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的趨勢，黑芝麻智能分析了集中化帶來的安全隔離、實時性等關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并指出車用虛擬化技術(shù)是實現(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，從而有效推動汽車的智能化變革。
汽車電子電氣架構(gòu)的集中化趨勢
近年來，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，各個功能模塊（如儀表、娛樂系統(tǒng)、ADAS等）通常由獨立的電子控制單元（ECU）實現(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)的演進可分為三個典型階段，其核心驅(qū)動力來自智能化需求爆發(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，汽車的每個功能模塊對應(yīng)了獨立的ECU，全車ECU數(shù)量可達100個以上。以寶馬7系2015款為例，其ECU數(shù)量約為140個。這種架構(gòu)雖然實現(xiàn)了功能的模塊化設(shè)計，但也帶來了一系列挑戰(zhàn)：
線束問題：線束總長度超過5公里，重量可達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成本。
升級困難：功能升級依賴硬件迭代，難以通過軟件OTA實現(xiàn)。
域控架構(gòu)階段（ 2015-2025）
隨著高性能車規(guī)級SoC的出現(xiàn)，多系統(tǒng)共存成為可能，汽車電子電氣架構(gòu)進入域控階段。多個功能模塊被整合到同一個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、雷達和激光雷達的數(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。
中央計算+區(qū)域控制階段（2023-）
隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，汽車電子電氣架構(gòu)正向"中央計算+區(qū)域控制"的二級架構(gòu)演進。中央計算平臺負責高算力任務(wù)，而區(qū)域控制器則負責執(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C1200家族芯片是首個車規(guī)級智能汽車跨域多功能融合計算平臺，為中央計算和區(qū)域控制提供了強大的硬件支持。
集中化帶來的技術(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，不同安全等級的功能（如ASIL-B的儀表系統(tǒng)與QM級的娛樂系統(tǒng)）需在同一硬件平臺上共存。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，同時需防范側(cè)信道攻擊等安全威脅。
實時性矛盾
車輛控制對實時性要求極高，而娛樂系統(tǒng)則更注重用戶體驗。如何協(xié)調(diào)實時系統(tǒng)與非實時系統(tǒng)的需求成為一大挑戰(zhàn)。解決方案包括通過系統(tǒng)隔離實現(xiàn)互不干擾，利用時間敏感網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一時間標簽，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
不同功能的負載峰值時間各異，靜態(tài)資源分配易導(dǎo)致算力浪費。特別是在輔助駕駛和智能座艙領(lǐng)域，算力需求日益增長。動態(tài)調(diào)度算力資源、實現(xiàn)負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)從信號轉(zhuǎn)向服務(wù)，對帶寬的需求急劇增加。激光雷達和高精度地圖的引入進一步加劇了通信負載。千兆以太網(wǎng)已成為量產(chǎn)車型的標配，而萬兆以太網(wǎng)也即將普及。此外，輔助駕駛算法對內(nèi)存帶寬的需求顯著提升，未來中央計算平臺需支持超過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：
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：
芯片分離
實現(xiàn)方式：不同SoC獨立運行不同系統(tǒng)。
特點：物理隔離程度最高，資源完全獨立。
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
實現(xiàn)方式：通過SoC硬件分區(qū)劃分CPU、內(nèi)存和IO資源。
特點：硬件級隔離，各分區(qū)運行獨立系統(tǒng)。
典型應(yīng)用：當前主流域控制器中，儀表與娛樂系統(tǒng)共享芯片但硬件隔離。
IO透傳
實現(xiàn)方式：虛擬化CPU和內(nèi)存，IO設(shè)備直接透傳給客戶機。
特點：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的場景，如攝像頭數(shù)據(jù)直傳ADAS系統(tǒng)。
全虛擬化
實現(xiàn)方式：CPU、內(nèi)存、中斷和IO全部虛擬化。
特點：資源調(diào)度最靈活，但虛擬化開銷最大。
典型應(yīng)用：中央計算平臺中的動態(tài)資源分配場景。
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)用率和動態(tài)調(diào)整能力提升，但虛擬化開銷和安全風(fēng)險也隨之增加。現(xiàn)代車用SoC通常采用混合方案，對安全關(guān)鍵功能使用硬隔離，對一般功能采用全虛擬化。
虛擬化架構(gòu)的核心優(yōu)勢
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：
部署靈活性增強：支持異構(gòu)OS共存（如QNX與Android），實現(xiàn)計算資源動態(tài)分配，便于功能熱升級與OTA。
功能安全提升：通過故障隔離確保單個虛擬機崩潰不影響其他功能，資源監(jiān)控可攔截非法內(nèi)存訪問，安全啟動保障每個虛擬機的完整性。
信息安全強化：虛擬機間通信可控，關(guān)鍵數(shù)據(jù)加密隔離，支持細粒度訪問控制。
混合關(guān)鍵性調(diào)度：協(xié)調(diào)實時與非實時任務(wù)的執(zhí)行，優(yōu)化系統(tǒng)性能。
零拷貝系統(tǒng)間通訊：通過共享內(nèi)存實現(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)的實時性與安全性（ASIL-B），又為娛樂系統(tǒng)提供了豐富的生態(tài)支持，同時通過Hypervisor監(jiān)控阻止娛樂系統(tǒng)對關(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"中央計算+區(qū)域控制"演進，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，實現(xiàn)了實時系統(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，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算平臺的主流選擇。
其他虛擬化技術(shù)補充：
TypeII擬化（宿主型虛擬化）：運行在通用OS之上（如VirtualBox），主要用于開發(fā)測試環(huán)境，由于性能和安全限制，不適合量產(chǎn)車。
容器技術(shù)：輕量級虛擬化，共享內(nèi)核，適用于應(yīng)用級隔離（如多個娛樂應(yīng)用），但無法滿足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)的演進持續(xù)發(fā)展。從當前域控制器的硬隔離主導(dǎo)，到未來中央計算平臺的全虛擬化應(yīng)用，這一技術(shù)將持續(xù)推動汽車智能化變革，在保證安全的前提下實現(xiàn)計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?shù)奶摂M化方案，構(gòu)建安全、高效、靈活的車載計算平臺。
