编者按随着自动驾驶和新能源汽车的到来，传统汽车行业面临着数字化的影响。其中，软件迅速占领汽车制造业，将为汽车增加数亿行代码，成为整个生态链的重要组成部分。传统汽车行业应该如何应对？
作者 |Robert Charette 翻译 | 弯月
出品 | 新程序员转自 | 程序人生
对半导体芯片持续短缺导致全球汽车产量下降的预测继续升温。2021年1月，一些分析师预测，全球汽车产量将减少150万辆，到4月，预测增加到270万辆，到5月达到410万辆（见图1）。
图1 芯片短缺对全球汽车产量的影响(图表制作人:MARK MONTGOMERY）
半导体芯片的短缺不仅突出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辆中的数十台计算机的依赖。
克莱门森大学国际汽车研究中心汽车工程系主任Zoran Filipi没有其他行业像汽车行业那样经历过如此快速的技术变革。这种发展的驱动力来自即将到来的需求，越来越严格的二氧化碳排放标准，以前所未有的自动化和信息娱乐速度发展，也需要满足客户对性能、舒适性和实用性的期望。
面对汽车行业，未来几年将会有更大的变化。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动力汽车，并最终被自动驾驶的电动汽车所取代。
近十年来，内燃机动力汽车发展迅速，但其结局早已注定。
慕尼黑技术大学信息学名誉教授，汽车软件专家Manfred Broy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。车辆的成功超过了对软件的依赖。他说，几乎所有汽车制造商或业内人士都谈论的汽车创新都与软件有关。
十年前，基于微处理器的电子控制单元只有100多辆高端汽车。（Electronic Control Unit，ECU），这些ECU在车身内形成网络，执行代码超过1亿行甚至更多。如今，拥有先进驾驶辅助系统等技术的高端汽车，如宝马7系，可能包括150辆或更多ECU，像福特F-150这样的皮卡甚至达到了1.5亿行代码。即使是低端汽车也包含大约100个ECU以及1亿行代码，由于所谓的豪华选项功能（如自适应巡航控制、自动紧急制动等），现已成为标准配置（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，包括电子稳定控制、备用摄像头、欧盟自动紧急呼叫和更严格的排放标准。内燃机动力汽车只能使用更创新的电子设备和软件来实现这些标准，这进一步促进了这些标准ECU以及软件的渗透。
据世界领先的专业服务机构德勤估计，截至2017年，新车成本的40%可归因于基于半导体的电子系统，比2007年翻了一番。据估计，到2030年，这个数字将接近50%。德勤还进一步推测，每辆新车都配备了价值约600美元的半导体，由3000多种芯片组成（见图3）。
图3电子系统在不同时期占汽车总成本的百分比(图表制作人:MARK MONTGOMERY 资料来源:德勒)
透过ECU从数量和软件代码行数可以看出，当前车辆中存在复杂的电子和软件编程。观察他们的协同工作方式，你会发现有很多司机看不到或不需要看到的复杂性。为了为买家提供各种选择，汽车制造商不得不推出新的安全性、舒适性和娱乐功能体验，导致每个品牌和型号都有多个版本。此外，从汽油到电力，从人类驾驶到自动驾驶，大量新代码的编写、检查、调试和黑客攻击的安全，今天的汽车已经成为一个带轮子的超级计算机，迫使汽车行业发生变化。但汽车行业能适应这种变化吗？
在过去的20年里，由于需要提供更多的安全和娱乐功能，汽车已经从简单的交通转变为移动计算中心。不同于服务器框架和高速光纤，ECU与电路的数据通信发生在整个车身内(甚至车身外)。每次去超市，车辆都会执行数百万行代码。
Vard Antinyan他是沃尔沃汽车的软件质量专家。他写了很多关于软件和系统复杂性的文章。他解释说，截至2020年，沃尔沃大约有120种ECU，我们从中选择ECU在每辆沃尔沃汽车中创建系统架构。这些ECU总共有1亿行源代码。”Antinyan这些源代码包含1000万行条件语句和300万个函数，而这些函数大约在源代码中调用了3000万个。”
根据ECU计算能力，ECU控制功能、需要处理的内外信息和通信，以及是否由事件或时间触发，以及强制性安全和其他监管要求ECU中驻留的软件数量和类型都不相同。在过去的十年中，为了确保操作质量、可靠性和安全性，投入的ECU软件越来越多。
采埃孚(世界上最大的汽车零部件供应商之一，以下简称ZF）全球软件中心软件解决方案副总裁Nico Hartmann为了检测不当行为，确保质量和驾驶安全，软件数量正在增加。”Hartmann指出十年前专门用于保证操作质量ECU软件只有三分之一左右，现在通常超过一半或更多，特别是在关键的驾驶安全系统中。
沃尔沃车包含什么？ECU以及相关软件(如豪华SUV XC90拥有大约110个ECU），取决于几个因素。和所有汽车制造商一样，沃尔沃为不同的细分市场提供不同的版本。Antinyan指出:即使是同型号的沃尔沃，在瑞典购买的车辆也可能与美国不同。每辆车不仅需要满足区域监管体系，还可以选择不同的发动机、驾驶系统、安全系统或其他功能。车主选择的标准、配置和设备将共同决定嵌入车辆ECU、确保软件及相关电子设备的数量和类型能够无缝合作。
Antinyan对于一家汽车制造商来说，车辆的多个版本很难管理，因为它涉及到每个人。例如，营销部希望为不同的客户群体提供各种功能和车型，而设计和工程部希望减少变量，以保持系统集成、测试和验证在可控范围内。每增加一个功能意味着需要增加额外的传感器、执行器、ECU还需要额外的集成工作，以确保这些元件的正常工作。
根据德勤的估计，从研发到生产，40%的车辆研发成本都消耗在系统集成、测试、验证和验证上。记录每个车型生产和销售的所有电子产品和软件都是一项非常困难的任务。因此，有效管理各种变体的复杂性是整个汽车行业面临的一个重大问题。
毫无疑问，为了连接整个车辆的一切ECU、传感器和其他电子设备需要大量的布线和劳动力来供电。为了支持车辆定制，汽车需要使用数千种不同的线束，通过车辆的信号流控制也需要多个物理网络总线。
车辆的物理电子架构带来了更多的网络设计约束。许多ECU需要靠近制动系统或发动机控制的传感器和执行器ECU。因此，连接数千个组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、汽车制造商的主要目标是增加传感器和相关电子设备的数量，降低线束的重量和复杂性。
即使花费大量的精力、时间和金钱来确保不同电子设备之间的合作，也不能确保每一种ECU可能的组合在投入生产前进行彻底测试。虽然涉及车辆安全的要求很少变化，但是ECU构建的复杂性更多地体现在消费者可选的舒适性、便利性或性能等功能上。在某些情况下，可选特性和功能的特定组合可能是第一次出现在生产线上下车辆中，也是第一次测试。采埃孚汽车系统产品规划副总裁Andy Whydell如是说。
一些汽车制造商有成千上万种模型的组合。他说，可能需要使用10亿种不同的测试配置备组合进行现场测试，可能需要使用10亿种不同的测试配置。Whydell在车辆研发过程中，原设备制造商可以使用面包板对多个面包板ECU实验室测试不需要根据每种情况单独建造一辆车。
即使是经过严格测试的流行模型，售后服务也会定期发现错误，并发布软件补丁。一些补丁本身也需要补丁，这种情况发生在通用汽车：2019年雪佛兰最畅销Silverado以及GMC Sierra轻型卡车和凯迪拉克CT6的召回，都是因为这个原因。
Whydell还有一个因素导致变体管理更具挑战性：几乎所有这些因素ECU设计和软件外包给供应商，原设备制造商负责集成ECU他们可以根据所需的可定制功能创建统一的系统。Whydell个别供应商往往如何整合原设备制造商？ECU没有深入的了解。同样，原始设备制造商也会留下来ECU中软件的理解也有限。这些软件通常被视为黑匣子，可以支持信息娱乐、车身一致性控制、远程信息处理、动力传动系统或自动驾驶辅助系统。
2020年，时任大众集团首席执行官、现任董事长Herbert Diess评论表明，汽车制造商开发的软件很少。我们几乎没有一行软件代码。从大众可以看出，车内只有10%的软件是由内部开发的，其余90%是由数十家供应商提供的。据报道，在一些原始设备制造商中，这个数字可以达到50%。
每个软件供应商都有自己的开发方法，他们使用自己的操作系统和语言，这显然增加了另一个复杂性，特别是在执行验证和验证方面。Strategy Analtics和Aurora Labs对整个汽车供应链中软件开发人员进行的一项调查就突出了这一点。其中有一个问题询问了评测一个ECU中的代码变化对另一个ECU的影响难度，大约37%的人表示很难，31%表示非常困难。
汽车公司及其供应商意识到，他们必须展开更多合作，才能更严格地控制数据配置管理，并防止由于ECU代码突然变更而引发意外后果。但双方都承认还有很长的路要走。
当然，汽车制造商不仅必须确保软件能保障行驶安全，还要提供信息安全。2015年，安全研究人员远程控制了2014年生产的Jeep Cherokee，为行业敲响了警钟。如今，每个供应商和原始设备制造商都意识到网络安全乏力的威胁。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，“车辆软件的设计需要保证行驶安全，而信息安全是次要的。”车辆网络安全专家、美国运输部克莱门森大学互联多式联运中心主任Mashrur Chowdhury说道。我们需要注意这一点，因为大部分软件都是十年或更早以前设计的，在当时信息安全并不是需要优先考虑的大环境下，这些软件仍在现如今的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。据估计，2008年，豪华汽车的ECU之间数据信号交换只有2500个。沃尔沃的Antinyan表示，如今沃尔沃汽车中的120个ECU连接了7000多个外部信号，而汽车内部交换的信号数量要高出两个数量级。咨询公司麦肯锡估计，这些信息每小时的数据量可轻松超过25GB。
Chowdhury表示，随着过去十年间移动应用和基于云的服务爆炸式增长，车辆本身内置的电子设备越来越复杂，“潜在的攻击面几乎每天都在增加。”
各国政府也注意到了这一点，并推出了多项汽车制造商需要贯彻的网络安全义务。其中包括拥有经过认证的网络安全管理系统（Cyber Security Management System，CSMS），该系统要求每个制造商“展示基于风险的管理框架，用于发现、分析和防范相关威胁、漏洞以及网络攻击。”
此外，原始设备制造商还需要通过软件更新管理系统，确保安全地管理无线软件更新。他们鼓励汽车制造商“维护每台车辆的ECU、每辆组装车辆中使用的操作软件组件的数据库，以及整个车辆生命周期内应用的版本更新历史日志。”这份软件清单可以帮助汽车制造商快速确定哪些ECU和特定车辆会受到某个网络漏洞的影响。
在汽车内的电子线路不出问题的情况下，相信大多数司机并不会关注到它。不过，随着过去十年间电子线路的增加，驾驶员也会经常关注车辆的电子设备。
根据金融咨询公司Stout Risius Ross编制的《2020年汽车缺陷和召回报告》显示，2019年是创纪录的一年，因电子元件缺陷而被召回的车辆高达1500万辆。其中一半的召回都涉及软件的缺陷，这个比例创下了自2009年以来的新高。另外，近30%的缺陷与软件集成有关，也就是软件与车辆中其他电子组件或系统的接口引发了故障。三菱汽车曾经召回了60000辆SUV，原因是其液压单元ECU中的软件错误干扰了多个安全系统。
最后，超过50%的缺陷都有一个特征：虽然不是由软件缺陷引起的故障，但仍然可以通过软件更新进行补救。福特汽车曾召回了Fusion和Escape车辆的某些型号，原因是冷却液可能会进入发动机气缸孔，并永久损坏发动机。福特的解决方法是，重新编写车辆的动力传动系统控制软件，以减少冷却液进入发动机气缸的可能性。Stout的数据显示，在过去五年中，利用软件修复车辆硬件问题的现象在稳步上升。
Stout总经理Neil Steinkamp表示：“平均召回规模一直在下降，车辆的平均年龄也在下降。制造商可以利用科技更快地发现缺陷”，尤其是一些涉及电子产品的缺陷。与软件相关的缺陷往往出现在新款车辆中，而ECU和其他电子元件的缺陷往往在车辆推出一段时间后才会出现。
Stout总监Robert Levine指出，最近与车辆电子设备相关的组件缺陷有所增加，“不仅限于方便性，关键的行驶安全组件的缺陷也在增加。”例如，自要求2018年5月1日之后制造的所有车辆都必须为驾驶员提供车辆正后方3×6米的可见区域以来，美国就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，复杂的摄像头软件与其他车辆安全系统的集成非常困难。
此外，其他新的车辆安全系统的运行也并非完全顺利。美国汽车协会（American Automobile Association，AAA）针对可以帮助驾驶员转方向或制动/加速的先进驾驶辅助系统进行的一项研究表明，这些系统往往会在没有任何通知的情况下停止辅助，即刻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，包括很难让车辆保持在车道中正常行驶，或者不要让车辆太靠近其他车辆或护栏。
许多车主只有在必须支付维修费用时，才会意识到他们的车辆越来越复杂。在具有高级安全功能的车辆发生碰撞事故后，60%的修理费均来自车辆的电子设备。AAA于2018年的一项研究表明，一块挡风玻璃的维修成本原本在210～220美元之间，但如果车辆的挡风玻璃上安装了摄像头，用于自动紧急制动、自适应巡航控制和车道偏离警告系统等，那么即便是轻微的损坏，维修费用也 会攀升至1650美元。校准这些系统的费用（通常是手动完成的）是高成本驱动的因素。
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，“因此，供应商开发了自动校准系统，可以消除或简化手动操作，”ZF的Whydell说道。这有助于提高校准精度，同时还可以降低维修成本。
Whydell还表示，供应商和原始设备制造商正在研究如何将车辆周围的传感器安装在不太可能在事故中损坏的位置上。AAA报告称，仅修理位于后保险杠的超声波系统（可提供停车辅助功能）这一项的成本就高达1300美元。如果用于盲点监测和交叉路口警报的后方雷达传感器也损坏，则追尾事件可能会产生2050美元的额外费用。
随着电子产品维修成本的攀升，保险公司判定报废的成本可能更低。理赔管理公司Mitchell International最近的一份报告称：受汽车电子设备维修成本的影响，报废车辆的平均车龄一直在下降。报告指出，随着“车辆复杂性的增加”，预计这一趋势将持续下去。
如今，汽车制造商面临着一个特殊的难题。根据J.D. Power市场信息公司对美国车辆最新可靠性的研究显示，内燃机车辆的可靠性达到了32年以来最高，而且也更加舒适、更安全且污染更少。然而，为了应对政府以及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制作的内燃机车辆，转向将来能够实现自动驾驶的电动汽车（Electric Vehicle，EV）。
令汽车制造商的处境雪上加霜的是，为了开发电动汽车，他们必须跨越软件的鸿沟。ZF的Whydell观察到，在车辆中，使用当今最新架构的软件管理难度非常大。对此，不少人也非常赞同这种看法。
咨询公司麦肯锡称，车辆软件的复杂性正在迅速超越开发以及维护的能力。过去十年中，软件的复杂性增加了四倍，但供应商和原始设备制造商的软件生产力却几乎没有提高。此外，他们还认为，在未来十年内，软件的复杂性可能还会再增加三倍。汽车制造商和供应商都在努力缩小“开发能力与生产能力之间的鸿沟”。
部分问题在于如何支持稳步增长的代码库。一位汽车公司负责人向麦肯锡公司分享道，按照目前的速度，如果开发与生产的差距不缩小，现有代码库的软件维护将耗尽他们公司所有的软件研发资源。事实上，Whydell观察到，“在有些情况下，汽车行业不再将总代码行数视为复杂性的衡量标准，而是以原始设备制造商或供应商为满足当前及未来的需求而雇用的软件开发者数量。”
如果真如大众汽车董事长Herbert Dies所说，“未来汽车创新的90%皆来自软件”，那么缩小开发能力与生产能力之间的差距是尤为艰巨的任务。而拥有必要的软件专业知识将是成功的关键。麦肯锡公司表示，“虽然为了赢得软件上的优势，各个汽车企业必须在许多层面上都有优异的表现，但吸引和留住顶尖人才可能是最关键的因素。”Whydell承认，聘请到合适且优秀的软件专业人才是“让我夜不能寐”的原因之一。这同时也是其他供应商以及原始设备制造商的高管寝食难安的原因之一。
原始设备制造商认识到，根据特斯拉CEO Elon Musk提出的“软件定义汽车”的概念（以特斯拉为代表），他们目前的做法——将必要的软件和电子设备外包给供应商，然后将它们集成到内燃机车辆的做法，并不适用于电动汽车。
WardsAuto网站引用了一级汽车供应商Continental AG研究及高级工程主管Tamara Snow的一句话：内燃机车辆中使用的分散式ECU架构的功能和复杂性“已达到极限”，尤其是考虑到完全自动驾驶功能需要大约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。这种架构仅包含少量功能强大、速度极快的计算机处理器，它们负责执行微服务驱动的代码，并通过更轻量级的线束甚至是无线的方式在更多传感器之间进行内部通信。外部沟通也将更加重要。ZF的Hartmann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来开发，而且要低成本且不断缩短开发周期，所以他们需要学习开发软件以及系统的新方法。
Manfred Broy表示，最大的问题在于，高管层的软件专业知识不足以理解当下所需的转型。虽然车辆中硬件的复杂性非常明显，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，原始设备制造商很难认清这一点，但这对于他们的长期发展尤为重要。”他表示，汽车行业的高管大多是“顽固派”，但是他们又手握大权。
克莱门森大学国际汽车研究中心汽车工程系主任Zoran Filipi解释说：“一百多年来，原始设备制造商的精力一直都集中在完善内燃机上，车辆的其余组件都外包给供应商，最后将所有组件集成在一起。随着电子产品和软件在车辆中的普及，他们也采用了相同的方法，即将它们视为集成到车辆中的另一个‘黑匣子’。而如今，原始设备制造商及其供应商需要将工作重心从硬件至上转变为软件至上，同时在未来十年内仍然需要使用现有的方法支持和改进内燃机汽车。”
奥迪AG前研发主管兼董事会成员Peter Mertens最近在接受CleanTechnica采访时表示，“德国汽车工业赋予了他们最关键的新产品，这将决定他们的公司能否在现有结构中生存下去，这些公司成功的关键在于软件，但各位高管在这方面的经验和知识却非常薄弱。”
Mertens表示：“我们需要一种方法来淘汰不能胜任的高管，譬如可以让大众、奥迪、保时捷、宝马和戴姆勒针对所有高层管理人员进行一次评估，并要求他们编写一个小游戏或一个简单但有效的病毒。如果他们做不到，就立即解雇他们，因为他们不适合这份工作。看看这样下来还能剩下多少人？”Mertens说道。
毕竟，历史是血与泪的教训。
本文出自《新程序员002：新数据库时代&软件定义汽车》，由60余位专家倾力创作。随书附赠《2021数据库全景图V1.0》和《2021汽车技术与产业生态全景图V1.0》，同时内含《2021年度数据库发展研究报告》和《2021年度软件定义汽车研究报告》，图文与视频多媒体呈现。
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