有关半导体芯片持续短缺将导致全球汽车产量下降的预测越来越多。2021年1月，有分析师预测，由于芯片短缺，全球汽车产量将减少150万辆；到4月，这一预测增长到270万；410万（见图1）。图1芯片短缺对全球汽车生产的影响（图表作者：MARKMONTGOMERY）半导体芯片短缺不仅凸显了汽车供应链的脆弱性，也暴露了当今汽车行业对隐藏在车内的数十台计算机的依赖。在人们的视野中。美国克莱姆森大学国际汽车研究中心汽车工程系主任ZoranFilipi表示：“没有其他行业像汽车行业那样经历过如此迅速的技术变革。二氧化碳排放标准，而自动化和信息娱乐是以前所未有的速度前进，客户需要满足性能、舒适性和实用性的期望。”对于汽车行业来说，未来几年将会发生更大的变化。为了减缓全球气候变化，越来越多的汽车制造商承诺逐步淘汰内燃机驱动的汽车，并最终用可以自动驾驶的电动汽车取而代之。近十年来，以内燃机为动力的汽车取得了飞速发展，但它的末日早已注定。慕尼黑工业大学信息学名誉教授、汽车软件专家曼弗雷德布洛伊指出：“过去，软件是汽车的一部分，但现在软件决定了汽车的价值。”车辆更多地依赖于软件而不是机械。”他说，如今汽车制造商或业内人士谈论的几乎所有汽车创新都与软件有关。十年前，仅高端汽车就有超过100个基于微处理器的电子控制单元(ECU)，这些电子控制单元在车身内形成网络，执行超过1亿行或更多的代码。今天，像BMW7系这样的高端汽车，包括高级驾驶辅助系统等技术，可能包含150个或更多的ECU。据估计，2008年豪华车的ECU之间交换的数据信号只有2,500个。沃尔沃汽车的120个ECU连接到超过7,000个外部信号，而汽车内部交换的信号数量高出两个数量级，沃尔沃的Antinyan说。咨询公司麦肯锡估计，这些信息每小时很容易超过25GB。乔杜里说，随着过去十年移动应用程序和基于云的服务的爆炸式增长，以及车辆本身内置电子设备的日益复杂，“潜在的攻击面几乎每天都在增加。”各国政府也在关注这一点。并推出多项汽车厂商需要履行的网络安全义务。其中包括拥有经过认证的网络安全管理系统(CSMS)，这要求每个制造商“展示一个基于风险的管理框架，用于发现、分析和预防相关威胁、漏洞和网络攻击”。此外，OEM需要通过软件更新管理系统确保无线软件更新的安全管理。他们鼓励汽车制造商维护每辆车的ECU数据库、每辆组装车辆中使用的操作软件组件，以及在整个车辆生命周期中应用的版本更新历史记录。“这份软件清单可以帮助汽车制造商快速确定哪些ECU和特定车辆受到了网络漏洞的影响。软机械师认为，如果没有问题，大多数驾驶员不会注意车内的电子电路。然而，随着随着过去十年电子线路的增加，司机们也会经常关注车辆的电子设备。根据《2020年汽车缺陷和召回报告》金融咨询公司StoutRisiusRoss编制的报告，2019年是创纪录的一年，因为多达1500万辆汽车拥有因电子元器件缺陷被召回，半数召回涉及软件缺陷，这一比例创下2009年以来的新高，此外，近30%的缺陷与软件集成有关，即软件与接口车辆中的其他电子元件或系统导致故障。三菱汽车曾召回60,000辆SUV，因为其液压单元ECU中的软件错误干扰了几个安全系统。最终，超过50%的缺陷都有一个特点：虽然不是软件缺陷引起的，但还是可以通过软件更新来修复的。福特召回了某些型号的Fusion和Escape汽车，因为冷却液可能会进入发动机气缸孔并永久损坏发动机。福特的解决方案是重写车辆的动力总成控制软件，以减少冷却液进入发动机汽缸的可能性。Stout的数据显示，在过去五年中，使用软件修复车辆硬件问题的现象稳步上升。Stout总经理NeilSteinkamp说：“平均召回规模一直在下降，车辆的平均年龄也是如此。”制造商可以利用技术更快地发现缺陷，”尤其是一些涉及电子产品的缺陷。与软件相关的缺陷往往会出现在较新的车辆中，而ECU和其他电子元件中的缺陷往往会在车辆推出一段时间后出现。Stout总监RobertLevine指出，最近与汽车电子相关的组件缺陷有所增加，“不仅限于便利性，还包括关键的驾驶安全组件。”由于所有车辆都必须在车辆正后方为驾驶员提供3x6米的视野，因此美国发生了一系列倒车摄像头召回事件。许多原始设备制造商发现很难将复杂的摄像头软件与其他车辆安全系统集成。此外，其他新的车辆安全系统也没有完全顺利地运行。美国汽车协会(AAA)对辅助驾驶员进行转向或制动/加速的高级驾驶员辅助系统进行的一项研究发现，这些系统往往会在没有任何通知的情况下停止辅助，立即将控制权交还给驾驶员。测试表明，平均每13公里就会出现某种类型的问题，包括难以将车辆保持在车道内或使车辆与其他车辆或护栏距离太近。维修成本正在上升许多车主直到不得不支付维修费用时才意识到他们的车辆变得越来越复杂。在涉及具有高级安全功能的车辆发生撞车事故后，60%的维修费用来自车辆的电子设备。像福特F-150这样的AAA皮卡甚至达到了1.5亿行代码。即使是低端汽车也包含大约100个ECU和1亿行代码，因为以前被认为是豪华选项的功能（自适应巡航控制、自动紧急制动等）现在已成为标准配置（见图2）。图2汽车主体架构设计自2010年以来，一些安全功能已成为强制性要求，包括电子稳定性控制、倒车摄像头、欧盟的自动紧急呼叫以及更严格的排放标准。内燃机驱动的车辆只有使用更具创新性的电子产品和软件才能满足这些标准，这进一步促进了ECU和软件的普及。据全球领先的专业服务机构德勤估计，截至2017年，一辆新车40%的成本可归因于基于半导体的电子系统，自2007年以来翻了一番。预计到2030年，这数字将接近50%。德勤进一步推测，如今每辆新车都包含价值约600美元的半导体，由多达3,000种芯片组成（见图3）。图3不同时期电子系统占汽车总成本的百分比（图表制作者：MARKMONTGOMERY来源：德勤）通过ECU的数量和软件代码的行数，我们可以看出电子系统错综复杂，当前车辆中的软件编程。观察它们是如何协同工作的，就会发现司机们看不到或不需要看到的大量复杂性。为了向买家提供多种选择，汽车制造商不得不推出新的安全、舒适和娱乐功能，从而导致每个品牌和型号都有多个版本。此外，从汽油到电力的转变，从人类驾驶到自动驾驶的转变，大量新代码的编写、检查、调试和防止黑客攻击，今天的汽车变成了车轮上的超级计算机，并推动了汽车行业的变革。但汽车行业能否适应这种变化？功能和变量驱动的复杂性在过去的二十年里，汽车已经从单纯的车辆转变为移动计算中心，其驱动因素是提供更多安全和娱乐功能的需求。与服务器机架和高速光纤互连不同，ECU和电路之间的数据通信发生在整个身体（甚至是身体外部）。每次你去超市，车辆都会执行数百万行代码。沃尔沃汽车公司的软件质量专家VardAntinyan撰写了大量有关软件和系统复杂性的文章，他解释说，截至2020年，“沃尔沃拥有大约120个ECU，我们从中选择创建这些ECU总共包含1亿行源代码代码。”Antinyan说：“这些源代码包含1000万行条件语句和300万个函数，这些函数在源代码中大约有3000万处被调用。”驻留在每个ECU中的软件数量和类型，取决于在ECU的计算能力、ECU控制功能、需要处理的内部和外部信息和通信、是否由事件或时间触发、以及强制性安全和其他法规要求上是不一样的。在过去的十年中，越来越多的ECU软件被投入到确保运行质量、可靠性和安全性。采埃孚软件解决方案和全球软件中心副总裁NicoHartmann（一位of全球最大的汽车零部件供应商（以下简称采埃孚）表示：“用于检测不当行为以确保质量和驾驶安全的软件数量正在增加。”哈特曼指出，十年前只有大约三分之一的ECU软件是致力于确保运行质量，而今天通常超过一半或更多，尤其是在关键的驾驶安全系统中。沃尔沃汽车中包含哪些ECU和相关软件（例如，XC90豪华SUV有大约110个ECU）取决于几个因素。与所有汽车制造商一样，沃尔沃为不同的细分市场提供每种车型的不同版本。“即使是同一型号的沃尔沃，你在瑞典买到的汽车也可能与在美国买到的不同，”Antinyan说。系统、安全系统或其他功能。车主选择的标准、各种配置以及法律要求的设备，将共同决定车辆中嵌入的ECU、软件和相关电子设备的数量和类型，以确保它们能够无缝协同工作。对于汽车制造商来说，“一辆车的多个版本很难管理，因为它涉及到每个人，”Antinyan说。例如，营销部门希望为不同的客户群提供具有不同功能的各种车辆。模型，而设计和工程部门希望减少变量，以便系统集成、测试和验证保持在控制之下。每增加一个功能，就意味着需要增加额外的传感器、执行器、ECU和相应的软件，需要额外的集成工作来确保这些组件正常工作。据德勤估计，从研发到投产，整车研发成本的40%花在了系统集成、测试、验证和验证上。记录生产和销售的每种车型中的所有当前和遗留电子设备和软件是一项艰巨的任务。因此，有效管理单个变体的复杂性是整个汽车行业的一个主要问题。不用说，需要大量布线和人工来连接整个车辆的所有ECU、传感器和其他电子设备并为其供电。为了支持车辆定制，汽车需要使用数千种不同的线束，并且需要多个物理网络总线来控制通过车辆的信号流。车辆的物理电子架构带来了额外的网络设计限制，需要应对。许多ECU需要靠近与其交互的传感器和执行器，例如制动系统或发动机控制ECU。因此，连接数千个部件的汽车网络线束将包含1500多根电线，总长度约5000米，重量超过68公斤。随着ECU、传感器和相关电子设备数量的增加，减轻线束重量和复杂性已成为汽车制造商的主要目标。测试挑战即使花费大量精力、时间和金钱来确保不同的电子设备协同工作，也无法确保在投入生产之前对每种可能的ECU组合进行彻底测试。虽然与车辆安全相关的要求很少改变，但ECU构造的复杂性更多地体现在消费者可以根据舒适性、便利性或性能选择的功能上。在某些情况下，可选特性和功能的特定组合“可能是车辆首次下线并进行首次测试”。AndyZF，汽车系统产品规划副总裁。怀德尔是这么说的。一些汽车制造商已经构建了数十万种模型的组合。他说，要对特定车型中可能存在的各种电子设备组合进行现场测试，“可能需要使用十亿种不同的测试配置。”然而，Whydell表示，在车辆开发过程中，原始设备制造商可以使用“面包板”实验室测试多个ECU构建组合，而无需为每种情况构建单独的汽车。即使是经过严格测试的流行型号，在销售和软件补丁发布后也经常会发现错误。有些补丁本身需要补丁，通用汽车就是这样：最畅销的2019款雪佛兰索罗德、GMCSierra轻型卡车和凯迪拉克CT6都因此被召回。Whydell指出，还有另一个因素让变体管理更具挑战性：“几乎所有的ECU设计和软件都外包给供应商，而OEM负责集成ECU”，他们可以创建一个统一的系统。Whydell说，个别供应商通常对OEM如何集成ECU没有深入的了解。同样，OEM对驻留在ECU中的软件知之甚少，ECU通常被认为是支持信息娱乐、车身一致性控制、远程信息处理、动力总成或自动驾驶辅助系统等众多功能之一的“黑匣子”。2020年，时任大众汽车集团首席执行官、现任董事长的赫伯特·迪斯(HerbertDiess)的评论说明了这家汽车制造商开发的软件有多么少。“几乎没有一行软件代码来自我们，”他当时承认道。据大众汽车称，车辆中只有10%的软件是内部开发的，其余90%由数十家供应商提供。据报道，在一些原始设备制造商中，这一数字可达50%之多。有这么多软件供应商，每个供应商都有自己的开发方法，使用自己的操作系统和语言，这显然增加了另一层复杂性，尤其是在执行验证和验证时。StrategyAnalytics和AuroraLabs最近对整个汽车供应链的软件开发商进行的一项调查强调了这一点。其中一个问题是关于评估一个ECU中的代码更改对另一个ECU的影响的难度，大约37%的人表示很难，31%的人表示非常困难。汽车公司及其供应商意识到，他们必须加强协作，以更严格地控??制数据配置管理，并防止ECU代码的突然更改导致意外后果。但双方都承认还有很长的路要走。加强信息安全当然，汽车制造商必须确保软件不仅可以确保安全驾驶，还可以提供信息安全。2015年，安全研究人员远程控制了一辆2014款吉普切诺基，为该行业敲响了警钟。如今，每个供应商和原始设备制造商都意识到网络安全薄弱的威胁。据报道，通用汽车有90名工程师全职开发网络安全对策。然而，十年前，“汽车软件被设计成安全的，信息安全是次要的，”汽车网络安全专家、美国交通部克莱姆森大学互联多式联运中心主任MashrurChowdhury说。我们需要注意这一点，因为大多数软件是十年或更长时间之前设计的，在当时信息安全不是优先考虑的环境中，它仍在今天的ECU中使用。此外，在过去十年中，车辆内外的通信呈爆炸式增长。2018年的一项研究表明，原本需要210到220美元维修费用的挡风玻璃将被一辆在挡风玻璃上安装摄像头的车辆取代，以实现自动紧急制动、自适应巡航控制和车道控制。偏离警告系统等，即使是轻微损坏，维修费用也会攀升至1,650美元。校准这些系统的费用通常是手动完成的，是一个高成本驱动因素。由于传感器的微小错误校准也会大大降低这些安全功能的有效性，“供应商因此开发了可以消除或简化手动操作的自动校准系统，”ZF的Whydell说。这有助于提高校准精度，同时降低维修成本。Whydell还表示，供应商和原始设备制造商正在研究如何将传感器放置在车辆周围的位置，这些位置不太可能在事故中受损。AAA报告称，仅维修提供停车辅助功能的后保险杠中的超声波系统，费用就高达1,300美元。如果用于盲点监控和交叉路口警报的后雷达传感器也损坏，则追尾事故可能会额外产生2,050美元。随着维修电子产品的成本攀升，保险公司确定报废的成本可能会更低。理赔管理公司MitchellInternational最近的一份报告称，由于维修汽车电子设备的成本增加，报废车辆的平均使用年限一直在下降。报告称，随着“车辆复杂性的增加”，这一趋势预计将继续下去。EV+AI=无法控制的复杂性今天的汽车制造商面临着一个独特的难题。根据J.D.PowerMarketInformation对美国汽车可靠性的最新研究，内燃机汽车比32年来更可靠，而且更舒适、更安全且污染更少。然而，为了应对政府和公众对全球气候变化日益增长的担忧，制造商不得不放弃精心设计的内燃机汽车，转向未来能够自行驾驶的电动汽车（ElectricVehicles，EVs）。对汽车制造商来说更糟糕的是，为了开发电动汽车，他们必须弥合软件鸿沟。ZF的Whydell观察到，在车辆中，使用当今最新架构的软件管理非常困难。对此，很多人也非常认同这一观点。据咨询公司麦肯锡称，汽车软件的复杂性正在迅速超过其开发和维护能力。软件复杂性在过去十年翻了两番，但供应商和OEM软件生产力几乎没有提高。此外，他们还认为，软件的复杂性可能会在未来十年内再次增加两倍。汽车制造商和供应商都在努力缩小“开发能力和生产能力之间的差距”。部分问题是如何支持稳定增长的代码库。一家汽车公司的负责人向麦肯锡公司表示，按照目前的速度，如果不缩小开发和生产之间的差距，现有代码库的软件维护将消耗他们公司所有的软件开发资源。事实上，Whydell观察到，“在某些情况下，汽车行业不再将总代码行数视为复杂性的衡量标准，而是将其视为OEM或供应商用来满足当前和未来需求的复杂性的衡量标准。”软件开发人员的数量。”如果真如大众汽车董事长赫伯特·戴斯所说，“未来汽车创新的90%将来自软件”，那么缩小开发能力和生产能力之间的差距是一项特别艰巨的任务。必要的软件专业知识将是成功的关键。根据麦肯锡公司的说法，“虽然汽车公司必须在许多层面上表现出色才能在软件方面获得优势，但吸引和留住顶尖人才可能是最关键的因素。”软件专业人员的数量是“让我夜不能寐”的原因之一。这也是其他供应商以及原始设备制造商的高管失眠的原因之一。原始设备制造商认识到他们目前将必要的软件和电子产品外包给供应商的做法，基于特斯拉首席执行官埃隆马斯克的“软件定义汽车”概念（以特斯拉为代表），然后将它们集成到内燃机车辆中的做法不适用于电动汽车。WardsAuto网站援引一级汽车供应商大陆集团研究和高级工程总监TamaraSnow的话说，用于内燃机车辆的分散式ECU架构的功率和复杂性“已达到极限”，尤其是在完全自动驾驶时函数被认为需要大约5亿行或更多的代码。我们需要新的车辆软件和物理架构来管理电池组，而不是内燃机和相关的动力传动系统。这种架构仅由少量功能强大、速度极快的计算机处理器组成，这些处理器执行微服务驱动的代码，并通过重量更轻的线束甚至无线方式在更多传感器之间进行内部通信。对外交流也将更加重要。采埃孚的哈特曼指出，这些新架构需要由原始设备制造商和供应商的软件团队开发，需要低成本和缩短开发周期，因此需要学习新的软件和系统开发方法。根据ManfredBroy的说法，最大的问题是高级管理层没有足够的软件专业知识来理解现在需要的转型。虽然车辆硬件的复杂性是显而易见的，但Broy观察到，“更重要的是软件的复杂性（这在很大程度上取决于硬件的选择），尤其是软件的成本，这是OEM难以认识到的，但这对他们的长期发展尤为重要。”他说，汽车行业的高管大多是“逆来顺受”，但他们也掌握着权力。“一百多年来，原始设备制造商一直专注于完善内燃机，将车辆的其余部分外包给供应商，最后将所有东西集成在一起。随着电子产品和软件在车辆中变得无处不在，他们采取了同样的方法，将它们视为集成到车辆中的另一个“黑匣子”。如今，原始设备制造商及其供应商需要将重点从硬件优先转移到软件优先，同时在未来十年内仍使用现有方法支持和改进内燃机车辆。奥迪股份公司前研发负责人兼董事会成员PeterMertens在最近接受CleanTechnica采访时表示，成功的关键在于软件，但高管们在这方面的经验和知识非常薄弱。“我们需要一种方法来淘汰不称职的高管，比如大众、奥迪、保时捷、宝马和戴姆勒，对所有高管进行评估，让他们写一个小游戏或一个简单但有效的病毒。如果他们能”t，立即解雇他们，因为他们不适合这份工作。看看这之后还剩下多少人？默滕斯说。毕竟，历史是血泪的教训。
