控制器則負(fù)責(zé)執(zhí)行具體的控制功能。在硬件層面，黑芝麻智能于2023年發(fā)布的武當(dāng)C1200家族芯片是首個(gè)車規(guī)級(jí)智能汽車跨域多功能融合計(jì)算平臺(tái)，為中央計(jì)算和區(qū)域控制提供了強(qiáng)大的硬件支持。
集中化帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)
盡管集中化架構(gòu)大幅提升了系統(tǒng)集成度和資源利用率，但也引入了以下關(guān)鍵性技術(shù)挑戰(zhàn)：
安全隔離需求
在混合關(guān)鍵性系統(tǒng)中，不同安全等級(jí)的功能（如ASIL-B的儀表系統(tǒng)與QM級(jí)的娛樂系統(tǒng)）需在同一硬件平臺(tái)上共存。安全隔離的核心在于確保高安全功能不受低安全功能干擾，涵蓋功能安全和信息安全兩方面。例如，低安全功能的崩潰不能影響高安全功能的執(zhí)行，同時(shí)需防范側(cè)信道攻擊等安全威脅。
實(shí)時(shí)性矛盾
車輛控制對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高，而娛樂系統(tǒng)則更注重用戶體驗(yàn)。如何協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)系統(tǒng)與非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的需求成為一大挑戰(zhàn)。解決方案包括通過(guò)系統(tǒng)隔離實(shí)現(xiàn)互不干擾，利用時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)簽，并采用混合關(guān)鍵性調(diào)度策略優(yōu)化系統(tǒng)協(xié)同。
資源利用率優(yōu)化
不同功能的負(fù)載峰值時(shí)間各異，靜態(tài)資源分配易導(dǎo)致算力浪費(fèi)。特別是在輔助駕駛和智能座艙領(lǐng)域，算力需求日益增長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)調(diào)度算力資源、實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡是提升硬件性能的關(guān)鍵。
帶寬挑戰(zhàn)
車內(nèi)通信架構(gòu)從信號(hào)轉(zhuǎn)向服務(wù)，對(duì)帶寬的需求急劇增加。激光雷達(dá)和高精度地圖的引入進(jìn)一步加劇了通信負(fù)載。千兆以太網(wǎng)已成為量產(chǎn)車型的標(biāo)配，而萬(wàn)兆以太網(wǎng)也即將普及。此外，輔助駕駛算法對(duì)內(nèi)存帶寬的需求顯著提升，未來(lái)中央計(jì)算平臺(tái)需支持超過(guò)100Gbps的通信帶寬。為此，新技術(shù)如硅光子互聯(lián)和一致性內(nèi)存共享協(xié)議正在被探索和應(yīng)用。
車用虛擬化技術(shù)
車用虛擬化技術(shù)是應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的核心解決方案之一。它能夠?qū)崿F(xiàn)安全隔離、構(gòu)建混合關(guān)鍵性系統(tǒng)、協(xié)調(diào)多系統(tǒng)調(diào)度，并優(yōu)化資源分配。以下是虛擬化技術(shù)的具體分類及其特點(diǎn)：
安全隔離技術(shù)概覽
根據(jù)隔離程度的不同，安全隔離技術(shù)可分為以下四級(jí)：
芯片分離
實(shí)現(xiàn)方式：不同SoC獨(dú)立運(yùn)行不同系統(tǒng)。
特點(diǎn)：物理隔離程度最高，資源完全獨(dú)立。
典型應(yīng)用：早期智能座艙中，儀表與娛樂系統(tǒng)分屬不同芯片。
硬隔離
實(shí)現(xiàn)方式：通過(guò)SoC硬件分區(qū)劃分CPU、內(nèi)存和IO資源。
特點(diǎn)：硬件級(jí)隔離，各分區(qū)運(yùn)行獨(dú)立系統(tǒng)。
典型應(yīng)用：當(dāng)前主流域控制器中，儀表與娛樂系統(tǒng)共享芯片但硬件隔離。
IO透?jìng)?/p>
實(shí)現(xiàn)方式：虛擬化CPU和內(nèi)存，IO設(shè)備直接透?jìng)鹘o客戶機(jī)。
特點(diǎn)：IO性能接近原生，但需硬件支持SR-IOV等技術(shù)。
典型應(yīng)用：需要高性能IO的場(chǎng)景，如攝像頭數(shù)據(jù)直傳ADAS系統(tǒng)。
全虛擬化
實(shí)現(xiàn)方式：CPU、內(nèi)存、中斷和IO全部虛擬化。
特點(diǎn)：資源調(diào)度最靈活，但虛擬化開銷最大。
典型應(yīng)用：中央計(jì)算平臺(tái)中的動(dòng)態(tài)資源分配場(chǎng)景。
安全隔離技術(shù)比較與權(quán)衡
隨著隔離程度降低，系統(tǒng)的資源復(fù)用率和動(dòng)態(tài)調(diào)整能力提升，但虛擬化開銷和安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。現(xiàn)代車用SoC通常采用混合方案，對(duì)安全關(guān)鍵功能使用硬隔離，對(duì)一般功能采用全虛擬化。
虛擬化架構(gòu)的核心優(yōu)勢(shì)
虛擬化技術(shù)在構(gòu)建混合關(guān)鍵性系統(tǒng)方面具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：
部署靈活性增強(qiáng)：支持異構(gòu)OS共存（如QNX與Android），實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源動(dòng)態(tài)分配，便于功能熱升級(jí)與OTA。
功能安全提升：通過(guò)故障隔離確保單個(gè)虛擬機(jī)崩潰不影響其他功能，資源監(jiān)控可攔截非法內(nèi)存訪問，安全啟動(dòng)保障每個(gè)虛擬機(jī)的完整性。
信息安全強(qiáng)化：虛擬機(jī)間通信可控，關(guān)鍵數(shù)據(jù)加密隔離，支持細(xì)粒度訪問控制。
混合關(guān)鍵性調(diào)度：協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行，優(yōu)化系統(tǒng)性能。
零拷貝系統(tǒng)間通訊：通過(guò)共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸，減少延遲。
以智能座艙為例，虛擬化技術(shù)既保證了儀表系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與安全性（ASIL-B），又為娛樂系統(tǒng)提供了豐富的生態(tài)支持，同時(shí)通過(guò)Hypervisor監(jiān)控阻止娛樂系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵資源的非法訪問。
虛擬化：域控融合的必經(jīng)之路
隨著電子電氣架構(gòu)向"中央計(jì)算+區(qū)域控制"演進(jìn)，虛擬化技術(shù)已成為域控融合不可替代的解決方案。它有效解決了功能安全與信息安全的矛盾，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)與通用系統(tǒng)的共存，并優(yōu)化了資源利用率與隔離需求的平衡。未來(lái)，隨著芯片算力的提升和虛擬化技術(shù)的發(fā)展，全虛擬化方案將逐漸成為中央計(jì)算平臺(tái)的主流選擇。
其他虛擬化技術(shù)補(bǔ)充：
TypeII擬化（宿主型虛擬化）：運(yùn)行在通用OS之上（如VirtualBox），主要用于開發(fā)測(cè)試環(huán)境，由于性能和安全限制，不適合量產(chǎn)車。
容器技術(shù)：輕量級(jí)虛擬化，共享內(nèi)核，適用于應(yīng)用級(jí)隔離（如多個(gè)娛樂應(yīng)用），但無(wú)法滿足ASIL要求，常與Type I虛擬化配合使用。
車用虛擬化技術(shù)正隨著電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)持續(xù)發(fā)展。從當(dāng)前域控制器的硬隔離主導(dǎo)，到未來(lái)中央計(jì)算平臺(tái)的全虛擬化應(yīng)用，這一技術(shù)將持續(xù)推動(dòng)汽車智能化變革，在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的最大化利用。汽車廠商與供應(yīng)商需根據(jù)具體功能需求，選擇適當(dāng)?shù)奶摂M化方案，構(gòu)建安全、高效、靈活的車載計(jì)算平臺(tái)。
