软件是如何蚕食汽车的

对全球汽车产量损失的预测持续的半导体短缺继续上升。今年1月,分析师预计由于短缺，汽车产量将减少150万辆;到四月数字稳步攀升到今年5月，销量将达到270多万部超过410万部．

半导体短缺不仅凸显了汽车供应链的脆弱性但它也让人们强烈关注到，如今汽车行业对几十个隐藏在汽车各处的电脑的依赖。

“没有哪个行业像汽车行业一样经历着如此迅速的技术变革，”该大学汽车工程系主任佐兰·菲利皮(Zoran Filipi)说克莱姆森大学国际汽车研究中心．“这是由于需要解决迫在眉睫的、越来越严格的CO问题₂同时，在自动化和信息娱乐的发展中保持前所未有的进步速度，并满足客户在性能、舒适性和实用性方面的期望。”

随着越来越多的汽车制造商，未来几年将会出现更大的变化提交逐步淘汰内燃机(ICE)驱动的汽车全球气候变化目标通过取而代之的是电动汽车(电动汽车)，这将最终成为现实能够自主操作．

过去十年的洲际汽车发展表明了它所取得的快速进步，以及它的前进方向。

图表:Mark Montgomery

“曾经，软件是汽车的一部分。现在，软件决定了一辆车的价值。技术大学他是汽车软件领域的领先专家。“一辆汽车的成功更多地取决于软件，而不是机械方面。”他说，汽车制造商或业内人士所说的原始设备制造商(oem)现在几乎所有的汽车创新都与软件有关。

十年前在美国，只有高档车才有100个基于微处理器的电子控制单元(ecu)，它们在整个车身联网，执行1亿行或更多的代码。如今，高端轿车如宝马7系采用了先进的技术先进的驾驶辅助系统(ADAS)可能包含150个ecu或更多，而皮卡喜欢福特F-150的代码超过1.5亿行．即使是低端汽车也在迅速接近100个ecu和1亿行代码，因为更多的功能曾经被认为是奢侈的选择，比如自适应巡航控制而且自动紧急制动，正成为标准。

自2010年以来强制要求的额外安全功能包括电子稳定控制，备份相机,自动紧急呼叫(eCall)在欧盟，以及更多严格的排放标准ICE车辆只能相见使用更多创新的电子产品和软件，进一步推动了ECU和软件的发展。

咨询公司德勤会计师事务所据估计，截至2017年，一些相当于一辆新车价格的40%这要归功于基于半导体的电子系统，自2007年以来成本翻了一番。据估计，到2030年，这一比例将接近50%。该公司进一步预测，如今每辆新车都装有价值约600美元的半导体，由多达3000个芯片组成各种类型的。

把ecu和软件的数量加起来，只能说明当今汽车中复杂的电子编排和软件编排。通过观察它们如何一起工作，从驾驶员的角度看不出来的异常复杂性开始显现出来。新的安全、舒适、性能和娱乐功能，为买家提供大量选择的商业需求，导致每个品牌和车型都有多种变体，从汽油和人类司机转向电动和人工智能司机，以及需要编写、检查、调试和防范黑客的数亿行新代码，这些都让汽车变成了轮子上的超级计算机，迫使汽车行业适应。但真的可以吗?

特性和变体驱动复杂性

在过去的二十年里，人们努力提供更多的安全和娱乐功能，使汽车从单纯的交通工具转变为移动计算中心。ecu和线束取代了机架式服务器和高速光学互连，在整个车辆内外进行数据通信。还有几千万行的代码每次去杂货店的时候都要运行。

Vard Antinyan是微软的软件质量专家沃尔沃汽车谁有写他解释说，截至2020年，“沃尔沃拥有大约120个ecu的超集，从这些ecu中选择创建系统架构，安装在每辆沃尔沃汽车上。它们总共包含1亿行源代码。”Antinyan说，这个源代码“包含1000万个条件语句和300万个函数，这些函数在源代码中被调用了大约3000万个位置。”

每个ECU中驻留的软件的数量和类型差异很大，这取决于ECU的计算能力、ECU控制的功能、需要处理的内部和外部信息和通信、它们是事件触发还是时间触发，以及强制性的安全和其他监管要求。在过去的十年中，越来越多的ECU软件致力于确保操作质量、可靠性、安全性和安全性。

ZF软件解决方案和全球软件中心副总裁Nico Hartmann表示:“用于检测不良行为以确保质量和安全的软件数量正在增加ZF Friedrichshafen AG该公司是全球最大的汽车零部件供应商之一。也许ECU软件的三分之一哈特曼说，十年前致力于确保高质量运行，现在往往超过一半或更多，特别是在安全关键系统。

哪些ecu和相关软件最终会像沃尔沃的豪华车一样进入沃尔沃SUV XC90车型,这大约有110个ecu，取决于几个因素。与所有汽车制造商一样，沃尔沃针对不同的细分市场销售每款车型的不同版本。正如安提尼扬所指出的，“在瑞典买同一款沃尔沃的人，在美国销售的可能并不完全相同。”不仅每辆车都需要满足地区监管制度的要求，而且每个车主都可以在沃尔沃提供的几个可选引擎、驱动、安全或其他功能中进行选择。无论选择哪种标准、可选和法律要求的设备配置，都将决定车辆中嵌入的ecu、软件和相关电子设备的确切数量和类型，这些设备必须能够无缝地协同工作。

安提尼扬说，对汽车制造商来说，“车辆变型管理非常困难，因为它涉及到每个人。”例如，市场部门和设计和工程部门之间存在着自然的紧张关系，前者希望为不同的客户群提供多种类型、具有多种功能的车辆，而后者希望减少型号，以帮助保持系统集成、测试、验证和验证工作的可管理性。每一次功能的增加都意味着额外的传感器、执行器、ecu和配套软件，因此需要额外的集成工作来确保它们正常亚博排列五投注网站工作。

德勤的估计从一辆汽车的研发开始到生产开始，40%或更多的研发预算可用于系统集成、测试、验证和验证。跟踪生产和销售的每一款车型中所有现有的以及遗留的电子产品和软件是一项艰巨的任务。毫不奇怪,有效管理变体复杂性是整个汽车行业的一个重要问题。

毫无疑问，所有ecu、传感器和其他电子设备的连接和供电都需要大量的布线亚博排列五投注网站手动工作把它们穿过一辆车。数以千计的线束变体支持车辆定制和多个物理网络总线控制通过车辆的信号流。

汽车的物理电子架构带来了更多的网络设计限制。许多ecu需要靠近与其交互的传感器和执行器，例如用于制动系统或发动机亚博排列五投注网站控制的ecu。因此，一辆汽车的网络线束，可以连接数千个组件，可能包含超过1500根电线，总长5000米而且重量超过68公斤。随着ecu、传感器和相关电子设备数量的增长，降低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

即使花费了大量的精力、时间和金钱来确保所有不同的电子设备一起工作，也不是每个可能的ECU构建组合都能在生产开始之前进行彻底的测试。虽然车辆的安全内容往往主要是固定的，但ECU构建的复杂性更多地体现在可选的消费者舒适性和便利性或性能功能上。采埃孚汽车系统产品规划副总裁Andy Whydell表示，在某些情况下，由于可选特性和功能的特定组合，“下线的车辆将是首次对特定配置进行测试。”

图表:Mark Montgomery;资料来源:德勤会计师事务所

一些汽车制造商拥有数十万种可能的单个车型组合，甚至更多。他说，要在某些车型上对所有可能的电子设备组合进行实时测试，“将需要10亿个测试装置。”Whydell表示，在汽车开发过程中，原始设备制造商可以使用“面包板”对多个ECU组合进行实验室测试，而不需要为每种情况单独制造一辆车。

即使是经过严格测试的流行型号，也会在销售后发现并纠正与软件相关的错误。有时纠正需要纠正，这恰好发生了通用汽车(General Motors)与回忆其最畅销的车型，2019雪佛兰西尔维拉多，以及它的GMCSierra轻型卡车和凯迪拉克CT6。

Whydell指出，变型管理更具挑战性的是，“几乎所有的ECU设计和软件都外包给供应商，由OEM集成ECU”，从所需的可定制功能创建统一的系统。Whydell表示，单个供应商通常不了解原始设备制造商如何将ecu集成在一起。同样，整车厂对ecu内部的软件了解有限，这些软件通常被作为“黑匣子”来支持信息娱乐、车身和一致性控制、远程信息处理、动力系统或自动驾驶辅助系统等多种功能之一。

汽车制造商开发的软件有多少，当时的首席执行官赫伯特·迪斯(Herbert Diess)在2020年发表的评论就说明了这一点大众汽车集团现在是主席，当他承认“几乎没有一行软件代码出自我们之手。”大众估计，其汽车中只有10%的软件是内部开发的。另外的90%是由数十家供应商贡献的，在一些原始设备制造商中，这是事实据报道，这一数字超过了50．

如此多的软件供应商，每个都有自己的开发方法，使用自己的操作系统和语言，显然增加了另一层次的复杂性，特别是在执行验证和验证时。最近的一项研究突出了这一点Strategy Analytics而且极光实验室软件开发人员调查在整个汽车供应链中询问，知道一个ECU中的代码更改何时会影响到另一个ECU有多难。37%的受访者表示很难，31%的人表示非常难，7%的人表示几乎不可能，而16%的人表示不可能。

汽车公司及其供应商意识到，他们必须加强合作，对数据配置管理进行更严格的控制，以防止由于意外的ECU代码更改而产生意想不到的后果。但双方都承认仍有一段路要走。

加强安全

当然，汽车制造商必须确保软件不仅安全可靠，而且安全可靠。安全研究人员的远程接管2015年，一辆2014款吉普切诺基(Jeep Cherokee)的上市为整个行业敲响了警钟。每个供应商和OEM现在都认识到网络安全薄弱的威胁;通用汽车据报道,有90名工程师全职致力于开发网络安全对策。

然而，十年前，“汽车软件的设计是安全第一的。汽车网络安全专家、美国交通部(Department of Transportation)局长马什鲁·乔杜里(Mashrur Chowdhury)说互联多式联运中心在克莱姆森大学．这一点值得注意，因为十多年前设计的许多软件仍在ecu中使用，当时安全性还不是现在的首要任务。

此外，车辆内部和外部通信在过去10年出现了爆炸式增长。2008年，有一个估计有2500个数据信号在一辆豪华车里的ecu之间交换。沃尔沃的Antinyan表示，目前有超过7000个外部信号连接在沃尔沃汽车的120个ecu上，而正在交换的内部车辆信号的数量则高出两个数量级。咨询公司麦肯锡公司估计这些信息每小时可以轻松超过25g的数据量。

随着移动应用程序和基于云的服务在过去10年里的爆炸式增长，更不用说车辆本身越来越复杂的电子设备，“潜在的攻击面几乎每天都在增加，”乔杜里说。

各国政府也注意到了这一点，并要求汽车制造商承担一些网络安全义务。这包括拥有一个经过认证的网络安全管理系统(CSMS)该法案要求每个制造商“展示一个基于风险的管理框架，用于发现、分析和防范相关威胁、漏洞和网络攻击。”

此外，原始设备制造商将需要一个软件更新管理系统确保无线软件更新得到安全管理。汽车制造商也在鼓励“维护每个汽车ECU、每辆组装车辆中使用的操作软件组件的数据库，以及车辆生命周期中应用的版本更新历史日志。”该软件材料清单可以帮助汽车制造商快速识别哪些ecu和特定车辆会受到给定网络漏洞的影响。

软机制

大多数司机都不太注意周围的电子设备，除非它们令人讨厌或停止工作。在过去十年中，随着电子产品的增多，司机们有很多机会注意到他们车辆的电子设备。

根据2020年汽车缺陷和召回报告由财务顾问公司编制斯托特·瑞西斯·罗斯2019年是创纪录的一年，有1500万辆汽车因电子元件缺陷被召回。一半的召回涉及软件缺陷，这是Stout自2009年以来测量的最高比例。

图表:Mark Montgomery;资料来源:Stout Risius Ross

近30%的缺陷与软件集成有关，即软件与汽车其他电子元件或系统的接口导致故障。三菱汽车召回6万辆suv因为液压单元ECU的软件错误干扰了多个安全系统。

最后，超过50%的缺陷不是由软件缺陷引起的，但是对软件的更新是使用的补救措施。福特汽车公司回忆由于冷却剂可能进入发动机汽缸孔，这可能会永久性地损坏它们的发动机，该公司决定停产某些型号的Fusion和Escape汽车。福特的解决方案是重新编程车辆的动力系统控制软件，以降低冷却剂进入发动机气缸的可能性。斯托特的数据显示，在过去五年中，用于解决汽车硬件问题的软件数量稳步上升。

Stout董事总经理尼尔•斯坦坎普表示:“召回的平均规模一直在下降，车辆的平均使用年限也在下降。”“制造商正在利用技术更快地发现缺陷，”尤其是那些涉及电子产品的缺陷。与软件相关的缺陷往往出现在较新的车辆上，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，与汽车电子相关的部件缺陷最近有所增加，“从方便车主到安全关键部件的转变”。例如，由于2018年5月1日之后生产的所有车辆都被要求为司机提供备用摄像头，美国就发生了一系列召回事件车辆正后方3 × 6米的区域可见．许多原始设备制造商发现，将更复杂的摄像头软件与其他车辆安全系统集成起来非常困难。

其他新型车辆安全系统的运行也并非完全顺利。一项由美国汽车协会先进的驾驶辅助系统可以帮助驾驶员进行转向或制动/加速，这些系统通常会在很少的情况下脱离，立即将控制权交还给驾驶员。测试显示，平均每13公里就会出现某种类型的问题，包括难以让车辆保持在车道内，或与其他车辆或护栏太近。

不断攀升的维修费用

许多车主在不得不支付修理费时意识到他们的车辆越来越复杂。近60%的人工成本用于修复涉及先进安全功能的车辆的碰撞结果来自车辆的电子设备。即使是轻微的损坏，比如挡风玻璃破裂，如果车辆配备了用于自动紧急制动、自适应巡航控制和车道偏离警告系统的挡风玻璃上安装的摄像头，则价格从过去的210美元至220美元攀升至1,650美元研究所示。所有这些系统的校准费用，通常是手工完成的，是主要的成本驱动因素。

ZF的Whydell表示，即使传感器的微小校准错误也会大大降低这些安全功能的有效性，亚博排列五投注网站“供应商已经开发了自动校准和自动校准系统，可以消除或简化手动过程，”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安装在车辆周边的地方，以便在事故中不太可能受损。亚博排列五投注网站美国汽车协会报告称，仅维修位于后保险杠的超声波系统就需要1300美元左右。如果用于监视盲点和交叉交通警报的后方亚博排列五投注网站雷达传感器也被损坏，则会因尾端损坏而增加2050美元的额外费用。

由于电子设备的原因，维修费用不断攀升，保险公司宣布车辆全损的成本已经降低了。最近的一次报告索赔管理公司米切尔国际称其数据显示，由于汽车电子设备的维修成本，被宣布全损的车辆的平均使用年限一直在下降。该报告指出，随着“车辆复杂性的提高”，预计这一趋势将继续下去。

EV + AI =难以管理的复杂性

汽车制造商陷入了一个特殊的难题。根据最新的J.D. Power美国车辆可靠性研究如今，美国的内燃机汽车是32年来最可靠的。它们也更舒适，更安全，污染更少。然而，为了解决政府和公众对全球气候变化日益增长的担忧，制造商发现自己处于不得不放弃他们精心制作的ICE汽车的位置，转而支持在未来某个时候具有自动驾驶能力的电动汽车。

让他们的困境更加困难的是，为了开发电动汽车，制造商必须跨越软件的深渊。

采埃孚(ZF)的安迪•怀戴尔(Andy Whydell)指出，在当今的汽车中，“使用当今架构的软件正变得难以管理。”其他人也认同这一观点。根据咨询公司麦肯锡公司在美国，汽车软件的复杂性正迅速超过开发和维护它的能力。软件复杂性增加了四倍但供应商和OEM的软件生产效率几乎没有在同一时期提高。此外，软件的复杂性可能会增加另一个三因子它说，在未来十年。汽车制造商和供应商都在努力缩小“发展-生产力差距”。

部分问题在于支持稳定增长的代码库，一位汽车公司的领导者告诉麦肯锡，以目前的速度，如果差距不能缩小，现有代码库的软件维护将消耗其所有的软件研发资源。事实上，Whydell指出:“在某些情况下，汽车行业不再将代码行数视为衡量复杂性的标准，而是OEM或供应商为满足当前和未来需求而雇佣的软件人员数量。”

如果像大众汽车董事长赫伯特·迪思所说的那样，“软件将占未来汽车创新的90%”，那么缩小发展与生产力之间的差距就显得尤为艰巨。拥有必要的软件专业知识将是成功的关键。正如麦肯锡所言措辞他说，“虽然汽车企业必须在许多层面上表现出色才能赢得软件竞争，但吸引和留住顶尖人才可能是最关键的方面。”采埃孚的Whydell承认，聘请合适的软件专家是“让我夜不能寐的事情之一”，这也不足为奇。这也让其他供应商和OEM经理保持清醒。

整车厂终于意识到这一点，这在很大程度上要归功于伊隆·马斯克的软件定义汽车概念他们目前的方法是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汽车中，这对电动汽车来说是行不通的。

一级汽车供应商研究和高级工程主管Tamara Snow表示，ICE车辆中使用的分散式ECU架构的功能和复杂性“已经达到了极限”大陆集团是引用在病房的汽车说。如果完全自动驾驶功能的要求接近估计值，这一点尤其正确5亿年或更多的代码行数。

需要新的汽车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。该架构将只包含少量功能强大、速度极快的计算机处理器，执行微服务驱动的代码，并在内部通过更轻的线束甚至无线方式在更多传感器之间进行通信，这只是起步阶段。亚博排列五投注网站对外交流也会大大增加。采埃f的哈特曼指出，这些新架构需要oem和供应商的软件团队以低成本和更短的时间周期来开发，他们将学习开发软件和系统的新方法。

Manfred Broy表示，最大的问题可能是管理人员缺乏软件专业知识，无法理解所需的转变。虽然硬件的复杂性是汽车最明显的方面，但Broy指出:“我认为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，这一点对于oem来说完全不清楚，但由于其长期的发展，它更加关键。”他说，汽车行业的高管套房里挤满了“过去的人”，“但他们仍然掌握着大权。”

克莱姆森大学的Zoran Filipi解释说:“一百多年来，原始设备制造商一直专注于完善内燃机，将其余的车辆外包给供应商，然后将所有部件集成在一起。当电子产品和软件开始应用于汽车时，也采取了同样的方法——它们只是另一个集成到汽车中的‘黑匣子’。”现在，他说，“原始设备制造商和他们的供应商需要将他们的组织从硬件优先的方法转移到一个软件首先心态至少在未来十年，美国仍将继续使用现有方法支持和改进ICE车辆。”

彼得·默滕斯，前奥迪(Audi AG)的研发和董事会成员，在a中表示最近的面试与CleanTechnica“德国汽车工业把他们最关键的新产品交给了经理，而这些经理对他们最关键的部分——软件——缺乏经验和知识。这些新产品将决定他们能否在现有结构中作为公司生存下去。”

默滕斯接着说，现在需要的是一种淘汰不适合自己职位的高管的方法。他表示:“明天对大众(VW)、奥迪(Audi)、保时捷(Porsche)、宝马(BMW)和戴姆勒(Daimler)的所有高管进行一次工作评估，让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，立即解雇他们，因为他们不适合这份工作。”默滕斯问道，还剩下多少人?地板上的血迹会是线索。