泰·金(Ty Kim)和米歇尔·夏布鲁(Michel Chabroux)著

汽车工业有三个主要的趋势，要求更高的性能计算在汽车上。下一代汽车需要CAE技术(连接、自动化和电气化)。将车辆视为一种消费设备，具有网络设备的连接性和安全性要求，以及工业设备的功能安全性和可靠性要求。

车内连接需要一个车内网关，该网关将系统中的多个电子控制单元(ecu)与各种网络协议互连。随着对带宽要求的不断提高，以太网正成为车载网络的重要组成部分。通过即将到来的5G网络实现车外互联，可以在车载计算机和边缘计算机之间灵活分配工作负载，扩展汽车作为更大云环境中计算节点的作用。这支持各种连接用例，从非常实用的空中软件(OTA)更新到用于自动驾驶的复杂面向服务体系结构(SOA)。

HPC网关

汽车许多部分的自动化使驾驶更安全、更方便。随着简单的驾驶员助理系统向更复杂的自动驾驶系统发展，对高性能计算的需求也在增加，以处理更多的输入数据，以及跨车载网络的协同ecu。有许多不同的方法可以在多个ecu之间合并和分发工作负载，包括那些具有混合安全和安全工作负载的工作负载。拥有高性能计算(HPC)网关可以通过适当的SOA方法实现灵活的系统部署和升级。通过对联网车辆数据的中央访问，HPC网关可以帮助解锁这些数据的价值。

电气化是环境和监管压力的结果，以减少二氧化碳排放取代内燃机与电力动力系统。与此同时，这是对更好的连接和更多自动化需求的催化剂。随着电动传动系统需要更多的ecu, ecu与云的连接对于电池和里程管理、数据分析以及空中功能更新/升级都变得非常重要。

高性能计算网关的软件架构

面向服务的体系结构(Service Oriented Architecture, SOA)听起来像是一个抽象的概念，但由于业界围绕AUTOSAR Adaptive Platform的努力，这个概念比以往任何时候都更加实用。AUTOSAR(汽车开放系统架构)是汽车制造商、供应商、服务提供商和汽车电子、半导体和软件行业公司的全球开发合作伙伴。

自2003年成立以来，AUTOSAR合作伙伴关系已经成功地领导了基于AUTOSAR经典平台的深度嵌入式ecu的标准化软件架构。随着高级驾驶员辅助系统(ADAS)和自动驾驶硬件和软件的快速发展，基于POSIX API、灵活的应用生命周期和执行管理以及SOA等现代计算机科学，本次合作定义了AUTOSAR自适应平台的新标准。

使用SOA，可以在应用程序级别上使用公共IPC API在板上或板外找到服务(逻辑单元)。这提供了一种异构硬件和软件环境的抽象，允许开发人员灵活地分布和合并工作负载在车辆ECU网络内，甚至通过低延迟边缘计算的推进在车辆外。

SOA的基础是通信协议。AUTOSAR定义了2个协议绑定作为标准的一部分:SOME/IP和DDS。这两个协议通常运行在UDP/TCP/IP堆栈上，以处理现代ADAS和自动驾驶系统所需的带宽。底层网络栈的可靠性和性能将对整个系统的稳定性产生重要影响。

表1显示了VxWorks网络吞吐量NXP LS1043A-RBD带有千兆以太网接口的板。有几件事值得注意:

• 对于平均数据包大小，吞吐量是或接近线速率。
• 在很多情况下，性能都比Linux好。
• 1核配置的吞吐量数字基本上与4核配置相同。这告诉我们的是，如果CPU在单核配置中是最大的，但事实并非如此，当启用4核时，一个人将有3个核来进行计算和其他事情。
• 所有测量都使用iperf3完成。

考虑到TCP/IP软件堆栈的复杂性、涉及的进程/任务的数量、要处理的系统调用以及要交换的复杂事件和所有权同步的内存缓冲区，网络堆栈性能是真实世界用例的一个很好的指示器。

基于Adaptive AUTOSAR中间件和性能网络栈的坚实基础，HPC网关可以以最灵活的方式开发和部署应用软件。例如，最初的开发可能使用外部ecu提供的传感器融合服务，但随着硬件设计的稳定和应用场景的成熟，可以将传感器融合服务引入HPG网关本身，而不需要彻底改变其他应用，假设软件是基于Adaptive AUTOSAR标准提供的服务发现协议设计的。

多操作系统和混合临界应用程序

HPC网关可能能够承载具有不同安全级别的各种类型的应用程序。网关的一些基本功能包括协议转换和不同类型的车辆网络之间的数据路由。然而，随着CPU计算能力的提高和基于硬件的包处理释放更多的CPU带宽用于额外的任务，更强的分区技术可以帮助更健壮的系统设计。

例如，一个用机器学习方法开发的算法可能已经在Linux环境下进行了原型和验证。不需要将整个应用程序移植到不同的环境中，而是可以将其作为管理程序的“Linux客户机”使用。根据配置的不同，这可以为AI(人工智能)应用程序提供相同的执行环境，减少移植和验证在实验室环境中开发的应用程序的工作量。

另一种场景是通过更强的分区来增强安全性。Linux或VxWorks客户操作系统可以被授予对以太网控制器或调制解调器的独占访问权，并具有自身增强的安全堆栈，但是在来宾操作系统之外可以有一个外部运行状况和/或运行状况监视，它可以提供额外的入侵检测和损害管理，包括重置扮演防火墙角色的来宾操作系统。

在任何一种情况下，都可以有一个安全的操作系统用于最高级别的工作负载，它与其他分区完全分离，提供基于健壮分区的自由干扰风河螺旋虚拟化平台．

结论

在异构硬件和软件环境中开发高性能计算网关是一项艰巨的任务。现代SoC不断增长的计算能力与最先进的人工智能技术的复杂性相结合，以及行业对最佳功能安全架构的不同看法，只会让事情变得更加复杂。

基于Adaptive AUTOSAR标准的面向服务体系结构提供了工作负载管理的灵活性和强大的行业支持。Helix虚拟化平台提供了更多的设计选择，为实用的功能安全体系结构提供了健壮的分区技术，并为网络安全增加了保护层。