1 前言：
隨著汽車產業智慧網聯化程序的不斷髮展，消費者對於汽車的認識逐步從“代步的交通工具”向連線家和辦公室的“第三空間” 轉變，汽車座艙作為空間承載體，愈加受到整車廠、汽車零部件廠商的重視。而傳統座艙中功能佈局零散，機械式儀表與中控顯示屏的人機互動體驗較差，不能滿足消費者對汽車座艙智慧化的需求。與此同時，在人工智慧、車聯網技術、汽車晶片以及作業系統等技術發展助推下，以人機互動為核心，能提供多屏聯動的智慧座艙呼之欲出。
智慧座艙是由車載娛樂系統、數字液晶儀表、抬頭顯示器（HUD）、流媒體後視鏡以及後排顯示屏等電子裝置組成的一套完整系統。它是對傳統座艙全方位的升級，在硬體方面，將傳統機械式儀表升級為數字液晶儀表，為駕駛資訊提供極富科技感的畫面展示；增加了流媒體後視鏡、HUD 及後排顯示屏，為消費者提供完善的導航資訊、周圍環境資訊以及娛樂資訊。在軟體方面，融入了多模態互動、智慧場景、個性化服務，滿足多樣化人機互動需求，提升消費者駕駛體驗。
2 “一芯多屏”趨勢
近年來，大多數整車廠的座艙方案中車載娛樂系統、數字液晶儀表、HUD 等電子裝置均具備控制器，各個控制器單獨控制自身顯示介面輸出。這種方案主要存在兩大弊端：一方面是控制器數量增加，提高整車成本，導致整車廠成本控制壓力陡增；另一方面是在座艙電子裝置日益頻繁的資訊互動下，為實現多屏聯動，控制器之間通訊開銷加大，通訊延遲增加，同時對整車廠如何協同眾多廠商開展多屏資訊互動開發工作提出巨大挑戰。
隨著晶片行業的快速發展，車載晶片的算力得到巨大提升，使得依靠一顆 SoC 系統級晶片執行多個作業系統、同時驅動多個顯示屏融合互動（即“一芯多屏”）逐漸成為現實。2015 年世界通訊大會上，偉世通首次推出智慧座艙解決方案 SmartCore，它在一個多核 SoC 級晶片上執行車載娛樂系統、數字儀表、HUD 等多個獨立系統，重新定義了資訊傳輸方式，讓多屏互動更易實現。這一方案在 2018 年由賓士率先完成量產，如圖1所示，標誌著智慧座艙進入“一芯多屏” 階段。
圖 1 SmartCore 智慧座艙方案
目前，國內外汽車零部件廠商均積極加快“一芯多屏”式智慧座艙的佈局。安波福推出基於英特爾晶片的 ICC 智慧座艙方案，目前已在長城、沃爾沃等車型量產；電裝與黑莓聯合推出 Harmony Core 方案，在斯巴魯車型中實現量產；一汽集團、東軟和英特爾聯合釋出智慧座艙平臺 C4-Alfus，已在紅旗車型中投產；德賽西威基於高通 820A 車載晶片為理想 ONE 車型打造四屏互動的智慧座艙方案。
“一芯多屏”式智慧座艙方案將成為主流趨勢。在成本控制層面，與“多芯多屏” 方案相比，“一芯多屏”方案的總成本降低；在通訊層面，“一芯多屏”方案中多屏互動資訊在晶片內部完成傳輸，改變了多個作業系統之間透過 CAN/LIN 匯流排等通訊傳輸資訊的方式，通訊時間大幅降低；在安全性層面，採用“一芯多屏”方案，系統複雜度降低，晶片等器件數量減少，整體可靠性增加。
3 “一芯多屏”關鍵器件與關鍵技術
在產品構成上，“一芯多屏”式智慧座艙的硬體部分主要包括以車載晶片為核心的計算平臺、顯示屏等，軟體部分主要包括作業系統、虛擬機器監視器（Hypervisor）、中介軟體、支撐工具等。
3.1 車載晶片
“一芯多屏”方案中車載晶片的 CPU 決定了多個應用 APP 同時執行的流暢度，GPU 決定了中控顯示屏、液晶儀表的清晰度，動畫效果流暢度 [3]。為實現智慧座艙中觸屏、語音、人臉識別、手勢識別等多模態順暢互動， 實現多屏聯動、顯示畫面生動流暢，對車載晶片的 CPU 及 GPU 運算需求隨之提高，從而促進汽車晶片產業的發展。
當前智慧座艙晶片市場主要包括恩智浦、瑞薩電子、德州儀器等傳統汽車晶片廠商， 同時以高通、英特爾、三星為代表的消費電子晶片廠商也紛紛佈局其中，形成了以恩智浦 i.MX 8QM、 瑞 薩 R-CAR H3、 高 通820A、英特爾 A3950 為代表的智慧座艙主流晶片。表 1 是以上四種車載晶片的效能引數。透過對比四款晶片的引數，可以發現高通820A 晶片在製造工藝、CPU 主頻、GPU 效能等方面均處於行業領先，並且理想 ONE、2020 款奧迪 A4L、領克 05、小鵬 P7 等近十款新車型均搭載高通 820A 座艙晶片，充分說明晶片運算能力決定其市場佔有份額。
除了以上國際晶片廠商外，國內晶片廠商也同樣加快產品研發步伐，推出各自座艙晶片產品。2018 年亞洲 CES 上，全志釋出了針對智慧座艙的車規級 SoC 晶片 T7；2020 年 6 月，地平線開發的智慧座艙 AI 晶片征程 2 在長安 UNI-T 正式下線應用；黑芝麻釋出了兩款車載晶片，計劃在 2021 年量產；華為與比亞迪半導體合作，進一步加快智慧座艙晶片研發的步伐。
3.2 車載作業系統
在“一芯多屏”趨勢下，車載作業系統將是智慧座艙的軟體核心。透過車載作業系統管理智慧座艙內的硬體資源，調配軟體執行，為車載應用 APP 提供執行環境，使得智慧座艙的音、影片訊號發揮出最大作用，為駕駛員營造舒適駕駛環境，並提供車輛行駛資訊、導航資訊、音響娛樂等資訊。
主流車載作業系統主要包括 QNX、Linux 和 Android 三大系統。QNX 系統是黑莓（Blackberry） 公司開發， 可靠性強，安全性高，但其開發費用高，系統非開源，導致軟體生態並不完善。Linux 是基於 POSIX 和 UNIX 的多使用者、多工，支援多執行緒和多 CPU 的作業系統，並且是免費的開源系統， 開發成本低。Android 是基於 Linux 系統核心開發而來的，它的優勢在於軟體生態建設完善，系統開發者人數佔據優勢，與之適配的 APP 應用數量眾多，但系統安全性、穩定性較差，易出現黑屏、宕機等現象，無法滿足數字儀表功能安全要求。另外，國內阿里與上汽合作，基於 Linux 系統核心打造了 AliOS 系統，依託於阿里雲，可實現車端、雲端、使用者端三者互聯互通。
在智慧座艙中，數字液晶儀表負責向駕駛者顯示車內感測器的關鍵資訊，涉及車輛安全，根據 ISO 26262 標準中要求，數字液晶儀表必須符合 ASIL B 級標準，一般採用 QNX 或者 Linux 系統。而車載娛樂系統負責導航、藍芽電話、語音互動等非安全相關功能， 大多采用 Android 系統。
各大整車廠目前均在三大作業系統基礎上開發定製個性化作業系統，其中基於 QNX 系統的整車廠有賓士、寶馬、奧迪、福特、大眾等，基於 Linux 系統的整車廠有特斯拉、雪佛蘭、豐田等，基於 Android 系統的整車廠有通用、吉利、一汽、廣汽、比亞迪等。
3.3 “一芯多屏”實現方式
“一芯多屏”的實現主要有兩種途徑， 一種是硬體隔離（Hardware Partition）， 另一種是虛擬機器監視器（Hypervisor）。它們之間主要區別在於硬體資源是否共享。
硬體隔離是透過硬體分割槽將 SoC 晶片的記憶體區域、外圍裝置、引腳等硬體資源進行劃分和管理，硬體分割槽對各自所屬資源具有訪問和管理功能，分割槽間硬體資源不能共享。以恩智浦 i.MX 8QM 晶片為代表的智慧座艙方案是基於硬體隔離實現的。在晶片內，分別建立了儀表和娛樂系統的硬體分割槽， 將多核 CPU 及其他硬體資源按作業系統需求分配到各自分割槽內，最終實現在儀表分割槽內執行 Linux 系統，在娛樂系統分割槽內執行 Android 系統。硬體隔離簡化了硬體資源分配與管理，為軟體開發提供極大便利性。
虛擬機器監視器（Hypervisor）是執行在硬體裝置與作業系統之間的一種中間軟體層， 允許多個作業系統共享硬體資源。在虛擬化環境下，Hypervisor 可以排程 CPU 核心、外部裝置、記憶體區域等硬體資源，併為每個虛擬機器分配不同資源。在 Hypervisor 協調控制下，多個作業系統在硬體方面實現資源共享共用，在軟體方面保持獨立、互不干涉。即使一個作業系統出現軟體故障或發生崩潰， 其他作業系統仍可繼續正常執行。
按照 Hypervisor 執行所在介質，可將其分為兩大類， 第一類是Hypervisor 直接在硬體裝置上執行，一般稱為 Type-1 型；第二類是 Hypervisor 在作業系統上執行。在汽車領域中， 第一類 Hypervisor 應用十分廣泛，已成為“一芯多屏”式智慧座艙的主流配置。常見的車載 Hypervisor 包括 QNX Hypervisor、ACRN、XEN、COQOS 等，其中 QNX Hypervisor 功能安全等級最高。
4 “一芯多屏”發展面臨的挑戰
從汽車晶片廠商角度，實現“一芯多屏” 方案需要開發系統級晶片，技術門檻隨之升高。在前期晶片設計、測試驗證過程中，晶片廠商為滿足整車廠的車規級 AEC-Q100 要求，以及 ISO 26262 ASIL B 級功能安全認證而需投入大量研發資金和時間。
從汽車零部件廠商角度，利用Hypervisor 實現“一芯多屏”方案開發週期較長，平均需要 12 至 18 個月甚至更長時間，其開發難度在於虛擬化環境下多系統執行測試驗證，使其保障智慧座艙平臺的流暢可靠。從整車廠角度，面對激烈的市場競爭，想透過個性化智慧座艙吸引消費者，必須在資金與技術研發進行足夠投入。而目前處於壓縮成本的大環境下，如何平衡成本與維持產品硬體品控、軟體穩定可靠的之間關係是巨大挑戰。
智慧座艙正處於快速發展時期，要解決以上問題，需要晶片廠商、汽車零部件廠商以及整車廠三者之間提早規劃，緊密合作，協同開發，建立以“晶片廠商-零部件廠商-整車廠”為核心的聯盟，共同努力推動我國智慧網聯汽車朝著“場景主導、軟體定義、資料驅動”的方向不斷前進。
