当智能车变成超级计算机，传统车厂还有机会吗？(为什么要开发智能汽车)

摘要:由于对传感器的安全性、可靠性、实时性、带宽和计算能力的高要求，以及复杂的软件供应链生态，智能汽车将催生下一代计算操作系统。软件和容器纵观智能汽车的生态系统，如今的驾驶舱和两个域计算机都是以整体解决方案的形式卖给OEM厂商的。

【CSDN编者按】智能汽车正在被软件定义，新的以软件为中心的架构也对下一代汽车的基础软件提出了新的要求，包括其核心操作系统。未来主机厂的核心能力会怎样？基于对未来汽车的新定义，本文将探讨下一代智能汽车操作系统的发展趋势。

作者|迈克尔·袁

|“新程序员”

今天，一辆普通汽车有1.5亿行代码，是波音787的10倍。汽车已经成为软件工程的一个重要方向。由于汽车对安全性、可靠性、实时性、传感器带宽、AI计算能力的高要求，以及其复杂的软件供应链生态，智能汽车将催生下一代计算操作系统。从过去30年基础软件的发展来看，我们相信汽车软件生态一定会开源，给程序员带来更广阔的机会。

软件定义的汽车

类似于20年前的数据中心，传统汽车是经典的“硬件隔离软件”架构。每辆量产车都有50多家软件供应商。要让这么多软件模块在同一辆车上安全可靠地运行，传统的方法是让各个供应商把软件打包在自己的电脑硬件里。这些厂商包提供的计算机称为ECU。每个ECU都有一套完整的芯片、存储器、操作系统和应用软件。ECU只通过简单的实时网络传递信息，从而达到隔离不同供应商的软件的目的。如今每辆车都有100~150个ECU，其软件的复杂程度难以管理。

因此，以特斯拉为代表的“造车新势力”开始采用以软件为中心的架构，新一代智能汽车不再拥有10小编ECU，而是拥有一台或多台通用计算机。供应商的软件作为模块在这些计算机上运行。分隔不同厂商模块的不再是硬件和网络，而是软件容器，也就是“软件定义的汽车”。新的以软件为中心的架构对下一代汽车的基础软件提出了新的要求，包括其核心操作系统。

汽车智能操作系统之争。

目前智能汽车正在从ECU向“软件定义”过渡，车企不可能一步到位。他们每辆车只能过渡到3~4台“域计算机”(也叫“域控制器”)，有两个非常重要的域:ADAS域和cockpit域。

ADAS域计算机管理自动驾驶的传感器、AI推理、决策和控制。座舱域计算机管理汽车座舱的控制和用户交互体验。这两个域的操作系统是不同的。在驾驶舱领域，车企一般使用Android系统或量身定制版本的Linux，以保证大量应用的兼容性。驾驶舱的Linux和Android系统都是使用开源的底层操作系统，有一个庞大的开发者社区。它的上层应用app可以开源，也可以闭源。

在ADAS领域，车企普遍使用商用实时操作系统，如QNX和VxWorks。ADAS的底层操作系统一般不开源，虽然有Autoware、百度的Apollo等开源应用，但大部分算法、传感器集成、推理应用都不开源。

当然，这两个领域的操作系统也有重叠。例如，QNX一般用于显示驾驶舱域中的驾驶数据屏幕(车速、自动驾驶信息)，以确保实时数据读写。在机舱中，对Android、Linux和QNX的需求也导致了特殊的Hypervisor虚拟化解决方案，如OpenSynergy，它可以以虚拟化的方式在同一台硬件计算机上运行多个操作系统。

因此，在未来，“软件定义的汽车”有很大的机会进一步从几个领域演变成一台超级计算机。这台计算机需要一套完整的操作系统和中间件服务，为驾驶舱、自动驾驶仪等各种车载应用服务。实现这个操作系统主要有两条路径。

基于驾驶舱目前使用的Linux。一方面继续砍Linux另一方面，它增加了对Linux上实时任务的支持。虽然Linux本身不是实时操作系统，也不是为嵌入式设备设计的。这条道路相当艰难，但Linux已经有了庞大的开发者社区和应用生态。这里比较有代表性的是Linux基金会下的汽车级Linux (AGL)。AGL拥有近百家会员企业，包括全球主要主机制造商和一流供应商。开发全新的下一代实时操作系统。一个强有力的竞争者是Linux基金会的子公司seL4。SeL4是一个基于微内核的实时操作系统。其主要特点是经过形式化验证后，能够保证内核的安全性和稳定性。但是seL4目前只有内核，中间件和应用生态建设还有很长的路要走。好消息是，汽车行业的地平线、蔚来汽车、李和第二状态最近加入了seL4基金会，以建立一个生态系统。我们注意到，未来汽车操作系统的明显趋势是开源。这意味着开发者实验和进入汽车生态的门槛会越来越低。

在国内火热的智能汽车市场，有技术实力的汽车软件公司都在努力开发自己的操作系统。它们都是从基于Linux的驾驶舱系统(如AGL)发展到实时车辆控制操作系统。有代表性的有以下几种。

阿里与SAIC合资的斑马智行于2021年7月获得30亿元人民币增资，主要用于基于开源AliOS的汽车操作系统开发。华为在2021年发布了开源的微内核鸿蒙系统操作系统，业内普遍认为可以用在未来的汽车上。镁在2021年5月融资1亿美元，用于汽车操作系统和应用商店的研发。中科创达是国内领先的汽车软件应用开发商，其高管在最近的采访中反复强调公司做操作系统的决心。除了前面提到的seL4基金会成员地平线、蔚来、理想和第二态，中国厂商目前在汽车操作系统两个主要方向都有布局，在全球智能汽车操作系统领域处于领先地位。

软件生态和容器

再看智能汽车的生态系统，如今的驾驶舱和ADAS域计算机都是以整体解决方案的形式卖给主机厂。对于OEM来说，这两个重要的域计算机就是黑匣子。电脑供应商，而不是原始设备制造商，控制着这两个领域的相关软件和硬件生态。比如ADAS激光雷达的选择，驾驶舱语音识别的算法选择，都是由域计算机供应商决定的。这与当今的汽车生态格格不入，也不是主机厂长期可以接受的解决方案。未来，如果软件定义汽车发展到每辆车只有一台超级计算机，那么对这台计算机的操作系统和软件生态的控制，对整车厂来说就更加重要了。

这里的挑战是，OEM或领域供应商如何在一个开放的计算平台上安全高效地集成多个下游供应商和开发人员编写的软件？其实这个问题在“软件定义的数据中心”中已经得到了很好的解决:使用软件容器来隔离各个厂商编写的模块。

云原生数据中心由Docker等软件容器隔离。汽车制造商也一直在尝试使用Docker这样的软件容器。

丰田和几家原始设备制造商已经尝试在他们的汽车上运行Linux系统的Docker。实时操作系统VxWorks于2019年正式推出Docker和Kubernetes(以下简称K8s)的支持。QNX也在几次技术会议中表达了支持Docker的意愿。而云原生数据中心广泛使用的Docker和K8s并不能从根本上满足汽车中软件容器的需求。它们太慢，太重，不能满足实时性的要求。市场迫切需要更好的解决方案。新一代轻量级软件沙箱/容器技术，如支持多种编程语言和多种操作系统/硬件的WebAssembly Runtime，是在汽车等边缘设备上实现软件隔离的好选择。WebAssembly直接从操作系统的线程启动，不需要模拟自己的操作系统环境。它的启动速度比Docker等解决方案快100多倍。

基于WebAssembly的软件容器也需要自己的管理和编排工具。这里有两个主要观点。通过在云中使用K8s的原生和成熟生态，K8s被改造成一个可以在边缘设备上排列WebAssembly容器的工具。轻量级的K8s工具，如KubeEdge、SuperEdge、OpenYurt等，已经应用到边缘设备上。使用数据流处理框架，在传感器的数据流中实时启动容器和第三方应用。目前基于ROS的自动驾驶解决方案，如鄂尔多斯、Autoware等，都可以走这个方案。工业实时流处理框架，比如YoMo，也可以用来调度WebAssembly容器。云原生计算基金会(CNCF)的官方托管项目WasmEdge也已经被适配到YoMo和鄂尔多斯。Web Runtime抽象了底层硬件和操作系统，因此开发人员可以使用现代编程语言和框架(如Rust)来编写高性能、可移植的汽车应用程序。

开发者的机会

软件定义的数据中心产生了“云原生”使用场景，为大量开发人员提供了支持。软件定义的汽车也将使第三方开发者更容易进入汽车。对于广大开发者来说，软件定义汽车的意义在于将汽车变成一个开放的计算平台。标准化的硬件、开源的操作系统、开源的容器、运行的沙盒，将大大降低开发者参与汽车应用开发的门槛。

未来，主机厂的核心竞争力将不再是发动机和变速箱，也不再是几个一级供应商的零部件。而是会像今天的公有云或者手机工厂一样，整合软件开发者的生态，为用户提供最好的软件体验。

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