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看過(guò)去的二十年，消費(fèi)類產(chǎn)品依托不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝、完善而龐大的網(wǎng)絡(luò)、免費(fèi)而引人注目的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在性能表現(xiàn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了車載應(yīng)用。

車載應(yīng)用受限于工作溫度范圍嚴(yán)苛、安全性能要求高，只能使用落后于消費(fèi)類的芯片、在算力受限的情況下發(fā)展。在摩爾定律減緩的新時(shí)代，算力提升走向并行、異構(gòu)等新方向，車載系統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)發(fā)展和應(yīng)用需求也發(fā)生變化。

得益于汽車電動(dòng)化的推動(dòng)，車輛智能化的發(fā)展迅速，此時(shí)的座艙不僅是顯示內(nèi)容的媒介，是人機(jī)互動(dòng)的參與者或發(fā)起者，更是人們的“第三生活空間”。未來(lái)，車載智能化應(yīng)用將展現(xiàn)出新的姿態(tài)，讓我們一同探索這些轉(zhuǎn)變的需求因素和技術(shù)可能性。

01 智能座艙趨勢(shì)概述

1922年前裝搭載收音機(jī)功能的量產(chǎn)車正式進(jìn)入市場(chǎng)，到如今，整整過(guò)去了一個(gè)世紀(jì)。最初的收音機(jī)與家庭收音機(jī)無(wú)異，體積龐大，電力消耗高，背著龐大的天線卻只能收到微弱的信號(hào)。在這百年發(fā)展歷程里，收音機(jī)依托晶體管、半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，在1963年轉(zhuǎn)變?yōu)槿w管設(shè)計(jì)，成為了車上最早、集成晶體管數(shù)量最多的車載電子單元。

隨著之后五十多年的發(fā)展，車上的娛樂(lè)系統(tǒng)在不斷與家庭娛樂(lè)應(yīng)用同步，1970年磁帶播放器上車，比家用磁帶播放器晚5年；1985年CD主機(jī)上車，僅比體積龐大的家用CD晚3年。而1986年，配置液晶觸控屏的車輛已量產(chǎn)，車載技術(shù)已經(jīng)與消費(fèi)類技術(shù)同步。

汽車最初只是一個(gè)運(yùn)輸工具，以滿足用戶的出行需求為目的。而從收音機(jī)出現(xiàn)開始，汽車生產(chǎn)商也幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)，人們并不僅被汽車的出行屬性吸引，車上也可以具備滿足社會(huì)、家庭生活的各類功能。自然而然的，座艙作為人們使用汽車的空間，逐漸具有更多的功能，包括收音機(jī)、高保真音響、CD機(jī)、帶有觸摸功能的顯示屏、衛(wèi)星導(dǎo)航。到現(xiàn)在，車上形成了以車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)為中心的娛樂(lè)系統(tǒng)，也即IVI系統(tǒng)。此時(shí)的座艙不僅是顯示內(nèi)容的媒介，更是人機(jī)互動(dòng)的參與者或發(fā)起者。

Digital Cockpit 2020 by Samsung and HARMAN

從2020年以來(lái)，越來(lái)越多的多屏產(chǎn)品量產(chǎn)，將屏幕的數(shù)量拉升到了超過(guò)9個(gè)，屏幕也長(zhǎng)達(dá)1米。大屏化和多屏化趨勢(shì)下擠占了座艙空間，座艙布局會(huì)產(chǎn)生更多的組合，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用分區(qū)和多屏無(wú)縫協(xié)同，是新的發(fā)展方向。

在智能化浪潮下，屏幕上有越來(lái)越多的應(yīng)用加入，層級(jí)化的界面交互模式下的操作效率降低，已經(jīng)不能滿足人們的需求，基于感知和推薦系統(tǒng)構(gòu)建的多模主動(dòng)交互和場(chǎng)景化交互成為發(fā)展的新方向。

得益于汽車電動(dòng)化的推動(dòng)，車輛智能化的發(fā)展迅速，車輛信息逐漸集中化，信息的查看和控制集中于智能座艙中，降低客戶使用車輛的難度，要求智能座艙具備場(chǎng)景化服務(wù)組織能力。隨著場(chǎng)景化的延伸，智能手機(jī)、智能家居也融入到車輛使用場(chǎng)景中，智能座艙儼然成為了人們的“第三生活空間”。

02 中央計(jì)算集中化趨勢(shì)

2.1 EEA的中央計(jì)算集中

智能座艙由車載電子電器架構(gòu)（EEA）中所有信息娛樂(lè)域電子電器的軟硬件組成，依托EEA提供的電力、信號(hào)分配和通信功能實(shí)現(xiàn)自身功能和對(duì)外延伸。隨著車輛智能化程度的提高，新的架構(gòu)、大量的數(shù)據(jù)以及域集中的趨勢(shì)對(duì)傳統(tǒng)分布式的架構(gòu)提出了挑戰(zhàn)。其中最重要的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是中央計(jì)算架構(gòu)，對(duì)多個(gè)域的功能和屬性進(jìn)行融合，進(jìn)而提供更高的軟件靈活性、更多的代碼重用，以達(dá)到軟件定義汽車的目標(biāo)。

Global Market Monitor資料

2.2 軟件定義汽車及智能座艙的形態(tài)

軟件定義汽車的最終目標(biāo)是使汽車完全由軟件控制，整車的軟件運(yùn)行在中央計(jì)算平臺(tái)上。通過(guò)這種方式，功能的修正和升級(jí)可通過(guò)OTA向用戶推送，使得系統(tǒng)軟件的管理和計(jì)算效率都得到提升，也大大提高交付的靈活性。

而在智能座艙產(chǎn)品中，隨著芯片計(jì)算能力的提升，虛擬化等基礎(chǔ)軟件平臺(tái)的完善，將多個(gè)域的功能整合在以SoC為中心的計(jì)算平臺(tái)上已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。隨著算力和分配設(shè)施能力的提升，域的分界線還將進(jìn)一步模糊，將實(shí)現(xiàn)更加高效的軟件開發(fā)和集成，提供持續(xù)提升用戶體驗(yàn)的機(jī)會(huì)。

03 算力需求

3.1 CPU算力

SoC是智能座艙算力的核心，SoC中中央計(jì)算單元（CPU）是評(píng)價(jià)CPU性能的主要方式，常以每秒運(yùn)行的指令數(shù)量（DMIPS）計(jì)，隨著智能座艙功能的逐步豐富，對(duì)算力的要求也不斷提高。目前，已經(jīng)量產(chǎn)的座艙SoC已經(jīng)具備超過(guò)100 KDMIPS的算力，通過(guò)高速的CPU計(jì)算，用于呈現(xiàn)日益復(fù)雜的UX和應(yīng)用。

在消費(fèi)類產(chǎn)品，隨著制程工藝下探的難度增大，算力的增長(zhǎng)速度逐漸放緩，相比之下，智能座艙產(chǎn)品中，CPU算力的提升卻有著明顯的加速發(fā)展趨勢(shì)。

CPU算力的提升，將大大促進(jìn)軟件定義汽車的發(fā)展，同一套系統(tǒng)平臺(tái)上將可以通過(guò)虛擬化運(yùn)行更多操作系統(tǒng)。未來(lái)，隨著軟件生態(tài)的完善、SOA架構(gòu)的發(fā)展，以虛擬機(jī)為基礎(chǔ)的“系統(tǒng)即應(yīng)用”將成為現(xiàn)實(shí)。3.2 GPU算力

HMI是智能座艙上實(shí)現(xiàn)交互呈現(xiàn)的重要一環(huán)，車企都在爭(zhēng)相重新定義智能座艙的HMI。在優(yōu)化UX/UI呈現(xiàn)的同時(shí)，引入了3D化界面，甚至在座艙內(nèi)引入3D游戲， 3D顯示屏等新的。精美的3D化界面，自然流暢的瀏覽和交互，已經(jīng)逐漸成為了智能座艙的重要體現(xiàn)。

近年來(lái)，隨著車載芯片GPU算力的提升，元宇宙、AR/VR等也有了在車上落地的基礎(chǔ)。通過(guò)高質(zhì)量的3D UI呈現(xiàn)人機(jī)共駕地圖，使智能座艙牽手自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，通過(guò)直觀的方式為客戶提供地圖呈現(xiàn)、車輛狀態(tài)呈現(xiàn)，甚至在視覺上對(duì)車輛剎車等動(dòng)作作出提醒。

3.3 AI算力3.3.1 座艙交互方式的變化

隨著越來(lái)越多的顯示器、攝像頭、傳感器和人工智能助手功能的加入，車內(nèi)的交互方式不再限制為傳統(tǒng)的硬按鍵、觸控、語(yǔ)音方式，無(wú)縫的交互方式越來(lái)越普遍，場(chǎng)景感知和交互融合，成為了智能座艙的重要組成部分。

按照國(guó)外媒體的預(yù)測(cè)，AI算力呈指數(shù)上升，每3.4個(gè)月翻一番，在汽車行業(yè)的應(yīng)用來(lái)看，AI算力需求幾乎每年翻一番。除了在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域應(yīng)用外，座艙內(nèi)的AI應(yīng)用也在加速。3.3.2 AI多模態(tài)感知

在應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，智能座艙AI算力攀升也激活了一些新功能。座艙已從基本的用戶交互進(jìn)化為主動(dòng)交互，通過(guò)傳感器和算法感知用戶個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)推薦，提升整體用戶體驗(yàn)。但是多模態(tài)感知交互有著復(fù)雜的場(chǎng)景，尚不能匹配所有的用戶，在實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知交互的過(guò)程中，隨著對(duì)用戶需求和座艙內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景的理解逐漸深入，模型和邏輯將不斷進(jìn)行迭代，為此更是要求AI算力在量產(chǎn)后仍有足夠的預(yù)留。3.3.3 實(shí)時(shí)語(yǔ)音降噪

傳統(tǒng)的語(yǔ)音降噪常采用最小均方根（MMSE）方法，目前在AI語(yǔ)音降噪算法的研究，將深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）算法應(yīng)用于降噪中，通過(guò)找有噪聲語(yǔ)音與無(wú)噪聲語(yǔ)音之間的映射函數(shù)，從而移除背景噪音上。根據(jù)車載環(huán)境要求進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)和訓(xùn)練，并且部署到車機(jī)上，傳統(tǒng)的方式是使用CPU運(yùn)行此類應(yīng)用。但為能同時(shí)處理多達(dá)8通道的語(yǔ)音，將此類算法部署在AI加速器上是一個(gè)趨勢(shì)。在消費(fèi)領(lǐng)域，RTX Voice即運(yùn)用RTX系列芯片強(qiáng)大的AI算力消除語(yǔ)音背景噪聲，實(shí)現(xiàn)了極低的延遲，降低了對(duì)系統(tǒng)CPU算力的依賴。

在車載應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)用DNN進(jìn)行風(fēng)噪、胎噪等各類噪聲的有著非常廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，這些都依賴更為強(qiáng)大的AI算力。可以想象，AI加速器給語(yǔ)音處理帶來(lái)更多的可能性：

通過(guò)加速器算力分割背景語(yǔ)音與前景語(yǔ)音，實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)聲源環(huán)境的定位；

通過(guò)音頻與視頻AI計(jì)算的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的音頻分割和降噪；

具有將Latency進(jìn)一步降低的潛力，甚至實(shí)現(xiàn)在單端進(jìn)行雙向語(yǔ)音降噪的能力。

3.3.4 實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)脫敏

隨著UN R155的實(shí)施、網(wǎng)絡(luò)安全法的發(fā)布、GB《汽車整車信息安全技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》的正式實(shí)施，汽車信息安全越來(lái)越受重視，自2021年以來(lái)，《汽車數(shù)據(jù)安全管理若干規(guī)定(試行)》等多部與汽車數(shù)據(jù)安全相關(guān)的規(guī)定相繼出臺(tái)，要求加強(qiáng)汽車數(shù)據(jù)安全、功能安全和預(yù)期功能安全管理。按照法規(guī)要求，通過(guò)車端設(shè)備獲取視頻或圖片數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到車外的功能，必須經(jīng)過(guò)脫敏處理。而當(dāng)前行車記錄分享、遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻通話、路書等功能都依賴此類數(shù)據(jù)運(yùn)行。因此，為了保護(hù)道路車輛、行人及駕乘人員的敏感信息和個(gè)人隱私，為車在數(shù)據(jù)采集的安全合規(guī)，未來(lái)將有更多的算力用于本地的實(shí)時(shí)圖像分割和信息提取。

傳統(tǒng)的方案是采用CPU進(jìn)行提取和計(jì)算，隨著車上視頻流數(shù)量的增加和對(duì)實(shí)時(shí)性要求的提高，使用AI加速器實(shí)時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行脫敏，并發(fā)送到用戶的設(shè)備上，將更加流暢和高效。

04 總結(jié)

汽車智能化的產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)進(jìn)入深水期，隨著智能座艙系列應(yīng)用的涌現(xiàn)，應(yīng)對(duì)不同的場(chǎng)景，算力的需求已經(jīng)升級(jí)。隨著滿足算力需求、功能要求和安全需求的大算力平臺(tái)的出現(xiàn)，智能座艙將獲得更大的發(fā)展動(dòng)力。

參考資料

[1]A regression approach to speech enhancement based on deep neural networks IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech and Language ProcessingVolume 23Issue 1January 2015 pp7–19

https://doi.org/10.1109/TASLP.2014.2364452

[2]Changes in Electrical and Electronic Architecture Become Inevitable as the Development of Intelligent Networked Vehicles Is Booming

https://www.globalmarketmonitor.com/report_blog/591703-Changes_in_Electrical_and_Electronic_Architecture_Become_Inevitable_as_the_Development_of_Intelligent_Networked_Vehicles_Is_Booming.html

作者：Derek. Zou（復(fù)睿微產(chǎn)品方案架構(gòu)專家，操作系統(tǒng)軟件工程師，有多年的智能座艙系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。）