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有關半導體芯片的持續短缺導致全球汽車產量下降的種種預測不斷升溫。2021年1月，有分析師預測，受芯片短缺的影響，全球汽車產量將減少150萬輛；到4月時，這一預測數字已增長至270萬輛；截至5月，這個數字則達到了410萬（見圖1）。

圖1 芯片短缺對全球汽車產量的影響（圖表制作者：MARK MONTGOMERY）

半導體芯片的短缺不僅突顯了汽車供應鏈的脆弱，也使當今汽車行業對隱藏在車輛內的數十臺計算機的依賴曝光在人們的視野中。

美國克萊門森大學國際汽車研究中心汽車工程系主任Zoran Filipi表示：“沒有其他行業像汽車業一樣經歷著如此迅速的技術變革。這種發展的推動力來自即將到來的需求、越來越嚴格的二氧化碳排放標準，同時還伴隨著以前所未有的速度發展的自動化與信息娛樂，而且還需要滿足客戶對性能、舒適性以及實用性的期望。”

面向汽車業，未來幾年將發生更大的變化。為了減緩全球氣候變化，越來越多的汽車制造商都承諾逐步淘汰內燃機動力汽車，并最終由能夠自動駕駛的電動汽車取而代之。

過去十年間，內燃機動力汽車取得了快速發展，但它的結局早已在冥冥之中注定。

慕尼黑技術大學信息學名譽教授、汽車軟件專家Manfred Broy指出：“過去軟件是汽車的一部分，而如今軟件決定了汽車的價值。車輛的成功對于軟件的依賴超出了對機械的依賴。”他表示，如今幾乎所有汽車制造商或業內人士所談論的車輛創新都與軟件有關。

十年前，只有高端汽車才包含100多個基于微處理器的電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），這些ECU在車身內形成了網絡，執行著1億多行甚至更多的代碼。而如今，像寶馬7系這樣擁有先進駕駛輔助系統等技術的高端汽車可能包含150個或更多的ECU，據估計，2008年，豪華汽車的ECU之間數據信號交換只有2500個。沃爾沃的Antinyan表示，如今沃爾沃汽車中的120個ECU連接了7000多個外部信號，而汽車內部交換的信號數量要高出兩個數量級。咨詢公司麥肯錫估計，這些信息每小時的數據量可輕松超過25GB 。Chowdhury表示，隨著過去十年間移動應用和基于云的服務爆炸式增長，車輛本身內置的電子設備越來越復雜，“潛在的攻擊面幾乎每天都在增加。” 各國政府也注意到了這一點，并推出了多項汽車制造商需要貫徹的網絡安全義務。其中包括擁有經過認證的網絡安全管理系統（Cyber Security Management System，CSMS），該系統要求每個制造商“展示基于風險的管理框架，用于發現、分析和防范相關威脅、漏洞以及網絡攻擊。” 此外，原始設備制造商還需要通過軟件更新管理系統，確保安全地管理無線軟件更新。他們鼓勵汽車制造商維護每臺車輛的ECU、每輛組裝車輛中使用的操作軟件組件的數據庫，以及整個車輛生命周期內應用的版本更新歷史日志。”這份軟件清單可以幫助汽車制造商快速確定哪些ECU和特定車輛會受到某個網絡漏洞的影響。

軟機械師

在汽車內的電子線路不出問題的情況下，相信大多數司機并不會關注到它。不過，隨著過去十年間電子線路的增加，駕駛員也會經常關注車輛的電子設備。根據金融咨詢公司Stout Risius Ross編制的《2020年汽車缺陷和召回報告》顯示，2019年是創紀錄的一年，因電子元件缺陷而被召回的車輛高達1500萬輛。其中一半的召回都涉及軟件的缺陷，這個比例創下了自2009年以來的新高。另外，近30%的缺陷與軟件集成有關，也就是軟件與車輛中其他電子組件或系統的接口引發了故障。三菱汽車曾經召回了60000輛SUV，原因是其液壓單元ECU中的軟件錯誤干擾了多個安全系統。

最后，超過50%的缺陷都有一個特征：雖然不是由軟件缺陷引起的故障，但仍然可以通過軟件更新進行補救。福特汽車曾召回了Fusion和Escape車輛的某些型號，原因是冷卻液可能會進入發動機氣缸孔，并永久損壞發動機。福特的解決方法是，重新編寫車輛的動力傳動系統控制軟件，以減少冷卻液進入發動機氣缸的可能性。Stout的數據顯示，在過去五年中，利用軟件修復車輛硬件問題的現象在穩步上升。

Stout總經理Neil Steinkamp表示：“平均召回規模一直在下降，車輛的平均年齡也在下降。制造商可以利用科技更快地發現缺陷”，尤其是一些涉及電子產品的缺陷。與軟件相關的缺陷往往出現在新款車輛中，而ECU和其他電子元件的缺陷往往在車輛推出一段時間后才會出現。

Stout總監Robert Levine指出，最近與車輛電子設備相關的組件缺陷有所增加，“不僅限于方便性，關鍵的行駛安全組件的缺陷也在增加。”例如，自要求2018年5月1日之后制造的所有車輛都必須為駕駛員提供車輛正后方3×6米的可見區域以來，美國就發生了一系列倒車攝像頭召回事件。許多原始設備制造商發現，復雜的攝像頭軟件與其他車輛安全系統的集成非常困難。

此外，其他新的車輛安全系統的運行也并非完全順利。美國汽車協會（American Automobile Association，AAA）針對可以幫助駕駛員轉方向或制動/加速的先進駕駛輔助系統進行的一項研究表明，這些系統往往會在沒有任何通知的情況下停止輔助，即刻將控制權交還給駕駛員。測試表明，平均每13公里就會出現某種類型的問題，包括很難讓車輛保持在車道中正常行駛，或者不要讓車輛太靠近其他車輛或護欄。

維修費用節節攀升

許多車主只有在必須支付維修費用時，才會意識到他們的車輛越來越復雜。在具有高級安全功能的車輛發生碰撞事故后，60%的修理費均來自車輛的電子設備。

AAA像福特F-150此類的皮卡甚至達到了1.5億行代碼。即使是低端汽車也包含大約100個ECU以及1億行代碼，因為以前所謂的豪華選項功能如自適應巡航控制、自動緊急制動等），如今已成為標準配置（見圖2）。

圖2 汽車主體架構設計

自2010年起，一些安全功能成為強制要求，包含電子穩定控制、備用攝像頭、歐盟的自動緊急呼叫以及更嚴格的排放標準。而內燃機動力汽車只能使用更具創新性的電子設備和軟件才能達到這些標準，這進一步推動了ECU以及軟件的滲透。

根據全球領先的專業服務機構德勤公司估算，截至2017年，一輛新車成本的40%可歸于基于半導體的電子系統，與2007年相比該成本翻了一番。據估計，到2030年，該數字將接近50%。德勤公司還進一步推測，如今每一輛新車都裝有價值約600 美元的半導體，由多達3千多個類型的芯片組成（見圖3）。

圖3 不同時期電子系統占汽車總成本的百分比（圖表制作者：MARK MONTGOMERY 資料來源：德勒）

透過ECU數量與軟件代碼行數，我們可以看出當前車輛中存在錯綜復雜的電子與軟件編程。觀察它們的協同工作方式，就會發現其中存在著大量駕駛員看不到或不需要看到的復雜性。為了向買家提供多種選擇，汽車制造商不得不推出新的安全性、舒適性性能以及娛樂功能體驗，這導致每個品牌及型號都出現了多個版本。此外，從汽油到電力、從人類駕駛到自動駕駛的轉變，大量新代碼的編寫、檢查、調試以及抵御黑客攻擊的安全性，如今的汽車變成了帶輪子的超級計算機，并迫使汽車行業變革。但是，汽車行業能夠適應這種變化嗎？

功能與變量驅動的復雜性

過去的二十年中，在提供更多安全及娛樂功能的需求推動下，汽車已經從單純的交通工具轉變為移動計算中心。與服務器機架、高速光纖互連不同，ECU和電路之間的數據通信發生在整個車身內（甚至車身外）。每次你去超市時，車輛都會執行數百萬行代碼。Vard Antinyan是沃爾沃汽車的軟件質量專家，他撰寫了大量有關軟件及系統復雜性的文章，他解釋說，截至2020年，“沃爾沃擁有大約120種ECU，我們從中選擇ECU來創建每輛沃爾沃汽車中的系統架構。這些ECU總共包含1億行源代碼。”Antinyan表示：“這些源代碼包含1000萬行條件語句以及300萬個函數，而源代碼中大約有3000萬處都調用了這些函數。”

根據ECU的計算能力、ECU控制功能、需要處理的內部與外部信息和通信，以及是否由事件或時間觸發，還有強制性的安全和其他監管要求，每個ECU中駐留的軟件數量和類型都不相同。在過去的十年中，為了確保操作質量、可靠性和安全性，投入的ECU軟件越來越多。

采埃孚（全球最大的汽車零部件供應商之一，以下簡稱ZF）軟件解決方案與全球軟件中心副總裁Nico Hartmann表示：“為檢測不當行為以確保質量和行駛安全的軟件數量正在增加。”Hartmann指出，十年前專門用于確保操作質量的ECU軟件只有大約三分之一，而如今通常都會超過一半或更多，尤其是在關鍵的行駛安全系統中。

沃爾沃車輛中包含哪些ECU和相關軟件（如豪華款SUV XC90擁有大約110個ECU），取決于幾個因素。與所有汽車制造商一樣，沃爾沃針對不同的細分市場提供每種車型的不同版本。Antinyan指出：“即便是相同型號的沃爾沃，在瑞典購買到的車輛也可能會不同于美國地區出售的。”每輛車不僅需要滿足區域監管制度，而且每個車主也可以選擇不同的發動機、駕駛系統、安全系統或其他功能。而車主選擇的標準、各項配置以及法律要求的設備，這些將共同決定嵌入車輛的ECU、軟件和相關電子設備的數量和類型，確保能夠無縫協同工作。

Antinyan表示，對于一家汽車制造商來說，“車輛的多個版本非常難以管理，因為它涉及每個人。”舉個例子，營銷部門希望為不同的客戶群提供擁有各種功能、多種多樣的車型，而設計和工程部門則希望減少變量，從而將系統集成、測試、驗證都保持在可控范圍內。每增加一項功能就意味著需要增加額外的傳感器、執行器、ECU和相應的軟件，同時為了確保這些元件正常工作，還需要付出額外的集成工作。

根據德勤的估算，從研發到開始生產，40%的車輛研發費用都消耗在了系統集成、測試、核查和驗證上。記錄生產和銷售的每個車型中所有當前以及遺留的電子產品和軟件是一項非常艱巨的任務。因此，有效管理各個變體的復雜性是整個汽車行業都面臨的一個重大問題。

毋庸置疑，為了連接整個車輛內所有的ECU、傳感器和其他電子設備，并給它們供電，需要耗費大量布線和人工。為了支持車輛定制，汽車需要使用數千種不同的線束，控制經過車輛的信號流也需要多個物理網絡總線。

車輛的物理電子架構帶來了更多需要應對的網絡設計約束。許多ECU需要靠近與其交互的傳感器和執行器，如制動系統或發動機控制的ECU。因此，一個連接數千個組件的汽車網絡線束將包含1500多根電線，總長度約5000米，重量超過68公斤。隨著ECU、傳感器和相關電子設備數量的增加，減少線束重量和復雜性已成為汽車制造商的主要目標。

測試挑戰

即便花費大量精力、時間和金錢來確保不同電子設備之間的協同工作，也無法確保每種ECU可能出現的組合在投入生產之前接受徹底的測試。雖然涉及車輛安全性的要求很少發生變化，但ECU構建的復雜性更多地體現在消費者可選的舒適性、便利性或性能等功能上。在有些情況下，某種可選特性與功能的特定組合，“可能是第一次出現在從生產線上下線的車輛中，也是第一次經歷測試。”采埃孚汽車系統產品規劃副總裁Andy Whydell 如是說。

有些汽車制造商擁有數十萬種車型的構建組合。他說，為了針對某些車型中可能出現的各種電子設備組合進行現場測試，“可能需要使用十億種不同的測試配置。”然而Whydell表示，在車輛研發過程中，原始設備制造商可以使用“面包板”對多個ECU構建組合進行實驗室測試，無須針對每種情況單獨造一輛車。

即使是經過嚴密測試的流行模型，售后也會定期發現錯誤，并發布軟件補丁。有些補丁本身還需要補丁，通用汽車就曾出現過這種情況：暢銷款2019年雪佛蘭的Silverado以及GMC Sierra輕型卡車和凱迪拉克CT6的召回，都是因為這個原因。

Whydell指出，還有一個因素導致變體管理更具挑戰性：“幾乎所有ECU設計和軟件都外包給供應商，原始設備制造商負責集成ECU”，他們可以根據所需的可定制功能創建統一的系統。Whydell表示，個別供應商往往對原始設備制造商如何集成ECU沒有深入了解。同樣，原始設備制造商對駐留在ECU中軟件的了解也有限，這些軟件通常都被當作“黑匣子”，能夠支持信息娛樂、車身一致性控制、遠程信息處理、動力傳動系統或自動駕駛輔助系統等多種功能之一。

2020年，時任大眾汽車集團首席執行官、現任董事長的Herbert Diess發表的評論說明，由汽車制造商開發的軟件幾乎寥寥無幾。當時他承認：“幾乎沒有一行軟件代碼來自我們。”根據大眾汽車可以看出，車輛內的軟件之中只有10%由內部開發，其余90%是由數十家供應商提供。據報道，在有些原始設備制造商中，這一數字可以達到50%之多。

如此多的軟件供應商，每一家都有自己的開發方法，他們使用了自己的操作系統和語言，這顯然又增加了另一層復雜性，尤其是在執行驗證和核查方面。最近Strategy Analytics和Aurora Labs對整個汽車供應鏈中軟件開發人員進行的一項調查就突出了這一點。其中有一個問題詢問了評測一個ECU中的代碼變化對另一個ECU的影響難度，大約37%的人表示很難，31%表示非常困難。

汽車公司及其供應商意識到，他們必須展開更多合作，才能更嚴格地控制數據配置管理，并防止由于ECU代碼突然變更而引發意外后果。但雙方都承認還有很長的路要走。

加強信息安全

當然，汽車制造商不僅必須確保軟件能保障行駛安全，還要提供信息安全。2015年，安全研究人員遠程控制了2014年生產的Jeep Cherokee，為行業敲響了警鐘。如今，每個供應商和原始設備制造商都意識到網絡安全乏力的威脅。據報道，通用汽車有90名工程師全職開發網絡安全對策。

然而，十年前，“車輛軟件的設計需要保證行駛安全，而信息安全是次要的。”車輛網絡安全專家、美國運輸部克萊門森大學互聯多式聯運中心主任Mashrur Chowdhury說道。我們需要注意這一點，因為大部分軟件都是十年或更早以前設計的，在當時信息安全并不是需要優先考慮的大環境下，這些軟件仍在現如今的ECU 中使用。

此外，在過去十年中，車輛內外的通信呈爆炸式增長。于2018年的一項研究表明，一塊擋風玻璃的維修成本原本在210～220美元之間，但如果車輛的擋風玻璃上安裝了攝像頭，用于自動緊急制動、自適應巡航控制和車道偏離警告系統等，那么即便是輕微的損壞，維修費用也會攀升至1650美元。校準這些系統的費用（通常是手動完成的）是高成本驅動的因素。

由于傳感器的微小錯誤校準也會大大降低這些安全功能的有效性，“因此，供應商開發了自動校準系統，可以消除或簡化手動操作，”ZF的Whydell說道。這有助于提高校準精度，同時還可以降低維修成本。

Whydell還表示，供應商和原始設備制造商正在研究如何將車輛周圍的傳感器安裝在不太可能在事故中損壞的位置上。AAA報告稱，僅修理位于后保險杠的超聲波系統（可提供停車輔助功能）這一項的成本就高達1300美元。如果用于盲點監測和交叉路口警報的后方雷達傳感器也損壞，則追尾事件可能會產生2050美元的額外費用。

隨著電子產品維修成本的攀升，保險公司判定報廢的成本可能更低。理賠管理公司Mitchell International最近的一份報告稱：受汽車電子設備維修成本的影響，報廢車輛的平均車齡一直在下降。報告指出，隨著“車輛復雜性的增加”，預計這一趨勢將持續下去。

EV+AI=難以管理的復雜性

如今，汽車制造商面臨著一個特殊的難題。根據J.D. Power市場信息公司對美國車輛最新可靠性的研究顯示，內燃機車輛的可靠性達到了32年以來最高，而且也更加舒適、更安全且污染更少。然而，為了應對政府以及公眾對全球氣候變化日益增長的擔憂，制造商不得不放棄精心制作的內燃機車輛，轉向將來能夠實現自動駕駛的電動汽車（Electric Vehicle，EV）。

令汽車制造商的處境雪上加霜的是，為了開發電動汽車，他們必須跨越軟件的鴻溝。ZF的Whydell觀察到，在車輛中，使用當今最新架構的軟件管理難度非常大。

對此，不少人也非常贊同這種看法。咨詢公司麥肯錫稱，車輛軟件的復雜性正在迅速超越開發以及維護的能力。過去十年中，軟件的復雜性增加了四倍，但供應商和原始設備制造商的軟件生產力卻幾乎沒有提高。此外，他們還認為，在未來十年內，軟件的復雜性可能還會再增加三倍。汽車制造商和供應商都在努力縮小“開發能力與生產能力之間的鴻溝”。

部分問題在于如何支持穩步增長的代碼庫。一位汽車公司負責人向麥肯錫公司分享道，按照目前的速度，如果開發與生產的差距不縮小，現有代碼庫的軟件維護將耗盡他們公司所有的軟件研發資源。事實上，Whydell觀察到，“在有些情況下，汽車行業不再將總代碼行數視為復雜性的衡量標準，而是以原始設備制造商或供應商為滿足當前及未來的需求而雇用的軟件開發者數量。”

如果真如大眾汽車董事長Herbert Dies所說，“未來汽車創新的90%皆來自軟件”，那么縮小開發能力與生產能力之間的差距是尤為艱巨的任務。而擁有必要的軟件專業知識將是成功的關鍵。麥肯錫公司表示，“雖然為了贏得軟件上的優勢，各個汽車企業必須在許多層面上都有優異的表現，但吸引和留住頂尖人才可能是最關鍵的因素。”Whydell承認，聘請到合適且優秀的軟件專業人才是“讓我夜不能寐”的原因之一。這同時也是其他供應商以及原始設備制造商的高管寢食難安的原因之一。

原始設備制造商認識到，根據特斯拉CEO Elon Musk提出的“軟件定義汽車”的概念（以特斯拉為代表），他們目前的做法——將必要的軟件和電子設備外包給供應商，然后將它們集成到內燃機車輛的做法，并不適用于電動汽車。

WardsAuto網站引用了一級汽車供應商Continental AG 研究及高級工程主管Tamara Snow的一句話：內燃機車輛中使用的分散式ECU架構的功能和復雜性“已達到極限”，尤其是考慮到完全自動駕駛功能需要大約5億行或更多的代碼。

我們需要新的車輛軟件和物理架構來管理電池組，而不是內燃機和相關的動力傳動系統。這種架構僅包含少量功能強大、速度極快的計算機處理器，它們負責執行微服務驅動的代碼，并通過更輕量級的線束甚至是無線的方式在更多傳感器之間進行內部通信。外部溝通也將更加重要。ZF的Hartmann指出，這些新架構需要由原始設備制造商和供應商的軟件團隊來開發，而且要低成本且不斷縮短開發周期，所以他們需要學習開發軟件以及系統的新方法。

Manfred Broy表示，最大的問題在于，高管層的軟件專業知識不足以理解當下所需的轉型。雖然車輛中硬件的復雜性非常明顯，但Broy觀察到，“更重要的是軟件的復雜性（這在很大程度上取決于硬件的選擇），尤其是軟件的成本，原始設備制造商很難認清這一點，但這對于他們的長期發展尤為重要。”他表示，汽車行業的高管大多是“頑固派”，但是他們又手握大權。

克萊門森大學國際汽車研究中心汽車工程系主任Zoran Filipi解釋說：“一百多年來，原始設備制造商的精力一直都集中在完善內燃機上，車輛的其余組件都外包給供應商，最后將所有組件集成在一起。隨著電子產品和軟件在車輛中的普及，他們也采用了相同的方法，即將它們視為集成到車輛中的另一個‘黑匣子’。而如今，原始設備制造商及其供應商需要將工作重心從硬件至上轉變為軟件至上，同時在未來十年內仍然需要使用現有的方法支持和改進內燃機汽車。”

奧迪AG前研發主管兼董事會成員Peter Mertens最近在接受CleanTechnica采訪時表示，“德國汽車工業賦予了他們最關鍵的新產品，這將決定他們的公司能否在現有結構中生存下去，這些公司成功的關鍵在于軟件，但各位高管在這方面的經驗和知識卻非常薄弱。”

Mertens表示：“我們需要一種方法來淘汰不能勝任的高管，譬如可以讓大眾、奧迪、保時捷、寶馬和戴姆勒針對所有高層管理人員進行一次評估，并要求他們編寫一個小游戲或一個簡單但有效的病毒。如果他們做不到，就立即解雇他們，因為他們不適合這份工作。看看這樣下來還能剩下多少人？”Mertens說道。

畢竟，歷史是血與淚的教訓。