?【CSDN 編者按】智能汽車正在被軟件定義，而以軟件為中心的新架構(gòu)也對(duì)下一代汽車的基礎(chǔ)軟件，包括其核心操作系統(tǒng)，提出了新的要求。未來整車廠的核心能力將發(fā)生怎樣的變化？本文將從未來汽車的新定義出發(fā)，探索下一代智能汽車的操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。

作者 |?Michael Yuan??

出品 |?《新程序員》

今天一輛普通汽車上有1.5億行代碼，是波音787飛機(jī)代碼量的10倍。汽車已經(jīng)成為軟件工程的一個(gè)重要方向。由于汽車對(duì)安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性，和傳感器帶寬、AI算力的高要求，及其復(fù)雜的軟件供應(yīng)鏈生態(tài)，智能汽車會(huì)催生下一代計(jì)算操作系統(tǒng)。從基礎(chǔ)軟件過去30年的發(fā)展歷程來看，我們認(rèn)為汽車軟件生態(tài)一定會(huì)開源，會(huì)給程序員帶來更廣闊的機(jī)會(huì)。

?軟件定義的汽車

與20年前的數(shù)據(jù)中心類似，傳統(tǒng)汽車是經(jīng)典的“硬件隔離軟件”架構(gòu)。每一輛量產(chǎn)車有50+軟件供應(yīng)商，要讓這么多軟件模塊安全可靠地在同一輛車上運(yùn)行，傳統(tǒng)的方法是讓每一個(gè)供應(yīng)商把軟件封裝在自己的計(jì)算機(jī)硬件里面。這些供應(yīng)商封裝提供的計(jì)算機(jī)叫作ECU。每個(gè)ECU里面有一套完整的芯片、存儲(chǔ)、操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件，ECU之間只通過簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，從而達(dá)成隔離不同供應(yīng)商軟件的目的。今天每一輛汽車有100~150個(gè)ECU，其軟件的復(fù)雜性已經(jīng)很難管理。

因而，以Tesla為代表的“造車新勢(shì)力”開始采用以軟件為中心的架構(gòu)，新一代智能汽車也不再有100+ECU，而是擁有一臺(tái)到幾臺(tái)通用計(jì)算機(jī)。供應(yīng)商的軟件作為模塊運(yùn)行在這些計(jì)算機(jī)上，隔離不同供應(yīng)商模塊的不再是硬件與網(wǎng)絡(luò)，而是軟件容器，這就是“軟件定義的汽車”。而以軟件為中心的新架構(gòu)對(duì)下一代汽車的基礎(chǔ)軟件，包括其核心操作系統(tǒng)，提出了新的要求。

?

??智能汽車操作系統(tǒng)之爭(zhēng)

目前，智能汽車正在從ECU向“軟件定義”過渡，車企不能一步到位，走到每輛車只有一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的架構(gòu)，只能過渡到每輛車3~4個(gè)“域計(jì)算機(jī)”（也稱“域控制器”），其中有兩個(gè)很重要的域：ADAS域與座艙域。

• ADAS域計(jì)算機(jī)管理著汽車自動(dòng)駕駛的傳感器、AI推理、決策與控制。
• 座艙域計(jì)算機(jī)管理著汽車座艙的控制與用戶交互體驗(yàn)。

這兩個(gè)域的操作系統(tǒng)并不相同。在座艙域中，車企一般使用的是Android系統(tǒng)，或者是剪裁版的Linux，以保證大量應(yīng)用程序的兼容性。座艙里的Linux與Android系統(tǒng)使用開源的底層操作系統(tǒng)，有巨大的開發(fā)者社區(qū)。其上層的應(yīng)用App可以是開源或閉源的。

在ADAS域中，車企一般使用商業(yè)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如QNX與VxWorks等。ADAS的底層操作系統(tǒng)一般不開源，而應(yīng)用雖然有開源的，如Autoware與百度的Apollo，但是絕大部分算法、傳感器集成以及推理應(yīng)用都是不開源的。

當(dāng)然，這兩個(gè)域的操作系統(tǒng)也有重疊的地方。例如，座艙域中顯示駕駛數(shù)據(jù)的屏幕（車速、自動(dòng)駕駛信息）一般是用QNX，以保證實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)讀寫。在座艙內(nèi)，對(duì)Android、Linux與QNX的需求還產(chǎn)生了專門的Hypervisor虛擬化解決方案，如OpenSynergy，能讓幾個(gè)操作系統(tǒng)用虛擬化的方式運(yùn)行在同一個(gè)硬件計(jì)算機(jī)上。

因而，未來“軟件定義的汽車”有很大幾率會(huì)從幾個(gè)域進(jìn)一步進(jìn)化為一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)。這個(gè)計(jì)算機(jī)需要一整套操作系統(tǒng)與中間件服務(wù)，去為座艙、自動(dòng)駕駛等各種車內(nèi)應(yīng)用服務(wù)。想要實(shí)現(xiàn)這個(gè)操作系統(tǒng)，主要有以下兩條路徑。

• 以目前座艙使用的Linux為基礎(chǔ)改造。一方面是把Linux繼續(xù)剪裁；另一方面是在Linux上增加對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的支持。盡管Linux本身不是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，也不是為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的，這條路徑有相當(dāng)大的難度，但Linux已經(jīng)有了龐大的開發(fā)者社區(qū)與應(yīng)用生態(tài)。這里比較有代表性的是Linux基金會(huì)旗下的Automotive Grade Linux (AGL)。AGL有近百個(gè)成員公司，包含了世界上主要的主機(jī)廠商與一級(jí)供應(yīng)商。
• 開發(fā)嶄新的下一代實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。一個(gè)有力的競(jìng)爭(zhēng)者是Linux基金會(huì)旗下的seL4。seL4是一個(gè)基于微內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它的一個(gè)主要特點(diǎn)是經(jīng)過形式化驗(yàn)證，能保證內(nèi)核的安全穩(wěn)定性。但seL4目前只有內(nèi)核，中間件與應(yīng)用生態(tài)建設(shè)仍然有很長(zhǎng)的路。好消息是汽車行業(yè)的地平線、蔚來汽車、理想汽車、Second State最近都加入了seL4基金會(huì)，共建生態(tài)。

我們注意到，未來汽車操作系統(tǒng)的明顯趨勢(shì)是開源的。這意味著開發(fā)者試驗(yàn)與進(jìn)入汽車生態(tài)的門檻會(huì)越來越低。

在智能汽車火熱的中國(guó)市場(chǎng)中，有技術(shù)實(shí)力的汽車軟件公司也都在向自研操作系統(tǒng)努力。它們都是從基于Linux的座艙系統(tǒng)（如前述的AGL）往實(shí)時(shí)車控操作系統(tǒng)演進(jìn)。其中比較有代表性的是以下幾家。

• 阿里與上汽合資的斑馬智行于2021年7月獲得30億元的增資，主要用于基于開源的AliOS的汽車操作系統(tǒng)開發(fā)。
• 華為于2021年發(fā)布了開源微內(nèi)核的鴻蒙操作系統(tǒng)，業(yè)界普遍認(rèn)為是可以用在未來汽車上的。
• 鎂佳在2021年5月融資一億美元，用于汽車操作系統(tǒng)與應(yīng)用商店的研發(fā)。
• 中科創(chuàng)達(dá)是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的汽車軟件應(yīng)用開發(fā)商，其高層在最近的訪談中反復(fù)強(qiáng)調(diào)了公司要做操作系統(tǒng)的決心。

加之前面提到的seL4基金會(huì)成員地平線、蔚來、理想、Second State，中國(guó)廠商目前在汽車操作系統(tǒng)的兩個(gè)主要方向都有布局，正走在世界智能汽車操作系統(tǒng)領(lǐng)域的前列。

軟件生態(tài)與容器

放眼智能汽車的生態(tài)圈，今天的座艙與ADAS兩個(gè)域計(jì)算機(jī)都是以整體解決方案的方式售賣給整車廠。對(duì)于整車廠來說，這兩個(gè)重要域計(jì)算機(jī)是黑盒。域計(jì)算機(jī)的供應(yīng)商，而不是整車廠，正在掌控著這兩個(gè)域的相關(guān)軟硬件生態(tài)。例如，ADAS激光雷達(dá)的選型、座艙語(yǔ)音識(shí)別的算法選擇都是由域計(jì)算機(jī)供應(yīng)商決定的。這與今天的汽車生態(tài)格格不入，也不是整車廠能夠長(zhǎng)期接受的方案。而未來，如果軟件定義的汽車發(fā)展到每輛車只有一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，對(duì)這臺(tái)計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)與軟件生態(tài)的控制權(quán)，更是整車廠不能放棄的。

這里的挑戰(zhàn)是，整車廠或者域供應(yīng)商，如何在一個(gè)開放的計(jì)算平臺(tái)上安全高效地集成多個(gè)下游供應(yīng)商與開發(fā)者寫的軟件？其實(shí)，這個(gè)問題在“軟件定義的數(shù)據(jù)中心”已經(jīng)有了很好的解決方向：使用軟件容器隔離各個(gè)供應(yīng)商寫的模塊。

云原生數(shù)據(jù)中心用Docker這類軟件容器實(shí)現(xiàn)隔離。汽車廠商也一直在試圖使用Docker這樣的軟件容器。

• 豐田汽車以及多個(gè)整車廠都已經(jīng)試驗(yàn)過在車上的Linux系統(tǒng)上運(yùn)行Docker。
• 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks在2019年正式推出了Docker與Kubernetes（以下簡(jiǎn)稱K8s）的支持。
• QNX也在多個(gè)技術(shù)會(huì)議上表達(dá)了支持Docker的意愿。但是，在云原生數(shù)據(jù)中心大量使用的Docker與K8s并不能從根本上滿足汽車上軟件容器的需求。它們太慢，太重，也不能滿足實(shí)時(shí)性的需求。市場(chǎng)上急需一個(gè)更好的解決方案。

新一代的輕量級(jí)軟件沙盒/容器技術(shù)，如支持多種編程語(yǔ)言與多種操作系統(tǒng)/硬件的WebAssembly Runtime，是在汽車這種邊緣設(shè)備上實(shí)現(xiàn)軟件隔離的很好選擇。WebAssembly直接從操作系統(tǒng)的線程啟動(dòng)，并不需要模擬一個(gè)自己的操作系統(tǒng)環(huán)境，在啟動(dòng)時(shí)間上可以比Docker這類解決方案快100倍以上。

• 基于WebAssembly的軟件容器也需要自己的管理與編排工具。這里主要有兩個(gè)思路。
• 利用K8s在云原生成熟的生態(tài)，將K8s改造為能編排邊緣設(shè)備上WebAssembly容器的工具。輕量級(jí)的K8s工具，如KubeEdge、SuperEdge與OpenYurt，已經(jīng)在邊緣設(shè)備上應(yīng)用。
• 用數(shù)據(jù)流處理框架，在傳感器的數(shù)據(jù)流之中實(shí)時(shí)啟動(dòng)容器與第三方應(yīng)用。目前基于ROS的自動(dòng)駕駛解決方案，如ERDOS與Autoware，都可以走這個(gè)方案。工業(yè)應(yīng)用的實(shí)時(shí)流處理框架，如YoMo，也可以用來調(diào)度WebAssembly容器。云原生計(jì)算基金會(huì)（CNCF）的正式托管項(xiàng)目WasmEdge也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與YoMo和ERDOS 的適配。

WebAssembly Runtime抽象了底層的硬件與操作系統(tǒng)，開發(fā)者就能用現(xiàn)代的編程語(yǔ)言與框架，如Rust，寫出高性能、可移植的汽車應(yīng)用。

開發(fā)者的機(jī)會(huì)

軟件定義的數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生了“云原生”的使用場(chǎng)景，賦能了大量開發(fā)者。軟件定義的汽車也會(huì)讓第三方開發(fā)者更容易進(jìn)入汽車。對(duì)于廣大開發(fā)者來說，軟件定義的汽車的意義在于把汽車變成一個(gè)開放的計(jì)算平臺(tái)。標(biāo)準(zhǔn)化的硬件、開源的操作系統(tǒng)、開源的容器與運(yùn)行沙盒，都會(huì)大大降低開發(fā)者參與汽車應(yīng)用開發(fā)的門檻。

未來整車廠的核心能力將不再是引擎與變速箱，也不再是整合幾個(gè)一級(jí)供應(yīng)商的部件，而是像今天的公有云或者手機(jī)廠一樣，整合軟件開發(fā)者的生態(tài)，為用戶提供最好的軟件體驗(yàn)。

新程序員們，軟件定義的汽車時(shí)代已經(jīng)來臨了，你們準(zhǔn)備好了嗎？

本文出自《新程序員002：新數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)代&軟件定義汽車》，由60余位專家傾力創(chuàng)作。隨書附贈(zèng)《2021數(shù)據(jù)庫(kù)全景圖V1.0》和《2021汽車技術(shù)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)全景圖V1.0》，同時(shí)內(nèi)含《2021年度數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展研究報(bào)告》和《2021年度軟件定義汽車研究報(bào)告》，圖文與視頻多媒體呈現(xiàn)。

數(shù)據(jù)庫(kù)作為核心技術(shù)三大件之一，我們從新型數(shù)據(jù)庫(kù)普及、數(shù)據(jù)庫(kù)開源趨勢(shì)、數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)，以及資本助力產(chǎn)業(yè)等角度，邀請(qǐng)到27位數(shù)據(jù)庫(kù)行業(yè)專家，共著非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、文檔型數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、混合式數(shù)據(jù)庫(kù)、時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)、圖數(shù)據(jù)庫(kù)等的理論技術(shù)及行業(yè)實(shí)踐，讓數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)者快速提升。

智能駕駛作為人工智能的頂上皇冠，我們以技術(shù)和商業(yè)融合創(chuàng)新為主線，邀請(qǐng)到23位汽車領(lǐng)域?qū)＜遥瑥拈_源系統(tǒng)、車路協(xié)同、數(shù)字孿生等不同視角分析了云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)給汽車行業(yè)帶來的影響和機(jī)會(huì)，讓汽車從業(yè)者深入了解產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)。

本書高屋建瓴的產(chǎn)業(yè)分析和趨勢(shì)預(yù)判適合中高端從業(yè)人員參考決策。同時(shí)，多位專家親歷的入門和實(shí)踐之旅也為初學(xué)者提供了可借鑒的專業(yè)路徑。

掃描下方二維碼，添加小助手，即可加入《新程序員002》「讀者群」，搶先一步獲取雜志最新資訊，精彩內(nèi)容不再錯(cuò)過。