車用虛擬化技術：域控融合的必經之路

上海 2025年7月4日 /美通社/ -- 本文闡述了汽車電子架構從分布式向集中化演進的趨勢，黑芝麻智能分析了集中化帶來的安全隔離、實時性等關鍵挑戰，并指出車用虛擬化技術是實現域控融合的核心解決方案。該技術能夠優化資源分配、保障功能安全，從而有效推動汽車的智能化變革。

汽車電子電氣架構的集中化趨勢

近年來，汽車電子電氣架構正經歷著從分布式到集中式的深刻變革。傳統汽車中，各個功能模塊（如儀表、娛樂系統、ADAS等）通常由獨立的電子控制單元（ECU）實現，導致系統復雜、線束繁多、成本高昂。隨著汽車智能化的發展，這種分布式架構已無法滿足需求，控制器融合成為必然選擇。

現代汽車電子電氣架構的演進可分為三個典型階段，其核心驅動力來自智能化需求爆發與"軟件定義汽車"理念的落地：

分布式架構階段（ 2000-2015）

在分布式架構階段，汽車的每個功能模塊對應了獨立的ECU，全車ECU數量可達100個以上。以寶馬7系2015款為例，其ECU數量約為140個。這種架構雖然實現了功能的模塊化設計，但也帶來了一系列挑戰：

• 線束問題：線束總長度超過5公里，重量可達70公斤，不僅增加了整車重量，還提高了裝配復雜度。
• 通信協議碎片化：不同供應商的ECU采用不同的通信協議（如CAN、LIN、FlexRay），導致系統集成困難。
• 成本高昂：ECU數量的增加直接推高了硬件成本和維護成本。
• 升級困難：功能升級依賴硬件迭代，難以通過軟件OTA實現。

域控架構階段（ 2015-2025）

隨著高性能車規級SoC的出現，多系統共存成為可能，汽車電子電氣架構進入域控階段。多個功能模塊被整合到同一個SoC中，形成區域控制器。典型的域控制器包括：

• 智能座艙域：整合組合儀表、HUD和車載娛樂系統。
• 智能駕駛域：融合攝像頭、雷達和激光雷達的數據處理功能。
• 車身域：集成車身控制模塊（BCM）、空調和燈光控制等功能。

域控架構不僅減少了ECU數量，還提升了系統的集成度和資源利用率。

中央計算+區域控制階段（2023-）

隨著技術的進一步發展，汽車電子電氣架構正向"中央計算+區域控制"的二級架構演進。中央計算平臺負責高算力任務，而區域控制器則負責執行具體的控制功能。在硬件層面，黑芝麻智能于2023年發布的武當C1200家族芯片是首個車規級智能汽車跨域多功能融合計算平臺，為中央計算和區域控制提供了強大的硬件支持。

集中化帶來的技術挑戰

盡管集中化架構大幅提升了系統集成度和資源利用率，但也引入了以下關鍵性技術挑戰：

安全隔離需求

在混合關鍵性系統中，不同安全等級的功能（如ASIL-B的儀表系統與QM級的娛樂系統）需在同一硬件平臺上共存。安全隔離的核心在于確保高安全功能不受低安全功能干擾，涵蓋功能安全和信息安全兩方面。例如，低安全功能的崩潰不能影響高安全功能的執行，同時需防范側信道攻擊等安全威脅。

實時性矛盾

車輛控制對實時性要求極高，而娛樂系統則更注重用戶體驗。如何協調實時系統與非實時系統的需求成為一大挑戰。解決方案包括通過系統隔離實現互不干擾，利用時間敏感網絡統一時間標簽，并采用混合關鍵性調度策略優化系統協同。

資源利用率優化

不同功能的負載峰值時間各異，靜態資源分配易導致算力浪費。特別是在輔助駕駛和智能座艙領域，算力需求日益增長。動態調度算力資源、實現負載均衡是提升硬件性能的關鍵。

帶寬挑戰

車內通信架構從信號轉向服務，對帶寬的需求急劇增加。激光雷達和高精度地圖的引入進一步加劇了通信負載。千兆以太網已成為量產車型的標配，而萬兆以太網也即將普及。此外，輔助駕駛算法對內存帶寬的需求顯著提升，未來中央計算平臺需支持超過100Gbps的通信帶寬。為此，新技術如硅光子互聯和一致性內存共享協議正在被探索和應用。

車用虛擬化技術

車用虛擬化技術是應對上述挑戰的核心解決方案之一。它能夠實現安全隔離、構建混合關鍵性系統、協調多系統調度，并優化資源分配。以下是虛擬化技術的具體分類及其特點：

安全隔離技術概覽

根據隔離程度的不同，安全隔離技術可分為以下四級：

芯片分離

• 實現方式：不同SoC獨立運行不同系統。
• 特點：物理隔離程度最高，資源完全獨立。
• 典型應用：早期智能座艙中，儀表與娛樂系統分屬不同芯片。

硬隔離

• 實現方式：通過SoC硬件分區劃分CPU、內存和IO資源。
• 特點：硬件級隔離，各分區運行獨立系統。
• 典型應用：當前主流域控制器中，儀表與娛樂系統共享芯片但硬件隔離。

IO透傳

• 實現方式：虛擬化CPU和內存，IO設備直接透傳給客戶機。
• 特點：IO性能接近原生，但需硬件支持SR-IOV等技術。
• 典型應用：需要高性能IO的場景，如攝像頭數據直傳ADAS系統。

全虛擬化

• 實現方式：CPU、內存、中斷和IO全部虛擬化。
• 特點：資源調度最靈活，但虛擬化開銷最大。
• 典型應用：中央計算平臺中的動態資源分配場景。

安全隔離技術比較與權衡

隨著隔離程度降低，系統的資源復用率和動態調整能力提升，但虛擬化開銷和安全風險也隨之增加。現代車用SoC通常采用混合方案，對安全關鍵功能使用硬隔離，對一般功能采用全虛擬化。

虛擬化架構的核心優勢

虛擬化技術在構建混合關鍵性系統方面具有以下顯著優勢：

• 部署靈活性增強：支持異構OS共存（如QNX與Android），實現計算資源動態分配，便于功能熱升級與OTA。
• 功能安全提升：通過故障隔離確保單個虛擬機崩潰不影響其他功能，資源監控可攔截非法內存訪問，安全啟動保障每個虛擬機的完整性。
• 信息安全強化：虛擬機間通信可控，關鍵數據加密隔離，支持細粒度訪問控制。
• 混合關鍵性調度：協調實時與非實時任務的執行，優化系統性能。
• 零拷貝系統間通訊：通過共享內存實現高效數據傳輸，減少延遲。

以智能座艙為例，虛擬化技術既保證了儀表系統的實時性與安全性（ASIL-B），又為娛樂系統提供了豐富的生態支持，同時通過Hypervisor監控阻止娛樂系統對關鍵資源的非法訪問。

虛擬化：域控融合的必經之路

隨著電子電氣架構向"中央計算+區域控制"演進，虛擬化技術已成為域控融合不可替代的解決方案。它有效解決了功能安全與信息安全的矛盾，實現了實時系統與通用系統的共存，并優化了資源利用率與隔離需求的平衡。未來，隨著芯片算力的提升和虛擬化技術的發展，全虛擬化方案將逐漸成為中央計算平臺的主流選擇。

其他虛擬化技術補充：

• TypeII擬化（宿主型虛擬化）：運行在通用OS之上（如VirtualBox），主要用于開發測試環境，由于性能和安全限制，不適合量產車。
• 容器技術：輕量級虛擬化，共享內核，適用于應用級隔離（如多個娛樂應用），但無法滿足ASIL要求，常與Type I虛擬化配合使用。

車用虛擬化技術正隨著電子電氣架構的演進持續發展。從當前域控制器的硬隔離主導，到未來中央計算平臺的全虛擬化應用，這一技術將持續推動汽車智能化變革，在保證安全的前提下實現計算資源的最大化利用。汽車廠商與供應商需根據具體功能需求，選擇適當的虛擬化方案，構建安全、高效、靈活的車載計算平臺。