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  • 2023年1月23日08时

    自动驾驶OS:挑战与机遇


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    *来源:智能汽车设计

    汽车行业正在发生以电动化,智能化,网联化为代表的全面变革。在这场变革中,从产业链到产品设计都发生着天翻地覆的变化,但其中最重要的,广泛认同的变化是软件在汽车产品中的角色。软件在产品竞争力中所占比重越来越大,芯片(SOC)+ 操作系统(OS)成为其中的重中之重。本文首先回顾智能手机OS的变革历史并作为智能汽车变革的重要参考,然后阐述自动驾驶OS所面临的挑战和机遇。

    一. 智能手机OS变革回顾:

    在进行分析汽车OS前,我们来重温一下智能手机从2007年以来的行业变革之路,回顾手机行业生态的变革对于汽车行业具有重要的参考价值,智能手机的产品技术分工在功能机和智能机时代的变化如下图所示:

    (图1) Android OS架构分层及行业分工变化

    结合上图,从功能机时代到智能机时代转换的推动因素,在手机外形,硬件架构等标准化后,手机OS的标准化是重要的引爆点。在这个转换过程中,产业链上各角色开始出现了如下的分工变化:

    1. OEM

    手机OEM在功能机时代,SOC芯片和元器件自行采购,软硬件全栈自研。在智能机时代,整个手机功能复杂度相比之前呈现指数级增长,采用行业标准OS成为除了苹果之外各家唯一的选择,在APP层面除了自有系统APP外,虽然也都推出自建应用商店,但是控制力都大大减弱,各家OEM的核心价值点开始转移到营销,品牌,外围功能点(如拍照)的创新,供应链管理等, 手机OEM的不可替代性大大减弱,新品牌的引入也变得更为容易。手机OEM很大程度上依赖硬件SOC+软件OS带来重大的产品革新,各家OEM的产品定义能力减弱, 虽然个别手机厂商也尝试突破SOC+OS的封锁,但是效果微乎其微。

    (图2) 自1997年到2014年,从功能机到智能机过度阶段,手机品牌数量和占有量变化

    另一方面,因为SOC+OS的标准化带来了行业产业链的蓬勃发展,如上图2)所示,从1997年到2014年的变革期间,手机品牌数大大增加,市场份额却呈现了明显的碎片化。

    2. SOC


    SOC厂商在功能机时代,完全和OEM绑定,各家OEM和SOC有着天然的绑定关系, 有着长期稳定的合作,SOC和OEM也呈现不同阵营。在智能机时代,手机复杂度提升,APP生态对于软硬件平台标准化的强烈要求,导致SOC的市场集中度快速提升,在智能机时代SOC完全和OS进行了绑定,出现类似PC时代的WINTEL联盟,从图 1) 中也能明显看到,SOC和OS的职责覆盖大大增加,呈现了赢家通吃的局面。


    3. OS


    OS在功能机时代是封闭的,对于普通用户是透明的,在行业中存在感较弱,虽然也有Nokia的塞班,Moto的Linux等,但是受限于网络条件,SOC硬件处理能力等,OEM缺少动力去建立生态,APP生态仅限于少量的塞班生态,WAP应用生态和JAVA 小程序, 这些应用生态受限于硬件及网络能力体验不佳,加上生态碎片化,无法出现覆盖各个平台且体验一致的APP。这些因素导致了功能机时代移动端OS在整个行业中存在感极低。


    在智能机时代,OS成为创新的主要来源,Google投入了巨额的资金研发Android,并建立基于Android的AOSP联盟,在Android OS被行业普遍接受成为事实的行业垄断标准后,将大量模块私有化,推出私有化核心服务(GMS),并通过RSA分成协议等控制手机OEM,成为了智能机时代事实上的生态盟主。


    4. APP


    在功能机时代,如前述,APP开发者的存在感非常弱,首先手机本身只有自带的一些系统APP由各家OEM自己开发,其他更多的是一些基于WAP,WEB方式提供的云端应用,这一时代内容更多是单向的提供一些新闻,论坛等在线应用, APP开发者生态极其受限。


    在智能机时代,因为OS+SOC以及手机外形,配置等的标准化, 手机变成了互联网终端,APP开始蓬勃发展, 游戏娱乐,电商,社交,媒体,新闻等行业开始将重点转移到移动端, 智能机真正地超越PC成为第一联网终端,各家APP市值也甚至超越了手机OEM的市值,成为手机上用户体验第一窗口。


    小结:


    智能机手机OS标准化后,系统迭代加快,复杂度大大提升,SOC联合OS厂商,扩大了职责边界,向OEM提供了更多的标准化方案,SOC和OS都以平台化,标准化的方式交付到OEM,SOC和OS集中度极大的增加,形成了事实上的垄断,OEM丢失了产品的核心定义权,各家产品开始趋同。


    另一方面,也应该看到,随着软硬件的发展和标准化,APP开发者被极大的解放,可以基于标准化OS进行开发,APP给用户带来了更好的使用体验,重塑了各行各业,形成了今天移动互联网的蓬勃发展局面。


    从行业安全来看,OS成为了事实上的行业垄断者,相比于SOC,Android OS因为其生态底座定位,以及和核心GMS的绑定关系,导致了OS成为国产化难以逾越的鸿沟,变成手机行业卡脖子的痛点。


    二. 自动驾驶OS的现状和发展:


    接下来我们来看汽车智能化过程中带来的行业变革,这一变革仍然在进行过程中,我们主要来看看自动驾驶OS,自动驾驶技术栈框架如下:


    (图3) 自动驾驶操作系统框架图 来源于国家智能网联汽车创新中心 电动车百人会

    OS架构中,自动驾驶OS分为了车控操作系统和计算平台操作系统,车控操作系统因为其封闭性且总体功能复杂度较低,本文暂不讨论,本文专注于计算平台OS,

    计算平台OS分为三个主要部分, 基础OS,中间件OS和核心服务,以下来分别说明:

    1. 基础OS:


    基础OS主要提供了计算硬件资源虚拟化,OS内核的调度和设备抽象,内存管理等模块, 这些都属于通用OS范畴。


    目前在基础OS层面,国内行业主要依赖Linux,商业化的还有QNX, 目前还没有看到其他广泛使用的国产基础OS方案。


    2. 中间件OS:


    类比于手机OS的AOSP,自动驾驶中间件OS提供了APP模块化,通信,调度,OTA,AI和媒体异构算力抽象等功能。中间件OS将基础OS能力进一步抽象,针对自动驾驶场景,为APP提供了标准化自动驾驶计算平台接口。


    3. OS核心服务:


    同时,OS还应该包含系统核心服务,其中定位,地图将是对于生态建设至关重要的核心服务。


    将定位,地图,账户等作为OS核心服务,在于上层APP需要一个统一的地图,定位等服务,以使得车,云,路之间的信息交换能够基于统一的数字空间,能够更方便的互操作,使得车路云一体化成为可能。


    以上每个部分,目前的行业中都面对着技术壁垒和自主可控的严峻挑战,我们下面来逐一说明:


    1. 基础OS的挑战:


    基础OS是自动驾驶可靠性的基础保障,满足功能安全的基础OS,包含满足功能安全的内核,虚拟化软件和BSP,在技术上难度高,研发和验证时间长,单个企业进行突破难度极大。


    另一方面,基础OS是SOC的灵魂,国产化SOC缺少国产化的,符合功能安全标准的国产基础OS,将使得国产化SOC+OS方案量产困难重重,单个SOC厂商进行技术突破的成本极高。


    同时,SOC方面,目前自动驾驶依赖的ARM指令集和ARM IP Core仍然是事实上的行业垄断标准,时刻面临着卡脖子的问题,开放的RISC-V架构的发展更加离不开基础OS的突破,保证自动驾驶计算平台的底座能够自给自足,是基础OS的又一大使命。


    2. 中间件OS的挑战:


    中间件OS是自动驾驶生态化的基础,一方面目前行业中间件OS技术路线多样,导致自动驾驶应用厂商和OEM在不同的项目落地过程中重复造轮子,整个行业生态碎片化,资源过多投入在低效重复的工作中,并且对于整车研发,SOC和智能汽车的产品迭代周期也产生了负面影响,市场亟需一个开放的,标准的,符合汽车规范的中间件OS,使得整个行业能够受益。


    3. OS核心服务的挑战:


    参照Android OS,Google在免费提供开源AOSP的同时,通过技术和法律手段牢牢将核心服务GMS掌握在自己手中,核心服务是OS的核心生态卡位点。


    整个自动驾驶是一个数据驱动的产品迭代闭环,用户数据在云端将帮助形成实时数字孪生空间帮助迭代和改进自动驾驶体验,为自动驾驶车辆提供个性化的,动态的,实时的数字孪生空间服务,使得自动驾驶更聪明,智能,更个性化。而这都依赖以用户数据为输入的车云一体化的核心服务。


    同时OS核心服务因为需要处理大量敏感地理和用户信息,涉及到了用户隐私权,国家安全等问题,如何在满足国家法律和行业发展需要的前提下,产生更好的行业分工协作模式,这个问题仍然有待进一步明朗化。


    尽管智能汽车和自动驾驶OS面临着以上严峻挑战,但挑战同时带来了机遇:


    中美是自动驾驶研发和应用领先的国家,自动驾驶基础OS目前仍然美国领先,但是在自动驾驶应用,智能汽车行业发展上,中国发展的更快,自动驾驶商业化也领先欧洲和美国, 目前国产化方案更容易在商业上形成闭环,不断迭代改进,从而取得领先优势。


    自动驾驶不单单是汽车智能化,包括车,路,云,图的一体化方案将是更大的自动驾驶系统,中国的政府,企业,用户形成的智能交通大系统,将催生以车路云图一体化为基础的智能交通大产业,使得我们在电动化,智能化,网联化的变革中占有领先优势。


    总结:


    汽车在电动化之后,智能化将是竞争的主战场,如何形成一个高效的产业分工格局,让自动驾驶摆脱低层次的重复开发,满足高等级安全要求,并且有一个自主可控的产业链,自动驾驶OS将是其中的灵魂所在。一个开放,标准的自动驾驶OS,将提高整个自动驾驶的产品质量,提升国家智能汽车产业竞争力。


    *源:智能汽车设计
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