1、汽车行业深度报告汽车软件操作系统产业链深度解析汽车行业深度报告：汽车软件操作系统产业链深度解析1、操作系统是软件定义汽车生态发展的灵魂在消费者视角下，智能网联汽车快速发展。随着智能汽车快速发展，智能座舱和ADAS 功能均不断升级，不论是传感器数量、芯片算力还是单车价值均实现快速提升，参照我们前期发布的软件定义汽车，智能座舱先行和软件定义汽车，ADAS 正加速报告，重点梳理了座舱和 ADAS 升级路径、上下游产业链的竞争格局以及根据我们自建的样本数据库测算了市场规模。智能座舱方面，我国智能座舱市场规模将由 2020 年的 567 亿元提升至 2025 年的 1030 亿元，CAGR 超过+15.
2、2%；ADAS 方面，我国自动驾驶市场规模将由 2020 年的 844 亿元提升至 2025 年的 2250 亿元，CAGR 超过+21.3%。软件定义汽车大趋势下，芯片+操作系统+中间件+应用算法软件+数据是实现智能汽车的关键。在智能网联汽车产业大变革下，软件定义汽车理念已成为共识。传统汽车采用的分布式电子电气（E/E）架构因计算能力不足、通讯带宽不足、不便于软件 OTA在线升级等瓶颈，不能满足现阶段汽车发展的需求，E/E 架构升级已成为智能网联汽车发展的关键。参照我们前期发布的软件定义汽车，E/E 架构是关键，该文重点论述了E/E 架构升级包括硬件、软件、通信架构三大升级，芯片+操作系统+
3、中间件+应用算法软件+数据构建核心技术闭环，未来谁能把握其中一环或将实现汽车产业链地位的提升。传统车企操作系统将有独立的多个操作系统/系统程序向少数/一个操作系统发展。参照我们前期发布的软件定义汽车，AI 芯片是生态之源，该文论述了随着汽车 E/E架构硬件由分布式向域控制-中央集中式不断升级，域控制器的重要性凸显，而 AI 芯片则是自动驾驶域控制器/中央计算平台的核心。座舱域的 AI 芯片玩家主要为高通、英特尔、华为（麒麟）和瑞萨等，要求 AI 算力较小，安全等级较低，而自动驾驶域在 AI 算力和功能安全均远高于座舱芯片，因此 AI 芯片玩家主要为特斯拉（自研）、Mobileye、英伟达、华为
4、和地平线等。传统汽车因不同域之间要求的实时性、安全性、通信带宽不尽相同，传统汽车主机厂/Tier 1 级供应商无法一步到位，因此多为跨域融合方案（即 3个域或 5 个域等）。因此，随着域的逐渐形成，域操作系统将逐渐形成，本文将重点论述汽车操作系统是实现软件定义汽车的灵魂。2. 操作系统承上启下，引领智能汽车发展操作系统(Operating System, OS)是指控制和管理整个计算系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。智能设备发展到一定程度后一般都需要专门的 OS，例如 PC 机对应的微软Windows 系统，智能手机对应
5、的 GoogleAndroid 系统和苹果 iOS 系统。在软件定义汽车的大趋势下，汽车 OS 是传统汽车实现智能汽车升级的关键。汽车操作系统是从传统汽车电子基础软件不断演变而来，传统汽车电子产品可分为两类：1）汽车电子控制装置：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，以控制发动机、变速箱、动力电池等协同工作的系统，一般统称为 ECU（电子控制单元）。常见的 ECU 包括发动机电控系统 EMS、自动变速箱控制单元 TCU、车身电子稳定系统 ESP、电池管理系统 BMS 等。该类系统涉及安全、行驶性能。2）车载电子设备：如仪表、中控、抬头显示（HUD）、流媒体后视镜等。
6、这类系统常与用户体验相关，不直接参与汽车行驶的控制决策，对车辆行驶性能和安全影响较小。未来汽车操作系统将主要分为自动驾驶 OS 和智能座舱 OS 两大类。不同车企/Tier1 根据自身的规划，对域划分个数不尽相同，如博世分为 5 个域（动力域、底盘域、座舱域、自动驾驶域、车身域），大众 MEB 平台车型为 3 个域（自动驾驶域、智能座舱域、车身控制域），华为同样也为 3 个域（自动驾驶域、智能座舱域、整车控制域）。虽然有多个域，一般主要分为注重开放、兼容性、生态的智能座舱域操作系统和注重实时、安全、稳定的自动驾驶域操作系统两大类型。2.1. 汽车广义 OS 包含系统和功能软件两大部分狭义的操作
7、系统仅包含系统内核 Kernel 部分，是系统软件其中的一部分，而广义的操作系统则包含系统软件和功能软件。车载智能计算平台自下而上可大致划分为硬件平台、系统软件（硬件抽象层+OS 内核+中间件）、功能软件（库组件+中间件）和应用算法软件等四个部分。1）硬件平台：基于异构分布式硬件架构包括 AI 单元、计算控制单元，应支持芯片选型灵活、可配置拓展、算力可堆砌等优点。2）系统软件：是针对汽车场景定制的复杂大规模嵌入式系统运行环境，主要包含三层：a）硬件抽象层：包括 BSP（板卡支持包）、Hypervisor（硬件虚拟化技术，提供虚拟平台支持多操作系统）等。BSP 包括了 Bootloader（以基
8、础支持代码来加载操作系统的引导程序）、HAL（硬件抽象层）代码、驱动程序、配置文档等，是内核与硬件之间的接口层，目的是为操作系统提供虚拟硬件平台，使其具有硬件无关性，可以在多平台上移植。b）操作系统内核（Kernel）：即为狭义操作系统，如 OSEK OS、VxWorks、RTLinux 等。内核提供操作系统最基本的功能，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。c）中间件：处于应用和操作系统之间的软件，实现异构网络环境下软件互联和互操作等共性问题，提供标准接口、协议，具有较高的移植性，如 POSIX/ARA（自适应 AutoSAR 运行时环境即中间件
9、API 接口）和 DDS（分布式实时通信中间件）等。3）功能软件：包含自动驾驶的核心共性功能模块，如相关算法的编程框架（如TensorFlow、Caffe、PaddlePaddle 等）。核心共性功能模块包括自动驾驶通用框架、网联、云控等，结合系统软件，共同构成完整的自动驾驶操作系统，支撑自动驾驶技术实现。4）应用算法软件：即为实现具体自动驾驶功能、HMI 交互等算法软件。2.2. 典型层次的汽车操作系统改造汽车操作系统按照对底层操作系统改造程度的不同，主要可以分为以下几种：1）基础型操作系统：打造全新底层操作系统和所有系统组件，如系统内核、底层驱动等，有的还包括虚拟机，如 QNX、Linux
10、、WinCE 等。因打造全新操作系统需要花费太大的人力、物力，目前基本没有企业会全新开发底层操作系统。2）定制型操作系统：在基础型操作系统之上进行深度定制化开发，如修改内核、硬件驱动、运行时环境、应用程序框架等。典型代表如大众 VW.OS、特斯拉 Version、Google车载 Android、华为鸿蒙 OS、AliOS 等，它们已经属于自主研发的独立操作系统。3）ROM 型汽车操作系统：基于 Linux 或安卓等基础型操作系统进行有限的定制化开发，不涉及系统内核更改，一般只修改更新操作系统自带的应用程序等。大部分的主机厂一般都选择开发 ROM 型操作系统，国外主机厂多选用 Linux 作为
11、底层操作系统，由于国内 Android 应用生态更好，国内自主品牌和造车新势力大多基于 Android 定制汽车操作系统，例如比亚迪 DiLink、奇瑞 GKUI、蔚来 NIO OS、小鹏 Xmart OS 等。超级汽车 APP（又称车机互联或手机映射系统），不是完整意义的汽车 OS，指简单地把手机屏幕内容映射到车载中控，通过整合地图、音乐、社交等功能为一体来满足车主需求的 APP，如苹果 CarPlay、谷歌 AndroidAuto、XX CarLife、华为 Hicar 等。主要系由于汽车座舱为保证系统的稳定性、高安全性，不得不放弃性能，导致手机不论是芯片还是操作系统处理能力都优于汽车座舱
12、，因此借助手机的丰富功能映射到汽车中控，以满足车主对娱乐的需求。由于容易实现+成本较低，现阶段仍是车主的主流选择。2.3. 2020 年全球汽车广义操作系统市场达 200 亿美元2020 年全球汽车广义操作系统市场规模达 200 亿美元，未来五年 CGAR+13.1%。我们重点参照了 Mckinsey 分析数据，2020 年全球汽车广义操作系统（功能软件、狭义操作系统、中间件）市场规模达 200 亿美元，到 2025 年达 370 亿美元，CGAR+13.1%；到 2030 年达 500 亿美元，十年 CAGR+9%。3. QNX、Linux、Android 为三大主要底层OS汽车 OS 由基
13、础软件程序-简单嵌入式-复杂 OS 不断升级。早期嵌入式开发直接在裸机上写程序，无 OS。随着软件越来越复杂，为了实现多任务执行，裸机程序不得不引入中断，而使程序结构复杂难以阅读和维护，因此嵌入式 OS 逐渐形成。但由于普通8 位或 16 位的 ECU 执行的功能较为单一，硬件资源有限，无法运行如 QNX、Linux 等复杂的 OS，常使用一些基础软件程序或简单的嵌入式实时 OS 如 UCOS、FreeRTOS 等。随着 IVI 应用和接口逐渐复杂，座舱率先使用更为复杂 OS。Linux 和 QNX 只集成学术定义的 OS 和通讯协议栈；ubuntu 则在 Linux 的基础上添加中间件和桌面
14、环境；Andrord和 AliOS 则在 Linux 的基础上集成了中间件、桌面环境和部分应用软件。全球汽车座舱底层 OS 高度集中。安全和性能是两个矛盾体，座舱域由于其安全等级较低，现阶段需要较为复杂的 OS 支持大量的应用和接口。参照 ICVTank 统计数据，2019 年全球汽车座舱前 3 大底层 OS 市占率：QNX（43%）、Linux（含 Android）（35%）、WinCE（10%）。由于自动驾驶域还未真正形成，自动驾驶的 OS 格局仍不明朗，而考虑到重新开发底层 OS 花费的成本大，自动驾驶 OS 或基于 Linux/QNX 内核发展而来。3.1. QNX：非开源&安全实时Q
15、NX 是一款微内核、嵌入式、非开源、安全实时的操作系统。QNX 系统是由加拿大 QSSL 公司开发；于 2004 年哈曼国际将 QNX 系统收入囊中；于 2010 年 BlackBerry母公司 RIM 又从哈曼国际手中收购 QNX 系统。QNX 是微内核架构，内核一般只有几十 KB，驱动程序、协议栈、文件系统、应用程序等都在微内核之外的受内存保护的空间内运行，可实现组件之间相互独立，避免因程序指针错误造成内核故障。因其内核小巧，运行速度极快，具有独特的微内核架构，安全和稳定性高，不易受病毒破坏系统，是全球首款通过 ISO26262 ASIL-D 安全认证的实时操作系统。因此，QNX 常用于安
16、全稳定性要求较高的数字仪表中。黑莓基于 QNX 为汽车行业开发了不同域的系统平台。黑莓先后为汽车行业开发了车载信息娱乐系统（QNX CAR Platform for Infotainment）、数字座舱系统（QNX Platformfor Digital Cockpits）和驾驶辅助系统平台（QNX Platform for ADAS）等系统平台，为开发人员提供了灵活的工具选择，具有良好的人机交互界面。以 QNX 驾驶辅助系统平台为例，其硬件支持瑞萨（H3、V3M）、英特尔（Denverton、Appolo Lake）、英伟达 Drive系统等芯片平台，还支持毫米波雷达、激光雷达、摄像头、GP
17、S 等传感器。QNX 凭借其安全、稳定等优势占据市场较高份额。QNX 为非开源系统，具有开发难度大、应用生态较弱等特点，而且需要商业收费。但由于现阶段汽车嵌入式操作系统对安全性、稳定性、实时性具有非常严苛的要求，QNX 凭借这些优点仍牢牢占据汽车嵌入式操作系统市占率第一的位置。根据官网显示，QNX 已与 45 家以上 OEM 进行合作，超过 1.75 亿辆汽车使用了 QNX 系统。3.2. Linux：开源&功能强大Linux 是一款开源、功能更强大的操作系统。Linux 具有内核紧凑高效等特点，可以充分发挥硬件的性能。它与 QNX 相比最大优势在于开源，具有很强的定制开发灵活度。我们通常提的
18、基于 Linux 开发新的操作系统是指基于 Linux Kernel 进一步集成中间件、桌面环境和部分应用软件。Linux 功能较 QNX 更强大，组件也更为复杂，因此 Linux常用于支持更多应用和接口的信息娱乐系统中。协会或联盟致力于将开源 Linux 操作系统推广至汽车领域中，典型代表如 AGL、GENIVI。AGL 开源项目致力于建立一个基于 Linux 的联网汽车内部使用的开源平台。2014年，Linux 基金会发布了开源 AGL（Automotive Grade Linux）规范 1.0 版本，它是首个开放式车载信息娱乐（IVI）软件规范。其中 70%的代码（包括操作系统、中间件和
19、应用程序框架）已编写完成，车企可以专注于剩下的 30%个性化定制开发，以保证不同品牌的差异化，而且 AGL 不收取任何许可费。随着自动驾驶的发展，AGL 已经不只局限于IVI 领域，未来将向仪表盘、座舱域、自动驾驶等领域延伸，现阶段它仍未通过 ISO 26262标准。从其整车企业成员来看，AGL 早期主要为丰田、本田、日产等日系厂商，随着2019 年大众、现代汽车的加入，AGL 势力规模逐渐壮大。截至 2020 年 3 月，国内已有中国移动、上汽集团、德赛西威、中科创达等公司加入了 AGL，成员总数超过 150 个。GENIVI 的宗旨是实现对车载信息娱乐系统开源开发平台的广泛普及。2009
20、年成立的GENIVI联盟一直致力于为汽车行业提供各类开源的车载信息娱乐系统技术解决方案。GENIVI 基于 Linux 提供开源软件，汽车车企通过选择并整合不同的应用和中间件实现差异化的车载信息娱乐产品，缩短开发周期，从而减少汽车生产商的成本。其中 80%的软件在消费电子/通信行业中已经被开发，可不加修改直接应用，仅 15%必须进行调整才能适用于特殊的汽车参数，仅 5%仍需自己开发。GENIVI 将继续开发剩余 5%的代码，并开放给所有汽车厂商。目前，联盟的成员包括 170 多家汽车生产商和供应商。3.3. Android：Linux 的发行版本Android 是发行版本的 Linux，系统复
21、杂，功能强大。Android 是由 Google 公司和开放手机联盟基于 Linux 开发的操作系统。Android 被称为基于 Linux 开发的最成功的产品之一，应用生态最为丰富，主要应用于移动设备，因此，在国内车载 IVI 系统常基于 Android 开发。Android 的主要优点有：1）开源，对中低端 OS 开发商具有很强吸引力；2）灵活，可以根据自身需要对原生 Android 进行定制化改造；3）可移植性强，Android手机上的 APP 不需要经过大的修改就可以应用在车机上，有利于国内互联网厂商切入汽车领域，快速建立起车载软件生态。Android 的缺点主要有：1）安全性、稳定性
22、差，系统漏洞带来较高风险，技术维护成本高；2）过度依赖于 Google。Android 凭借国内丰富的应用生态切入汽车 IVI 系统。虽然安全性、稳定性不足，但由于车载信息娱乐系统对安全性要求相对较低，Android 仍然凭借其上述优点在国内车载信息娱乐系统领域占据主流地位。尤其是各大互联网巨头、自主品牌、造车新势力纷纷基于 Android 进行定制化改造，推出了自己的汽车操作系统，如阿里 AliOS、XX小度车载 OS、比亚迪 DiLink、蔚来 NIO OS、小鹏 Xmart OS 等。3.4. WinCE：逐步推出市场WinCE 是微软 1996 年发布的嵌入式操作系统，主要应用于车载主
23、机、车载导航和车载娱乐系统。但是随着 Linux 和 Android 的冲击，现阶段开发者和应用者已非常少了，微软计划于 2021 年 3 月终止对其服务，将逐步退出汽车操作系统市场。4. 车企&互联网&科技齐发布操作系统4.1. 特斯拉率先打造 OS，树立行业标杆总结：特斯拉底层芯片方面 CPU 采用 Intel Atom E3950、FSD 自研 AI 芯片（根据算法软件需求，不断优化底层工具链和算子库）等芯片；操作系统方面基于底层 Linux自研；功能软件方面支持 PyTorch 的深度学习编程框架（自研算法，不需要支持所有编程框架）；自动驾驶功能核心算法自研；自建数据中心，用户使用产生
24、的数据被收集用于不断优化算法软件，形成类苹果的闭环开发模式。特斯拉的操作系统 Version 基于 Linux 内核深度改造而成。特斯拉系统平台采用Linux4.4 开源操作系统，支持 PyTorch 的深度学习编程框架，基于 Kafka 开源流实时数据处理平台，可支持信息娱乐系统（IVI）和驾驶辅助系统（ADAS）等。特斯拉选择 Linux一方面由于 Linux 开源自由的优点，避免受制于操作系统厂商；另一方面则发挥其内核紧凑高效、可以充分发挥硬件性能的优点，满足了特斯拉对汽车性能的要求。通过访问权限控制，避免操作系统核心区域免受攻击。对于信息安全问题，特斯拉使用了 Linux 系统中的内核
25、模块:安全增强型 Linux（SELinux），通过“访问权限控制”增加了操作系统信息安全性。访问权限控制，是指了解系统内所有的硬件资源、设备接口明确允许访问的范围和硬件接口。简单来说，即为第三方软件划分可访问与禁止访问区域，最大限度地保证自身安全。通过访问权限控制，即便第三方程序对操作系统进行了攻击，特斯拉也可以保证核心区域不受破坏。基于 Linux 独立开发的 OS，不断实现 OTA 在线升级。由于采用开源 Linux，特斯拉可以不再依赖于软件供应商，而是自己完全掌握堆栈，一旦发现问题即可通过 OTA 进行快速修正与升级，提升用户体验。自 2014 年首次在 Model S 上使用 Ver
26、sion 5 以来，特斯拉已通过 OTA 技术对其操作系统进行了多次重大升级。4.2. 大众打造 VW.OS 平台，加快数字化转型总结：大众更加注重功能安全、框架标准化，采用 Linux、QNX、VxWorks 等多个底层操作系统打造一体式平台，简化智能座舱、自动驾驶、车身控制等之间的交互。优点：可充分利用各家供应商的已有技术优势实现快速转型。缺点：各家供应商标准接口、协议并不统一，组建的系统过于复杂，仍高度依赖供应商。大众更加注重功能安全、框架标准化，采用多个底层操作系统打造一体式平台。大众通过打造一个可运行多个底层系统（如 Linux、QNX、VxWorks）的 VW.OS 平台，简化座舱
27、和自动驾驶的交互技术。由于各家供应商标准接口和协议各不相同，高度依赖AutoSAR 实现中间件标准化，因此产生大量庞大繁杂的模块、组件以支持来自不同供应商的软件。此外，大众将建立 Volkswagen Automotive Cloud 全球专属云服务后台，以实现传统大众汽车向全新智能软件产品的转变。在软件定义汽车的大趋势下，大众软件部门正经历巨变。2019 年 2 月，大众成立新软件部门“Digital Car&Service”，致力于智能汽车云服务，并任命曾带领团队成功研发大众 MEB 平台的 Christian Senger 作为部门负责人。2019 年 4 月，大众加入开源操作系统 AG
28、L 联盟，以开源方式打造通用操作系统。同年 6 月，大众准备联合 5,000 名数字专家组成 Car.Software 部门，专注于软件操作系统“VW.OS”研发，加快数字化转型。大众宣称 ID.3 将成为首款搭载 VW.OS 的量产车型，基于自有操作系统 VW.OS 的车型ID.3，将具备 L3 自动驾驶能力，可以在高速公路和城市拥堵路段进行自动驾驶。且从2025 年起，大众旗下所有新车型均将搭载 VW.OS，并通过该操作系统连接至大众汽车云平台（与微软合作开发）。大众 VW.OS 的目标是实现车辆、客户和服务统一的数字化平台。VW.OS 为大众数字化转型战略而生，其存在也有助于大众数字化品
29、牌生态系统的建立。搭载大众 VW.OS的新车型将使用系统平台实现底层硬件的资源分配，软硬件之间的通信交互，共享底层函数库组件资源，大幅减少代码量的同时，实现 ECU 功能的集成。该生态系统依托于一个基于云技术，将车辆、客户和服务三者紧密连接的统一数字化平台（ODP，One DigitalPlatform）。ODP 平台有效确保了大众汽车的外部合作伙伴以及大众汽车服务，与大众汽车 IT 架构紧密连接，打通全线合作4.3. Google 车载安卓入局，有望复制手机安卓之路Google 先后以车机互联 APP AndroidAuto 和 Android Automotive OS 入局汽车 OS领域
30、。Google 早在 2014 年就开始布局汽车领域，并于当年发布车载系统 Android Auto（实际为一款 APP），用户通过 Android Auto 可将手机上的消息、通话、媒体、导航等应用程序投射到互联的车机上，与苹果 CarPlay、华为 Hicar 等类似。于 2019 年谷歌发布 Android Automotive OS，是一款可直接运行在汽车 IVI 系统上的开源操作系统，用户可以通过 Google Play 下载 Google 助手、Google Map 等应用在汽车上运行，而无需使用Android 手机。Android Automotive 与手机 Android 类
31、似，其源代码库免费和开源，提供基本的信息娱乐功能，主机厂可通过 Android 的通用框架和 API 来实现自己所需的功能。Android Automative 是在原手机 Android 的系统架构基础商替换为与车相关的模块。主要包括包括：1）Car App：包括 OEM 和第三方开发的 App；2）Car API 提供给汽车 App 特有的接口；3）Car Service：系统中与车相关的服务；4）Vehicle Network Service：汽车的网络服务；5）Vehicle HAL：汽车的硬件抽象层描述。区别于之前的开源安卓系统，车载安卓系统的灵活可定制性和可修改4.4. 华为鸿蒙面
32、向全领域，打造独立第三方平台华为鸿蒙是面向全场景微内核的分布式 OS，初衷是为了实现跨平台协作的能力。鸿蒙是全世界第一个面向全场景微内核的分布式 OS，其开发的初衷是为了提升操作系统的跨平台能力，包括支持全场景、跨多设备和平台以及应对低时延和高安全性挑战的能力。鸿蒙系统具有四大特点：分布架构、天生流畅、内核安全和生态共享；有三层架构：第一层是内核，第二层是基础服务，第三层是程序框架。2019 年鸿蒙 OS 1.0 率先用于智慧屏产品，计划从 2020 年起将逐步用于手机、平板、汽车等更多智能设备中。鸿蒙自动驾驶 OS 微内核成为我国首个通过 ASIL-D 认证的 OS 内核。2020 年，华为自动驾驶操作系统内核获得业界 Safety 领域最高等级功能安全认证（ISO 26262 ASILD），成为我国首个获得 ASIL-D 认证的操作系统内核；同时，该内核于 2019 年 9 月获得 Security 领域高等级信息安全认证（CC EAL 5+），标志着该系统内核已成为业界首个拥有 Security & Safety 双高认证的商用 OS 内核。根据华为规划，其 E/E 架构方案由智能座舱、智能驾驶、整车控制三个域组成。CDC 智能座舱平台：1）实现汽车和手机在软硬件、
