何謂汽車虛擬化？

現代汽車虛擬化技術，過去主要聚焦於軟體虛擬化程式或早期晶片層級的原型開發，如今已大幅拓展。當今，這項技術將電子數位孿生（eDT）與多物理場 系統模擬相互連結，從矽晶片的原子層級，一直延伸至車輛在道路上的宏觀物理性能，建立起一條連續的虛擬鏈。

現代車輛是軟體定義、高度互聯的智慧平台。這種現狀造就了嚴峻的工程瓶頸。先進的軟體堆疊、AI 感知演算法以及安全功能都需要巨大的運算能力，然而它們所依賴的實體平台——例如客製化的系統單晶片（SoC）和結構性底盤——卻可能需要 18 至 24 個月才能交付。

汽車虛擬化透過推動大規模的「左移」策略，解決了這種脫節現象。它以具預測性、可擴展且自動化的虛擬迭代，取代了後期階段、高風險的實體測試。主要驅動因素包括：

• 並行開發時程：在進行晶片與機箱開發的同時，並行進行作業系統移植、驅動程式開發，以及應用層軟體的測試。
• 全面的多物理場 與安全完整性：在單一且相互連結的框架中，同步測試結構安全（例如碰撞分析、噪音、振動與粗糙度（NVH）以及耐久性）與車輛行為電子系統。
• 降低專案風險：在硬體供應鏈鎖定設計之前，及早發現關鍵的整合故障、結構性弱點或即時時序錯誤。
• 極限測試擴展：在持續整合／持續部署（CI/CD）管道中，針對罕見的運作邊界案例、極端天氣條件或高速衝擊等情境，動態執行基於回歸測試的自動化測試工作流程；這些情境若透過實體方式重現，不僅危險，且成本過高而難以實現。

1. 基於模型的系統工程（MBSE）與系統架構

現代車輛虛擬化的基礎始於數位系統模型。MBSE突破了以文件為中心的追蹤模式，轉而運用系統架構框架來定義整車範圍內的功能與物理關係。透過將系統模型直接連結至模擬求解器，工程師得以確保設計需求能精準對應至實際性能參數（例如電動車電池續航力或分區控制器通訊）。

2. 矽晶片與 ECU 層級原型開發 (eDTs)

虛擬原型是汽車系統單晶片（SoC）與運算平台的可執行軟體模型。它們使開發團隊能夠在精確重現晶片硬體介面的虛擬環境中，執行真正的量產軟體，包括作業系統、中介軟體及安全監控程式。 新思科技 Virtualizer™ 工具套件可協助開發硬體（SoC 或微控制器單元 (MCU)）的軟體模型。

虛擬電子控制單元（vECU）有助於在實體測試台架建置之前，便能進行早期軟體在迴路中（SiL）測試，以驗證多電子控制單元之間的網路通訊與時序特徵。

進一步而言， 新思科技 這使得電子數位雙生體（eDTs）的開發成為可能，這些 eDTs 是電子系統及其環境的虛擬呈現。透過整合真實世界數據、先進建模與模擬技術，eDTs 為工程團隊提供了一個動態且互動的環境，使其能夠「左移」，並在車輛生命週期中加速汽車軟體的設計、開發與驗證。 eDTs 涵蓋矽晶片、ECU（區域控制器、中央運算單元等）、車載網路及雲端，使軟體定義車輛（SDV）平台能夠持續演進，同時實現首次即達品質、減少召回、加快量產啟動（SOP）時程，並大幅降低生命週期成本。

3. 硬體與軟體協同設計 (Silicon)

協同設計 將虛擬化軟體環境與高速模擬平台相連，該平台能以接近矽晶片的速度進行模擬。這使工程團隊能在流片前很早的階段，驗證諸如中斷處理、記憶體分配以及硬體加速器響應等複雜的微架構互動。

4.多物理場 與結構模擬（基於物理的數位孿生）

真正的端對端虛擬化能確保數位平台認知到車輛是在實體世界中運作的。高保真度、基於物理原理的模型將虛擬環境延伸，以捕捉宏觀行為，包括：

• 結構力學與碰撞分析：透過顯式有限元素分析（FEA），模擬碰撞情境中的衝擊力、結構完整性、材料變形及乘員安全狀況。
• 流體動力學與熱力學：評估車輛的外部特性，例如空氣動力學、空氣動力聲學及熱管理應用。
• 電磁學與光學：涵蓋 ECU/PCB 層級的電源完整性 、熱可靠性、訊號傳輸，以及 EMI/EMC（輻射與傳導）模擬，同時支援在完整系統框架下進行電力電子 及RF（天線/雷達）設計。模擬感測器（相機、雷達、光達）在波動環境條件下的行為——例如動態模糊、眩光及惡劣天氣——以確保感知堆疊能安全地解讀物理輸入。

汽車虛擬化策略的優勢

• 加速產品上市時程：將硬體啟動與實體驗證的時間從數月縮短至數週，大幅縮短 SOP 時程。
• 大幅降低成本：無需依賴昂貴且需在開發後期製作的實體車輛原型，亦無需採用破壞性測試方法。
• 強化功能安全與合規性：保險絲 ISO 26262 將安全關鍵型軟體工程與自動化結構及碰撞安全模擬技術相結合。
• 持續改進：支援雲端可擴展架構，可在車隊部署前，透過全面的系統級數位孿生對空中（OTA）更新進行徹底測試。

新思科技 提供無與倫比的端到端汽車虛擬化生態系統，彌合了半導體設計與實體系統工程之間歷來的鴻溝。透過將其核心電子技術專長延伸至頂尖的多物理場 能力， 新思科技 該公司提供了一條貫穿軟體定義車輛整個生命週期的連貫工程主線。以下為一個流程範例：

矽晶片與運算層級的汽車虛擬化

• 架構探索與虛擬原型設計 ：諸如 新思科技 Platform Architect™ 及Virtualizer™ 開發套件 (VDKs)、 Silver™ SiL 解決方案以及eDT 平台，使原始設備製造商（OEM）和一級供應商能夠設計、配置及優化虛擬化系統單晶片（SoC）與區域控制器。開發團隊可在硬體尚未問世之前數月，便能驗證完整的系統級軟體，並開發出量產級的軟體。
• 硬體輔助驗證：ZeBu® 模擬平台提供運行軟體堆疊與虛擬矽晶片並行所需的大規模處理能力與吞吐量，得以在接近矽晶片執行速度的條件下，偵測邊緣案例的時序故障與錯誤。
• 汽車級 IP：一套經功能安全認證的全面性「矽智財 」產品組合（包含 ARC 處理器與安全模組），可提供汽車安全完整性等級（ASIL）B 及 ASIL D 的基礎，以滿足在集中式運算架構上隔離不同關鍵級別工作負載的需求。

完整系統與車輛層級的汽車虛擬化

• 系統架構與安全分析： 雲端原生 架構平台（例如Ansys System Architecture Modeler™ (SAM)）可實現無縫的 MBSE 工作流程，並在系統設計需求、安全分析、網路安全以及嵌入式軟體之間建立清晰的數位可追溯性。
• 基於物理的數位孿生： 新思科技 將系統層級的軟體驗證與高保真車輛模擬相結合，實現真正的硬體／軟體協同設計 。透過先進的物理基礎求解器與整合工具，工程師可建立整車數位孿生，在與車輛動力學、空氣動力學、先進駕駛輔助系統（ADAS）感測器、電池系統及其他關鍵車輛領域相互作用的同時，精確模擬軟體行為。 此虛擬環境可在實體硬體就緒之前，便實現早期設計、驗證、性能優化及系統級驗證。
• 環境感測器模擬：透過深度工具整合，可對 ADAS 及自動駕駛系統堆疊進行高保真度的閉環測試。真實或虛擬（基於物理模型）的感測器設定檔會直接整合至虛擬環境中，藉此針對逼真的環境危害來測試程式碼的表現。

透過這個統一的「從晶片到系統 」框架， 新思科技 賦能全球汽車產業降低工程複雜性、優化可靠性，並能充滿信心地部署更安全、由軟體定義的下一代移動解決方案。

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將車輛的半導體、軟體與電子系統虛擬化

基於物理的模擬技術在整車開發中的應用

若想實際了解現代工程團隊如何運用顯式動力學來建模衝擊力，請觀看這段由Ansys 提供的 LS-DYNA 車禍模擬影片。這些影片展示了虛擬結構測試如何重現現實世界中的車輛變形，從而省去破壞性實體原型測試的成本。