什么是汽车虚拟化？

现代汽车虚拟化技术过去主要侧重于软件虚拟机或早期芯片级原型设计，如今其应用范围已大幅扩展。如今，它将电子数字孪生（eDT）与多物理场系统仿真相连接，构建了一条从硅材料的原子级到车辆在道路上的宏观物理性能的连续虚拟链路。

现代车辆是基于软件定义、高度互联的智能 平台。这一现实造成了严重的工程瓶颈。先进的软件堆栈 、AI感知算法和安全功能需要巨大的计算能力，但它们所依赖的物理平台——例如定制化的系统级芯片（SoC）和车身结构——从设计到交付可能需要18到24个月的时间。

汽车虚拟化通过推行大规模的“左移”战略，解决了这一脱节问题。它用预测性强、可扩展且自动化的虚拟测试取代了后期阶段、高风险的物理测试迭代 。主要驱动因素包括：

• 开发 的并行开发时间线：在进行芯片和机箱开发的同时，并行移植操作系统、开发驱动程序以及测试应用层软件开发 。
• 综合多物理场与安全完整性 ：在单一的、相互关联的框架内，对结构安全（如碰撞分析、误报 、振动与声振粗糙度（NVH）以及耐久性）以及车辆行为电子系统进行测试。
• 降低了项目风险：在硬件供应链锁定设计之前，及时发现关键的集成故障、结构性缺陷或实时时序故障。
• 极端测试扩展：在持续集成/持续部署（CI/CD）管道中，针对罕见的运营边界情况、极端天气条件或高速撞击等场景，动态执行基于回归测试 的自动化测试工作流——这些场景若通过物理方式重现，不仅危险，且成本高昂。

1. 基于模型的系统工程（MBSE）与系统架构

现代车辆虚拟化的基础始于数字系统模型。MBSE超越了以文档为中心的追踪方式，利用系统架构框架来定义整车范围内的功能和物理关系。通过将系统模型直接连接到仿真求解器，工程师可以确保设计要求map 清晰地映射到现实世界的性能参数上（例如电动汽车的续航里程或分区控制器之间的通信）。

2. 硅芯片和ECU级原型设计（eDTs）

虚拟原型是汽车系统级芯片（SoC）和微控制器（计算平台 ）的可执行软件模型。它们使团队能够在对芯片硬件接口进行精确虚拟重现的环境中，运行真正的生产软件，包括操作系统、中间件和安全监控器。该 新思科技 Virtualizer™ 该工具套件支持对硬件（SoC或微控制器 单元（MCU））的软件模型进行开发 。

虚拟电子控制单元（vECU）有助于在物理测试台建成之前，尽早进行软件在环（SiL）测试，以验证多电子控制单元网络通信和时序特征。

进一步而言， 新思科技 这使得电子数字孪生（eDTs）的开发 成为可能，这些eDTs是电子系统及其环境的虚拟表示。通过整合真实世界数据、先进建模和仿真技术，eDTs为工程团队提供了一个动态且交互式的环境，使其能够在车辆生命周期内“左移”（shift left）并加速 汽车软件设计，开发 以及验证 。 eDTs 覆盖了芯片、ECU（分区控制器、中央计算单元等）、车载网络和云端，从而使软件定义车辆（SDV）平台能够持续演进，实现首次即达质量标准、减少召回、加快投产（SOP）并显著降低生命周期成本。

3. 硬件与软件协同设计（硅片）

协同设计将虚拟化软件环境与高速硬件加速 平台相连接，该平台能够以接近硅片运行的速度进行仿真。这使工程团队能够在流片前很早阶段，就对中断处理、内存分配以及硬件加速器响应等复杂的微架构交互进行验证。

4. 多物理场与结构仿真（基于物理的数字孪生）

真正的端到端虚拟化可确保数字平台能够识别车辆是在物理世界中运行的。高保真物理模型将虚拟环境扩展至能够捕捉宏观行为，包括：

• 结构力学与碰撞分析：通过显式有限元分析（FEA），再现碰撞场景中的冲击力、结构完整性 、材料变形以及乘员安全状况。
• 流体动力学与热学：评估车辆的外部特性，例如空气动力学、空气动力声学以及热管理应用。
• 电磁学与光学：支持 ECU/PCB 级电源完整性 、热可靠性、信号传输以及 EMI/EMC（辐射与传导）仿真，同时支持全系统范围内的电力电子和射频（天线/雷达）设计环境 。在多变的环境条件下（如运动模糊、眩光和恶劣天气）对传感器行为（摄像头、雷达、激光雷达 ）进行仿真，以确保感知堆栈能够安全地解读物理输入。

汽车虚拟化战略的优势

• 加快产品上市时间：将硬件调试和物理验证 的时间从数月缩短至数周，从而显著缩短了SOP时间表。
• 大幅降低成本：无需依赖昂贵且处于开发后期阶段的实体车辆原型以及破坏性测试方法。
• 增强功能安全与符合性 ：将ISO 26262安全关键型软件工程与自动化的结构和碰撞安全性能仿真相结合。
• 持续改进：支持云端可扩展架构，在将快速无线(OTA) 更新部署到车队之前，可在全面的系统级数字孪生环境中对其进行彻底测试。

新思科技 提供了一个无与伦比的端到端汽车虚拟化生态系统，弥合了半导体设计与物理系统工程之间长期存在的鸿沟。通过将其核心电子技术专长扩展至涵盖一流的多物理场仿真能力， 新思科技 该平台提供了一条贯穿软件定义汽车整个生命周期的连贯工程主线。具体工作流程示例如下：

硅级和计算级汽车虚拟化

• 架构探索与虚拟原型设计： 新思科技 Platform Architect™、Virtualizer™ 开发套件（VDK）、Silver™SiL解决方案以及eDT平台等解决方案，使OEM厂商和一级供应商能够设计、配置和优化虚拟化SoC及区域控制器。开发团队可以在硬件尚未问世之前数月，就对完整的系统级软件进行验证，并开发出生产级软件。
• 硬件辅助验证：ZeBu® 硬件加速 平台提供了运行软件堆栈 并配合虚拟硅片所需的大规模和吞吐量 ，能够以接近硅片执行速度的速度发现边界情况下的时序故障和缺陷。
• 汽车级IP：一套经过功能安全认证的全面硅 IP 产品组合（包括ARC处理器和安全 模块），为在集中式 计算架构上隔离不同关键级别的负载提供了所需的汽车安全完整性 （ASIL）B级和ASIL D级基础。

完整系统和整车层面的汽车虚拟化

• 系统架构与安全分析： Ansys System Architecture Modeler™ (SAM)等云原生架构平台可实现无缝的基于模型的系统工程（MBSE）工作流，在系统设计 需求、安全分析与网络安全以及嵌入式软件之间建立清晰的数字可追溯性。
• 基于物理的数字孪生： 新思科技 将系统级软件验证 与高保真车辆仿真相结合，实现真正的软硬件协同设计。 借助先进的基于物理的求解器和集成工具，工程师能够创建整车数字孪生，在与车辆动力学、空气动力学、高级驱动程序 辅助系统（ADAS ）传感器、电池系统及其他关键车辆领域相互作用的同时，准确建模软件行为。该虚拟环境支持在实体硬件就绪之前进行早期设计（验证 ）、性能优化及系统级验证。
• 环境传感器仿真：通过深度工具集成，可对ADAS 及自动驾驶软件栈进行高保真闭环测试。将真实或虚拟（基于物理原理）的传感器配置文件直接集成到虚拟环境中，从而在逼真的环境威胁条件下测试代码性能。

通过这一从芯片到系统的统一框架， 新思科技 助力全球汽车行业降低工程复杂性、优化可靠性，并充满信心地部署更安全、由软件定义的下一代移动出行解决方案。

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车辆芯片、软件和电子系统的虚拟化

基于物理的整车仿真开发

如需了解现代工程团队如何利用显式动力学对撞击力进行建模的实际演示，请观看这段Ansys 的LS-DYNA汽车碰撞仿真视频。这些视频展示了虚拟结构测试如何再现现实世界中的车辆变形，从而省去破坏性物理原型测试的成本。