汽車(chē)的電氣化是20世紀(jì)初以來(lái)這個(gè)行業(yè)最根本性的變化。我們已經(jīng)見(jiàn)證了過(guò)去10多年來(lái)電子類(lèi)子系統(tǒng)在常規(guī)的車(chē)輛中的擴(kuò)散，同時(shí)對(duì)混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)的增長(zhǎng)性預(yù)測(cè)將給汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)帶來(lái)顯著推動(dòng)。

　　僅僅電子控制單元（ECU） 一個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模在2010年就已經(jīng)接近480億美元，比2009年大約增長(zhǎng)了29%。總體上來(lái)看，預(yù)計(jì)到2015年電子類(lèi)汽車(chē)部品所占的比例每年都將以略低于8%的速度增長(zhǎng)。一些應(yīng)用領(lǐng)域預(yù)期將會(huì)出現(xiàn)超高的增長(zhǎng)（超過(guò)50%），這些領(lǐng)域包括純電動(dòng)汽車(chē)、平視顯示器、睡意檢測(cè)、LED 照明、停車(chē)/啟動(dòng)、車(chē)道偏離警告和盲點(diǎn)監(jiān)控。在2010年時(shí)，電子系統(tǒng)和軟件的成本已占通用燃油動(dòng)力汽車(chē)總成本的30%，在混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)的總成本中占據(jù)了65%。

　　汽車(chē)電氣化是汽車(chē)制造商創(chuàng)新的關(guān)鍵。本文針對(duì)一個(gè)用于虛擬設(shè)計(jì)的平臺(tái)，分析了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn)和他們所需的關(guān)鍵品質(zhì)。

　　關(guān)鍵的電氣連接

　　駕駛者的體驗(yàn)（包括安全性、舒適性、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)性）——汽車(chē)及其乘客間聯(lián)系的紐帶 —— 已經(jīng)變得與汽車(chē)作為交通工具這一目的同樣重要。該行業(yè)在過(guò)去20～30年一直專(zhuān)注于如何使車(chē)輛更加人性化。因此，電氣子系統(tǒng)支撐了很多汽車(chē)系統(tǒng)的功能。人與車(chē)之間的一些關(guān)鍵的聯(lián)系因素（包括已投入生產(chǎn)的和正在研究的兩方面）包括：

　　●駕駛員舒適性和娛樂(lè)領(lǐng)域的電氣化；

　　●動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化以降低排放；

　　●導(dǎo)航、GPS、云導(dǎo)航等對(duì)即時(shí)信息的獲得；

　　●電力架構(gòu)和功耗最小化；

　　●臨近車(chē)輛間安全駕駛，標(biāo)識(shí)/行人/分道線(xiàn)識(shí)別，以及不必需要駕駛員的自動(dòng)駕駛。

　　要實(shí)現(xiàn)上述這些連接使汽車(chē)變得更復(fù)雜，究竟多么的更加復(fù)雜，可以從汽車(chē)工程師設(shè)計(jì)的軟件的數(shù)量分辨端倪。

　　汽車(chē)系統(tǒng)正在開(kāi)始接近現(xiàn)代操作系統(tǒng)所包含的同等級(jí)的軟件復(fù)雜性——都是令人吃驚的5000萬(wàn)行到3億行代碼。事實(shí)上，汽車(chē)系統(tǒng)實(shí)際上遠(yuǎn)比其更復(fù)雜，因?yàn)槠?chē)機(jī)械電子系統(tǒng)的相互作用要遠(yuǎn)比一臺(tái)電腦更重要。汽車(chē)可以殺死你，而電腦可能不會(huì)。

　　系統(tǒng)挑戰(zhàn)

　　在2010年美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)SAE）國(guó)際大會(huì)上，來(lái)自本田、通用汽車(chē)、福特、寶馬、克萊斯勒、標(biāo)致雪鐵龍和豐田的頂級(jí)工程師參加了一個(gè)“汽車(chē)制造商論壇”圓桌會(huì)議，在此間確定了汽車(chē)設(shè)計(jì)的主要系統(tǒng)挑戰(zhàn)。它們是：

　　功能和軟件配置及驗(yàn)證：這項(xiàng)工作是當(dāng)今汽車(chē)設(shè)計(jì)的核心。它涉及確定車(chē)輛的功能，并將其分配給相應(yīng)的硬件和軟件資源。

　　系統(tǒng)工程和仿真：汽車(chē)工程師必須為實(shí)現(xiàn)電氣化而重新設(shè)計(jì)車(chē)輛中的每個(gè)系統(tǒng)。

　　發(fā)電、管理和發(fā)送：汽車(chē)的核心系統(tǒng)依然是電力的產(chǎn)生、管理和消耗，其范圍也正在被擴(kuò)展到包括動(dòng)力系統(tǒng)等。

　　我們以下將更詳細(xì)地討論上述三個(gè)挑戰(zhàn)。

　　功能和軟件配置及驗(yàn)證

　　汽車(chē)系統(tǒng)工程師面對(duì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)不只是增加可靠性，軟件使問(wèn)題變得更困難。制造不發(fā)生系統(tǒng)崩潰的汽車(chē)、為駕駛員提供信息而不引起分心、并且無(wú)污染，是這個(gè)行業(yè)所面對(duì)的最重大的系統(tǒng)工程挑戰(zhàn)。最重要的是，該行業(yè)的成功取決于對(duì)這些汽車(chē)是否有足夠的需求，這就意味著設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要不斷地頂著壓力去找到最新的“炫酷因素”。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)與各個(gè)物理系統(tǒng)互動(dòng)的分布式計(jì)算系統(tǒng)，然后在這個(gè)分布系統(tǒng)上定義和影射軟件。

　　當(dāng)車(chē)輛中的每一個(gè)ECU都影射到一個(gè)單項(xiàng)的功能，并且ECU/軟件被都做成一個(gè)“黑盒子”交付時(shí)，這個(gè)任務(wù)就更加直接——這是一種意味著在現(xiàn)今的高端汽車(chē)上通常都能找到100多個(gè)ECU的方法。為減少ECU的數(shù)量，現(xiàn)有的技術(shù)可以將多種功能整合到一個(gè)ECU 中。而各項(xiàng)功能的復(fù)雜性也已增加，以至于多個(gè)ECU 必須通過(guò)協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能，諸如自動(dòng)停車(chē)或防碰撞等功能就必須溝通和控制多個(gè)子系統(tǒng)。

　　集成系統(tǒng)時(shí)的一個(gè)大挑戰(zhàn)就是零配件總是不變地來(lái)自多家供應(yīng)商，這使得安全性和質(zhì)量打了折扣。在開(kāi)始ECU-軟件集成時(shí)，可能出現(xiàn)數(shù)千個(gè)錯(cuò)誤。人們?cè)酵戆l(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題，解決這些問(wèn)題的代價(jià)就越高。而一旦問(wèn)題在汽車(chē)已交到顧客手中時(shí)才顯露出來(lái)，修復(fù)就變得非常昂貴。《商業(yè)周刊》曾報(bào)道豐田在2009至2010年的召回，使公司損失超過(guò)20億美元，包括法律費(fèi)用、銷(xiāo)售損失和保修支付。

　　系統(tǒng)工程和仿真

　　那么伴隨著車(chē)輛的電氣化，汽車(chē)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)如何能夠征服系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？這個(gè)問(wèn)題的著眼點(diǎn)不只限于軟件和電子設(shè)備——設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還必須考慮機(jī)電系統(tǒng)。可能的解決方案需要支持詳細(xì)的物理建模，概念性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及并行的、多層次的建模和驗(yàn)證。

　　汽車(chē)電子的歷史已經(jīng)從簡(jiǎn)單的發(fā)電和送電，經(jīng)過(guò)電子控制系統(tǒng)，演進(jìn)到電子駕駛系統(tǒng)。電子部件所占成本的比例已經(jīng)從10%增加到電子混合動(dòng)力汽車(chē)的60%。成本不是在軟件（軟件的制造幾乎是免費(fèi)的），而是構(gòu)成車(chē)輛的電子、電氣和機(jī)電組件。

　　基于模型的嵌入式系統(tǒng)工程

　　汽車(chē)制造商因?yàn)槎喾N目的而需要模型：

　　● 分析/驗(yàn)證產(chǎn)品的需要；

　　● 為電子工程系統(tǒng)定義軟件應(yīng)用；

　　● 支持仿真和驗(yàn)證工廠/多物理/汽車(chē)系統(tǒng)模型。

　　因此，建模需要使用多種不同的框架：

　　● AUTOSAR——運(yùn)行在一個(gè)虛擬處理器上的軟件；

　　● EAST-ADL2——運(yùn)行在一個(gè)環(huán)境（包括工廠）中的軟件；

　　● VHDL-AMS/MAST——機(jī)電一體化建模和電氣系統(tǒng)；

　　● SystemC/SystemC-AMS——各種系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）的系統(tǒng)級(jí)描述和相互連接；

　　● SystemVerilog/Verilog-AMS——SoC實(shí)現(xiàn)，以及SPICE—IC模擬。

　　將所有這些元素匯集在一起需要一個(gè)能夠建模和進(jìn)行物理系統(tǒng)仿真的平臺(tái)，它支撐了整個(gè)系統(tǒng)的虛擬原型驗(yàn)證，可用于模擬/電力電子，電力產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、輸送和機(jī)電一體化等應(yīng)用（如圖1所示）。

圖1 系統(tǒng)級(jí)的物理建模和仿真

　　發(fā)電、管理和輸送

　　車(chē)輛的核心功能依然是電力的產(chǎn)生、管理和消耗。隨著電氣化的程度提高，這個(gè)趨勢(shì)則益發(fā)明顯，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)現(xiàn)已成為所有這些領(lǐng)域的一個(gè)因素。所有的電氣系統(tǒng)需要利用低功耗技術(shù)，以使車(chē)輛的耗電量能夠減少，同樣也縮小電池的大小。

　　我們能夠通過(guò)優(yōu)化12/24/48V負(fù)載，減少車(chē)輛中的電線(xiàn)數(shù)量，并且設(shè)計(jì)更有效率的HVAC暖通空調(diào)（采暖，通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)，來(lái)降低電池上的電力負(fù)載。

　　與汽車(chē)相比，其他諸如手機(jī)行業(yè)等領(lǐng)域擁有多得多的應(yīng)用低功耗技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。電池巡航時(shí)間在決定像Android那樣的移動(dòng)軟件平臺(tái)的成功與否上扮演了重要角色。反過(guò)來(lái)，軟件在決定電池巡航時(shí)間時(shí)也發(fā)揮著很大作用。例如，一項(xiàng)僅為8秒鐘的更新而每10分鐘喚醒電話(huà)的應(yīng)用，能夠?qū)⑺拇龣C(jī)時(shí)間減半。任何功率效率低下的軟件或故障可以迅速導(dǎo)致其待機(jī)時(shí)間縮短5倍或更多。

　　用于節(jié)能和能源管理的、復(fù)雜的而高度分散的軟件實(shí)體必須被垂直化整合和相互協(xié)作，以確保高效地使用手機(jī)里的電池。手機(jī)的使用場(chǎng)景扮演了一個(gè)重要的角色，因?yàn)樗鼈兌x了手機(jī)如何與環(huán)境進(jìn)行交互。但是，當(dāng)手機(jī)被鎖住放在你的口袋里時(shí)，你怎么能去為你的手機(jī)糾錯(cuò)？你怎么能確保場(chǎng)景都是確定匹配不同實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)？

　　為功率類(lèi)缺陷除錯(cuò)帶來(lái)另一個(gè)重要問(wèn)題。在諸如“暫停”這樣的低功耗模式中，嵌入式系統(tǒng)的除錯(cuò)服務(wù)可能也被暫停了。此外，與設(shè)備的任何除錯(cuò)互動(dòng)都是侵入性的并嚴(yán)重地?fù)p害功率數(shù)據(jù)。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，如果去實(shí)施足夠精細(xì)的粒性功率分析來(lái)甄別哪個(gè)元器件最為關(guān)鍵，就需要使用昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

　　設(shè)計(jì)師所面臨的各項(xiàng)挑戰(zhàn)在很多方向上都正在融合，不論他們?cè)O(shè)計(jì)的是手機(jī)抑或是電動(dòng)汽車(chē)。

　　汽車(chē)工程的解決方案

　　Synopsys的設(shè)計(jì)自動(dòng)化解決方案可幫助汽車(chē)制造商解決現(xiàn)今面臨的很多新興的工程挑戰(zhàn)。我們擁有用于芯片設(shè)計(jì)的解決方案（系統(tǒng)芯片SoC），并為虛擬軟件平臺(tái)驗(yàn)證提供了領(lǐng)先的解決方案（虛擬原型驗(yàn)證），同時(shí)我們與領(lǐng)先的軟件創(chuàng)建解決方案供應(yīng)商結(jié)為伙伴。我們也有市場(chǎng)領(lǐng)先的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)工具（Saber），并引領(lǐng)包括MAST 和VHDL-AMS等廣為采用的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言的創(chuàng)建。Saber也是用于汽車(chē)電力系統(tǒng)的領(lǐng)先解決方案，并具有企業(yè)級(jí)布線(xiàn)設(shè)計(jì)的強(qiáng)大功能。

　　功能和軟件工程的虛擬解決方案

　　虛擬原型驗(yàn)證可幫助車(chē)輛設(shè)計(jì)師克服功能、軟件配置及驗(yàn)證等挑戰(zhàn)。它們?cè)谡_的抽象層提供了優(yōu)秀的除錯(cuò)可視性，例如操作系統(tǒng)進(jìn)程追蹤。它們也能夠用表征功率使用情況的信息實(shí)現(xiàn)出來(lái)。它們的執(zhí)行是通過(guò)確定的場(chǎng)景腳本控制的，這些場(chǎng)景腳本驅(qū)動(dòng)著虛擬原型的I/O，例如通過(guò)觸摸屏控制器生成用戶(hù)輸入，通過(guò)UART設(shè)置GPS坐標(biāo)，啟動(dòng)電話(huà)呼叫等。在仿真的時(shí)候，可收集功率分析數(shù)據(jù)，同時(shí)還有其他硬件和軟件追蹤數(shù)據(jù)，以確保能夠進(jìn)行根源分析和除錯(cuò)，最終使得工程師得以?xún)?yōu)化軟件。汽車(chē)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正越來(lái)越多地從傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向虛擬方式（如圖2所示），以管理系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的復(fù)雜性。

圖2 虛擬原型汽車(chē)系統(tǒng) (Synopsys Virtualizer)

　　汽車(chē)系統(tǒng)的一款虛擬原型樣機(jī)提供了彼此互動(dòng)的子系統(tǒng)的一種快速的、具有全部功能的軟件模型，可執(zhí)行未修改的生產(chǎn)代碼和提供更高的除錯(cuò)分析效率。

　　系統(tǒng)工程解決方案

　　所有的系統(tǒng)都受制于各種變化，包括元器件公差、環(huán)境壓力或老化。汽車(chē)系統(tǒng)工程師希望通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)這些變化來(lái)源不那么敏感的系統(tǒng)，來(lái)減少相應(yīng)的系統(tǒng)性能變異效應(yīng)。Saber幫助工程師應(yīng)用穩(wěn)健可靠的設(shè)計(jì)方法，例如Taguchi 或DFSS（面向六西格瑪?shù)脑O(shè)計(jì)），并面向質(zhì)量和成本來(lái)優(yōu)化他們的機(jī)電一體化系統(tǒng)。

　　電力管理解決方案

　　Saber聯(lián)接到了Synopsys 的TCAD （晶體管級(jí)CAD）工具，使得工程團(tuán)隊(duì)能夠?yàn)殡娏﹄娮酉到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)更快的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。通過(guò)將器件級(jí)物理抽象到物理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者能夠運(yùn)用功率元器件的準(zhǔn)確而小巧的Saber模型。抽象出來(lái)的模型支持行為級(jí)電路仿真，這比器件級(jí)混合模式仿真快數(shù)十萬(wàn)倍。