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为什么说车载操作系统会是一门大生意?

2018-04-16 06:05:56 邹俊 如山五行舫

前瞻技术,车载操作系统

智能化是当前社会经济发展的主旋律,从PC(个人电脑)、智能手机再到智能汽车,每个领域的智能化都会改变人们的生活并带来一个前景广阔的新产业。在智能化过程中,最关键的环节是OS化(Operating System,操作系统)。OS在智能设备中负责智能应用和硬件之间的相互通信,智能设备发展到一定程度后一般都需要配备OS;而每一款成功的OS产品,都能让人联想到一家伟大的公司。比如Windows,成就了微软在PC时代的霸主地位;而Android和iOS,则分别使Google和苹果在智能手机时代大放异彩。汽车被认为是下一个极有市场前景的智能产品,那么汽车操作系统目前是什么样的市场格局,汽车智能化会带来什么样的战略机遇?本文将针对常见车载操作系统进行初步梳理和探讨,欢迎相关领域的创业者或投资同行互动交流。

要谈智能汽车操作系统,首先得了解汽车电子。传统意义上的汽车电子产品可简单分为两类:一类是汽车电子控制装置,其通过直接向执行机构(如电子阀门、继电器开关、执行马达等)发送指令以控制车辆关键部件(如发动机、变速箱、动力电池等)的协同工作,常见的包括发动机控制、底盘控制、车身电子控制等。

另一类是车载汽车电子装置,是在汽车环境下能够独立使用的电子装置,和汽车本身的性能并无直接关系,常见的包括行车电脑、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。由于驾驶者直接接触的汽车电子产品绝大部分是车载电子装置,对底层的汽车电子控制装置感知度较低,因此本文讨论的车载操作系统特指车载电子装置的操作系统,业内也称IVI(In-Vehicle Infotainment,车载信息系统)操作系统或HMI(Human Machine Interface,人机交互界面)操作系统。当然随着汽车电子的不断发展,车载电子和汽车电子控制相互融合的产品也在不断涌现,如高级驾驶辅助系统(ADAS)、全液晶仪表等,对车载操作系统提出了新的要求,文末也会有所提及。

1、为何需要车载操作系统?

要回答这个问题,我们先来看电脑为何需要操作系统。其实最初的电脑并没有操作系统,人们通过各种操作按钮来控制计算机,后来出现了汇编语言,并将它的编译器内置到电脑中,操作人员通过有孔的纸带将程序输入电脑进行编译。这些将语言内置的电脑只能由操作人员自己编写程序来运行,不利于设备、程序的共用。为了解决这种问题,从20世纪70年代中期开始出现了电脑操作系统,这样就很好实现了程序的共用,以及对电脑硬件资源的管理。

同样,汽车早期也并没有操作系统,从20世纪90年代开始,随着车载电子装置功能的日益丰富以及外部交互/接口标准的种类增加,这类基于微控制芯片的嵌入式电子产品逐渐需要采用类似个人电脑的软件架构以实现分层化,平台化和模块化,提高开发效率的同时降低开发成本。因此,汽车电子产品才逐步开始采用操作系统。

以车载娱乐信息系统为例,最早的收音机/CD播放器采用专用的音频解码芯片就能实现,实现数字化后由触摸屏代替播放器开关、调节按钮,后来又增加了蓝牙电话功能,接着又集成了地图导航、倒车雷达影像,相应的实现这些功能的车机主CPU数据处理能力也逐步增强,从最早4位、8位、16位发展到32位、64位,从单核发展到多核。引入操作系统,就能有效分配车机的硬件资源,对以上各种任务功能进行协同管理,并控制各项任务优先级别。

2、车载操作系统的性能要求及业内主流产品

对于车载操作系统,其需具备实时性(平均响应延时至少在毫秒级)、可靠性(最大响应延时不超过秒级)和安全性等汽车电子的苛刻要求。目前能符合上述要求的操作系统产品较少,业内较为主流的产品包括:

01、Blackberry QNX Neutrino

Blackberry QNX Neutrino是一款安全性和稳定性极高的微内核实时操作系统,业内通常以其公司名QNX简称,具备高运行效率、高可靠性特点并在工控领域拥有近40年的使用经验,被广泛应用于汽车、医疗、轨道交通、核电站、航空航天等对安全性、实时性要求较高的领域。特别是在汽车领域,QNX是全球第一款通过ISO 26262 ASIL level D安全认证的车载OS产品,已匹配全球超过40个汽车品牌,并应用于6000多万辆汽车,是目前市场占有率第一的车载OS。福特的Sync 3、通用汽车的新安吉星系统以及奥迪/大众系列虚拟驾驶舱都是基于QNX,德尔福和百度的自动驾驶汽车平台也均宣布采用QNX。此外百度还计划将其自主研发的CarLife、DuerOS语音及地图等整合到QNX CAR平台之中。

前瞻技术,车载操作系统

(QNX的合作伙伴)

02、Linux及基于Linux的各类改版

Linux是一款开源的高效灵活的操作系统,与QNX相比最大优势在于其为开源软件,具备很大的定制开发灵活度。但由于Linux版本变动很快,每天都有上千次改动,OEM和供应商为了得到一个比较固定和可靠的Linux版本,需要积累很多操作系统上的开发经验。特斯拉就是在Linux基础上开发出了完全适配旗下车辆的车载系统,阿里的AliOS也是基于Linux开发。2016年,由Linux基金会赞助的开源车载系统AGL(Automotive Grade Linux)项目发布2.0版本,致力于为汽车厂商和驾驶员提供全新的车载娱乐系统支持。2017年,丰田汽车宣布将在未来的汽车中控中采用AGL的开源软件;德赛西威也正式加入AGL联盟,成为中国首个加入AGL的智能驾驶整体解决方案提供商。另外,铃木、戴姆勒、福特、本田、捷豹路虎、马自达、三菱、日产、斯巴鲁等也已经加入AGL联盟。(此前还有一个成立于2009年,同样致力于为汽车行业提供基于Linux的开源车载信息娱乐系统联盟叫GENIVI,未成气候,本文不再展开介绍)。

而后装车机市场广泛使用的Android系统由于是基于Linux内核,也可视作是一种“类Linux系统”。

03、Windows Embedded Compact

Windows Embedded Compact简称为WinCE,是微软公司嵌入式、移动计算平台的32位嵌入式操作系统。由于其行业应用早、系统结构简单,曾是许多车机产品的选择,但随着微软在智能手机领域的节节败退,车载等细分市场的营收无法支撑起庞大的研发投入,微软逐渐退出了嵌入式操作系统市场。以福特Sync信息娱乐系统为例,其第一代和第二代产品都是基于WinCE打造,第三代产品则转向了QNX。

04、其他

Wind River VxWorks和micro-ITRON等,其中Wind River VxWorks是功能强大覆盖多行业的硬实时操作系统(平均响应延时在微秒级),但授权和开发定制成本非常高,市场份额有限。micro-ITRON曾是日资车型的主流汽车操作系统,但日系供应商也已逐渐采用其他OS以满足市场需求。

下图是IHS对车载操作系统市场占有率演变趋势的统计和预测:

前瞻技术,车载操作系统

(车载操作系统市场占有率演变趋势)

IHS的预测简单看主要说明了两点:

一、Windows(WinCE)将逐步退出车载操作系统市场,其他操作系统的市占率也将大幅下降,从2017年的15%下滑到2022年的5%以下。

二、基于Linux开发的各类系统从2014年开始迅猛增长,这一态势仍将保持较长时间,长期看市场最终将形成QNX和Linux两家独大的局面。

方向上我们认同IHS对于市场趋势的判断,但随着汽车电子架构向多域控制方向发展,未来同一辆车上很有可能会有多个OS并存(后文会有提及),每个OS运行在各自适合的域中。例如在座舱域,ADAS/自动驾驶功能要求OS具有高度的实时性和可靠性,微内核的QNX无疑具有先天优势;在互联域,互联网关、智能天线等,Linux/Android更有优势。因此,未来车载OS市场中,QNX和Linux(包括Android)更多可能是共存关系而非简单的相互替代。

3、为什么说车载操作系统会是一门大生意?

打开雪球网站,浏览美股行情(2018年4月10日数据),我们发现美股市值最高的几家公司几乎都与操作系统有关。Windows曾助力微软成为全球市值最高的公司,就算在智能手机领域折戟,微软目前也有超过7000亿美元的市值;Android和iOS也分别属于谷歌和苹果两家巨无霸企业。

反观车载操作系统领域,目前全球市场占有率超过60%的QNX操作系统,其对应公司黑莓的市值也只有区区55亿美元不到,汽车与个人电脑、智能手机市场容量的数量级差异,是否注定了车载操作系统难以支撑起高市值的公司?

我们认为,车载操作系统的市场价值未充分体现,主要有两个原因,一是目前车载操作系统市场尚处于发展初期,市场格局尚未确立,就像智能手机发展初期有iOS、Android、Symbian、Blackberry、Windows Mobile、MeeGo、Palm、BADA等诸多操作系统一样,只有经过充分市场竞争并形成寡头垄断的市场格局以后,最终胜出的操作系统产品才能体现出巨大价值,QNX目前的高市占率得益于先发优势,但其行业地位仍面临来自Google等公司可能会推出的其他微内核OS产品的挑战;二是目前智能汽车的渗透率较低,车载操作系统的出货量不大,而且由于汽车的更新周期普遍比手机长,车载操作系统放量会是一个长期的过程。但考虑到汽车产品的高单价,以及用户的付费能力和商业价值普遍更高,随着智能汽车渗透率的不断提高,车载操作系统仍是一个极具想象空间的市场。

4、国内外互联网巨头在车载操作系统领域的布局

既然车载操作系统有如此巨大的市场想象空间,互联网巨头们都表现出了浓厚兴趣,纷纷在2014年前后推出了名称洋气的所谓“车载操作系统”。

但事实上,上述产品除了阿里的AliOS可以算作是类Linux的车载操作系统外,其他产品均是通过MirrorLink、Miracast等通信协议让智能手机映射到车机屏幕上的一种折中解决方案,并不是真正意义上的车载操作系统。从国内市场表现来看,CarPlay和Android Auto不温不火,CarLife和WeLink也没有太大进展,只有AliOS成功搭载到上汽荣威RX5车型于2016年成功上市,并有望搭载到神龙汽车旗下车型。我们认为,Google和Apple虽然在智能手机时代凭借Android和iOS两大操作系统瓜分了相关生态,但各自在汽车前装市场推广却遇到了技术和市场的困难,主要有以下原因:

1)技术上针对智能移动终端优化的OS需要做较大改变才能适应车载要求;

2)市场上车厂和供应商对其他厂商强势控制自己的组件不可接受;

3)Apple完全无法满足车厂的个性化定制需求;而Android也并非完全自由。

因此我们判断,CarPlay,Android auto等产品更多是互联网巨头进军车载信息娱乐市场的“曲线救国”之举,限于其“映射”这种模式的天生缺憾,未来还是较难成为车内人机交互的主流模式。2016年,苹果雇佣了QNX公司创始人兼CEO、黑莓汽车软件部门前负责人丹·道奇(Dan Dodge),由其负责苹果的智能汽车项目;Google也在2017年的I/O开发者大会上宣布和奥迪、沃尔沃在Android车载系统上的合作,宣告了非原生车载系统历史阶段的结束。有理由相信,苹果和谷歌仍将是未来车载操作系统市场不可忽视的重量级选手。

5、车载操作系统的前沿发展动向

目前车载电子领域出现的一个新趋势是用统一的处理器芯片支持车内所有的智能交互设备,包括中控大屏、液晶仪表、HUD(Head Up Display,抬头显示)、智能后视镜等。这一方案主要有以下优点:一是将前装多个屏幕上的芯片功能整合在一块高性能芯片上以降低成本和功耗;二是使用一块计算芯片为各个组件的互联互通打下了一定基础,并统一用户体验;三是使用一块计算芯片能简化项目开发复杂度和降低供应商整合难度;四是提供统一芯片组对芯片厂家而言意味着更高的产业链附加值和话语权。

知名的车载半导体芯片商NXP对于未来车载电子系统架构演变的趋势判断如下图,NXP认为原先在汽车电子架构上混乱无序的ECU互联将终结,汽车的各个组成部分,发动机/车体/安全/HMI等功能将“分而治之”,划分域后再通过统一网络互联。而车载信息系统、导航、仪表盘等功能将由统一的控制芯片掌控。

前瞻技术,车载操作系统

(NXP对于未来车载电子系统架构演变的趋势判断)

在上述趋势的推动下,我们看到车载芯片厂家已在快速整合,巨头们通过并购不断补齐自身产业链布局,从而形成完整方案解决能力,抢占产业链制高点。近年车载芯片行业并购演变如下图所示:

前瞻技术,车载操作系统

(近年车载芯片行业并购演变)

车载智能座舱的统一芯片控制使得车载计算资源可以集约化利用,但也带来了各种数据的相互融合以及随之而来的安全隐患。例如,智能座舱系统将原有的车载信息娱乐系统与车联网、仪表等数据融合在一起处理,但根据功能安全ISO 26262标准定义,仪表的某些关键数据和代码与影音娱乐系统的代码属于不同等级要求(ASIL),从安全角度应该进行功能域的隔绝,因此智能座舱统一芯片控制的设计又与汽车电子功能安全标准背道而驰。为此,汽车电子专家引入了航电设备中虚拟化管理的概念,其意义在于可提供一个同时运行两套独立操作系统的环境,比如在智能座舱控制芯片中同时运行Android(APP应用丰富)和QNX(实时性、安全性高),为智能网联的应用提供高性价比且符合安全要求的平台。目前已商用的汽车虚拟化管理程序产品包括Blackberry QNX Hypervisor,Wind River Hypervisor,Green Hills INTEGRITY Muitivisor,Mentor Graphics Embedded Hypervisor以及去年被松下汽车电子收购的Open Synergy。

综上所述,随着汽车智能化水平的不断提升,车载操作系统的配备将必不可少。由于有实时性、可靠性和安全性的要求,目前市面上能完全满足要求的车载操作系统产品并不多,长期来看很有可能会形成QNX和类Linux两家独大的局面,且两者会是长期共存关系。目前QNX具有一定先发优势,全球市场占有率超过60%,但其行业地位仍面临一定的挑战。考虑到车载操作系统有望成为继PC操作系统和智能手机操作系统之后的又一巨大市场,国内外互联网巨头纷纷布局,苹果和谷歌仍将是该领域不可忽视的重量级选手。此外,随着车载电子领域出现了统一芯片控制的新趋势,未来虚拟化管理程序有望在车载领域得到更为广泛的应用。

从创业和投资的角度,我们认为车载操作系统包括车载芯片需要长期的研发积累、巨大的资金投入和多年的行业应用验证,投资回报期长,竞争对手实力雄厚,并不适合初创公司进入。我们更看好拥有汽车电子前装配套经验,能够利用现有主流车载操作系统和车载芯片设计出软硬件完美结合的智能座舱产品,并拥有较好渠道资源的创业团队。目前如山资本在智能座舱领域投资布局的赫千电子、如新智能和唯联科技均具备上述特点,同时各自在商业模式、技术路径和销售渠道上有一定差异。未来,如山资本将继续关注汽车智能座舱乃至整个汽车电子领域的优秀创业团队,继续加大投资布局,并携手更多合作伙伴,加速汽车的“智能化”进程!

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