1.1 軟件定義汽車的背景
軟件定義汽車的概念源自軟件定義，并借助汽車新四化的發展趨勢，成為眾多論壇和會議中主題演講的熱門話題，其熱度持續高漲。
1.1.1 軟件定義的由來
從字面上看，軟件定義（Software Defined，SD）就是用軟件技術來定義系統功能，即將原先硬件實現的功能軟件化。中國科學院院士梅宏教授曾強調，“軟件定義”是一種“通過軟件實現分層抽象的方式來駕馭系統復雜性的方法論”。這種思想所帶來的核心收益是軟硬件解耦，軟件向個性化方向發展，硬件向標準化方向發展，各自演化，最終使系統達到平臺化和智能化。這個目標聽起來似乎有些理想化，但其實在許多領域，軟件定義的方法已經起到了非常重要的作用，也掀起了軟件定義世界的新浪潮。具體來說，軟件定義要實現需求可定義、硬件可重組、軟件可重配和功能可重構，其背后蘊含的一些基本特征如圖1-2所示。
圖1-2 “軟件定義”背后蘊含的基本特征
就像近年來許多領先突破的思想一樣，軟件定義的概念最早也出現在IT領域。2008年，斯坦福大學Nick McKeown教授所領導的Clean Slate課題研究組正式提出了軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）的概念。SDN的核心思想是分離網絡設備的數據平面（Data Plane）、控制平面（Control Plane）和應用平面（Application Plane），各自開放可編程接口，打破軟硬件一體化的局面，進而重構整個網絡的功能。SDN架構如圖1-3所示。
圖1-3 SDN架構
2008年，Nick McKeown教授及其團隊發布了第一個開源SDN控制器NOX-Classic，這是一種單一集中式控制器，實現了基于開放平臺NetFPGA的OpenFlow交換機。Nick McKeown教授可真了不起，在學術上他是美國國家工程院院士、美國藝術與科學院院士、英國皇家工程院院士，在產業上他參與創辦了Abrizio、Nemo Systems、Nicira Networks、Barefoot Networks等知名公司，而且均被思科、VMware、英特爾等知名公司收購，他是做學術和辦公司都厲害的跨界牛人。
谷歌在2012年就已經實現了SDN的規模化應用，基于控制數據平面接口（Control-Data-Plane Interface，CDPI）的OpenFlow協議完成了對其數據中心廣域網B4的改造，鏈路利用率從原先的30%～40%提升至90%以上，整個SDN領域受到了極大的鼓舞和振奮。
構建于運營商網絡之上的互聯網業務取得如此巨大的成就，也激勵著運營商加入SDN的行列。2013年，中國移動加入開放網絡基金會（Open Network Foundation，ONF），并率先提出電信級SDN的概念。
2013年美國電信運營商AT&T發布了Domain 2.0戰略，戰略中提出2020年網絡軟件化率要達到75%。Verizon發布了SDN/NFV參考架構白皮書，引入統一的端到端網絡編排和業務編排。
2015年中國移動在NovoNet項目中引入SDN/NFV，提出了以開放網絡自動化平臺（Open Network Automation Platform，ONAP）為核心的智能化編排管理體系，目前已廣泛應用。
2015年中國聯通啟動CUEB-Net 2.0，自主研制了網絡控制器和協同器，并于2016年首次提出構建基于SDN的中國聯通產業互聯網（China Unicom Industrial Internet，CUII）。
中國電信則發布了CTNet2025網絡架構白皮書，重點強調了新型OSS的重要性及O域與B域的協同。
運營商的一系列電信網絡變革措施推動了SDN的規模化落地成熟。
SDN領域的收購事件自其概念提出之時，從未停歇。SDN領域收購簡史如圖1-4所示。
圖1-4 SDN領域收購簡史
從2012年VMware收購Nicira Networks開始，直到近年，SDN領域幾乎每年都有重大的收購案發生。例如，2021年5月，思科宣布收購以色列SDN控制軟件開發商Sedona Systems公司，Sedona的NetFusion軟件是分級控制器（Hierarchical Controller）領域的市場領導者，分級控制器是實現5G切片、可路由光網絡的關鍵。2022年4月，AMD宣布以19億美元（約合121億元人民幣）的價格收購云服務供應商Pensando，用來增強面向超大規模提供商、小型云和5G的SDN智能。通信領域通過這些收購快速洗牌，軟件定義的思想也在這十多年間生根發芽，深入人心。
除SDN以外，計算機系統架構專家還提出了軟件定義存儲（Software Defined Storage，SDS）、軟件定義計算（Software Defined Computation，SDC）、軟件定義數據中心（Software Defined Data Center，SDDC）、軟件定義廣域網（Software Defined Wide Area Network，SD-WAN）等諸多概念，并完成了內容繁多的落地實踐。它們的共同特征就是硬件從定制化到虛擬化，通過深度的軟件定義來靈活地管理各種硬件虛擬化后的資源，從以硬件資源為核心走向以軟件資源為核心。
此后，軟件定義被學者泛化到了各個領域，無線電電子學專家和學者提出軟件定義無線電、軟件定義雷達，空間物理學家提出軟件定義飛行器、軟件定義衛星，生產制造和軟件服務專家則提出軟件定義制造、軟件定義服務，安全專家提出融合零信任概念的軟件定義邊界，軍事專家提出軟件定義國防，建筑領域的專家提出軟件定義家居、軟件定義建筑。最后，專家學者索性提出軟件定義一切（Software Defined Everything，SDX/SDE）的概念，希望智能（the smart）和體力（the brawn）分離，底層硬件（體力）可以變得更便宜和可互換，而總體軟件（智能）變得更有能力和實現更快的發展，以更好地應對“人（人類社會）機（信息空間）物（物理世界）”三元融合的萬物智能互聯時代所帶來的挑戰。
2019年，中國科學院信息技術科學部在北京舉辦了學部咨詢項目“軟件定義一切（SDX）及其行業應用發展策略研究”的啟動會，科研院所、高校及產業界近50位專家學者參加了會議。軟件定義儼然變成這次數字化轉型的核心動力之一，成為我國科技經濟發展的主要動力。
2021年，工業和信息化部在《“十四五”軟件和信息技術服務業發展規劃》 （以下簡稱《規劃》）中屢次提到“軟件定義”。《規劃》提出，“軟件定義”賦能實體經濟新變革，并明確指出“軟件定義”是新一輪科技革命和產業變革的新特征和新標志。軟件賦予了企業新型的增長能力，石化、鋼鐵、能源、汽車等各個行業都開始加快軟件化轉型的進程，軟件勢必成為各大企業的核心競爭力。《規劃》也指出，軟件運營服務模式也要進行創新，推廣軟件訂閱、計次收費等新型軟件運營模式，建立起市場化的創新機制和應用保障機制。
正如Netscape創始人馬克·安德森在《華爾街日報》上發表的文章《為什么軟件正在“吞噬”世界》中所說，今天軟件應用無處不在，并且正在吞噬整個世界。
1.1.2 汽車新四化與軟件定義汽車
汽車行業正在經歷百年巨變，智能汽車代替燃油汽車占領新一輪科技革命和產業革命的戰略高地，以往“舊四化”的提法逐漸被大眾淡忘，“新四化”和“新三化”的叫法被廣泛認可。2014年至2015年，我們曾經耳熟能詳的“舊四化”，即平臺化、模塊化、國際化、輕量化，被重新定義為更適應彼時發展狀況的“新四化”，即智能化、電動化、電商化、共享化，“舊四化”的概念變化如圖1-5所示。
圖1-5 “舊四化”的概念變化
目前被廣泛認可的汽車“新四化”（“新四化修訂版”）指的是汽車電動化、智能化、網聯化、共享化，這個“新四化”的提法來自2017年上汽集團在其舉辦的前瞻技術論壇上提出的集團未來發展戰略布局。電動化就是電動驅動，廣義上是包含新能源驅動及其他非燃油動力的能源驅動方式。電動化趨勢指的是燃油動力向新能源動力系統轉變的趨勢，產業安全、環境安全及“雙碳”目標都使汽車電動化變得越來越重要，目前已經成為整個汽車產業發展的一條明晰的主線，電動化也被廣泛理解成新能源的代名詞。無論是從用戶規模還是從出口規模來看，我國都已經成為全球最活躍、最大的新能源市場之一。
智能化是伴隨著電動化趨勢火熱起來的一個概念，和電動化一并被看作汽車行業未來發展的兩大重要支柱技術。智能化主要指的是智能座艙、智能駕駛及更廣泛意義上的應用智能化，這波汽車智能化的紅利大約肇始于2020年。智能駕駛技術賦予汽車自主導航和決策的能力，智能座艙則強調將車輛轉變為第三生活空間，提供個性化的乘坐體驗，從而增加舒適性和便捷性。無論新勢力車企還是傳統車企，都竭力在智能化方向上打造差異化競爭優勢，因為可以說智能化決定了電動化的體驗上限，而電動化則為智能化提供了一個最佳的實現載體，它們是最重要的兩化。
網聯化主要指的是車聯網布局，聯網可以為車輛提供異構多元化網絡接入能力，同時，汽車聯網后可與其他汽車、道路設施交互信息，實現信息與資源共享，聯網后汽車將成為像智能手機一樣的大型移動終端。另外，網聯化也指利用車載Wi-Fi/藍牙/NB-IoT/手機投屏等實現車內設備的互聯互動。
共享化指的是共享汽車與共享約車，這兩種形式的共享化如圖1-6所示。
用戶可以通過支付押金（或者通過信用值）與使用費來使用共享汽車出行，這里面還包括一種新的訂閱模式，即像蔚來這類廠商組織的深度試駕，其核心目標是讓用戶深度體驗，為后面買車做鋪墊。共享約車指的是像滴滴出行、T3出行這類網約車和首汽這類出租車。約車模式下的細分模式有很多，像短租、長租及融資租賃。一般來說，共享汽車是自駕，共享約車是打車，兩者在運營模式上有根本性差異，但也有共性——“一車多用”。
圖1-6 共享化的兩種形式
2020年國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》（以下簡稱《規劃》）中只提及了電動化、智能化、網聯化，而共享化被明確移除，其原因是目前共享化還只是一種商業模式，而《規劃》則多從產業技術的角度出發，這是國家863計劃節能與新能源汽車重大項目監理專家組組長王秉剛與乘聯會秘書長崔東樹兩位行業專家給出的近乎一致的答案。可以簡單理解為，其他三化概念有明確的目標導向性，而共享化還處在行業發展早期階段。但是，共享化可以解決運營成本問題、交通擁堵問題和老齡化問題，是實現智慧交通的重要手段之一，其未來發展仍然可期。
在2024年舉辦的中國電動汽車百人會論壇上，中國科學院院士、中國電動汽車百人會副理事長歐陽明高提出了一個明確的觀點：新能源汽車行業正在經歷三項關鍵技術的轉型，即電動化、智能化和低碳化，這三化分別代表了行業的初級、中級和高級階段。
歐陽明高院士進一步強調，要想打造一個強大的汽車工業國家，必須依托四化戰略，即電動化、智能化、低碳化和全球化。這四大方向是推動汽車行業持續發展和提升國際競爭力的關鍵。此外，需要特別指出的是，一些車企和專家也將輕量化和綠色化納入了新四化體系中，形成了“新五化”甚至“新六化”，我們在此就不做過多解釋了。
對應于國內提出的汽車發展新四化趨勢，麥肯錫在“2023科技趨勢的展望”報告中提出ACES（Autonomous Driving, Connectivity，the Electrification of Vehicles, Shared Mobility），即自動駕駛、互聯互通、汽車電氣化和共享移動出行，國內外很多文獻和報告對此多有提及。仔細來看，可以說ACES與國內新四化的說法高度一致，國內新四化中的智能化指智能座艙和智能駕駛，而ACES中的A指的是自動駕駛，相較國外，國內新能源汽車確實更關注座艙的智能化。還有一個類似的詞匯CASE（Connection, Autonomous Driving，Shared Mobility，Electric Powertrain），即互聯、自動駕駛、共享移動出行、電氣化”。ACES和CASE可稱為國外版的“新四化”。
“新四化”向“新三化”的轉變，標志著汽車行業發展路徑的逐步明晰。在建設交通強國和科技強國的進程中，必須以硬核科技為底層支撐，軟件定義汽車及相伴而來的技術革新則是承接“新四化”和“新三化”的核心突破方向。據說“軟件定義汽車”的概念最早是在2016年由時任百度高級副總裁、自動駕駛事業部總經理王勁提出的，認可這一說法的言論甚多，但很難溯源考證。一方面，軟件定義汽車這個概念在2018年之前并不是特別流行，其真正火爆是在近五年。另一方面，直到本書成書時，除了博世、采埃孚（ZF）、NXP、大眾汽車等知名廠商的公開詮釋外，其他外文文獻和國外學術研究領域鮮有SDV（Software Defined Vehicles）及類似的詞匯出現，國內對軟件定義汽車的熱衷程度要遠遠高于國外。如果硬要溯源的話，可以找到2007年2月的Proceedings of the IEEE中某篇文獻曾經提到的“Software Defined Vehicle”，在此我們對概念源頭不做考證。
讓人歡欣鼓舞的是，時下大火的英偉達創始人兼CEO黃仁勛認為，到2030年，大部分汽車將實現L2級自動駕駛功能，并進一步提出軟件即將定義汽車并創造利潤，他表示汽車制造商的業務模式將從根本上發生改變。至此，馬斯克和黃仁勛兩大科技產業的巨擘都明確表示對軟件定義汽車這個趨勢的關注和認可。
2015年，電氣電子工程師學會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）和IHS Automotive（現S&P Global Mobility，標普全球汽車）咨詢公司報道，1978年的時候，通用汽車曾使用一個改良過的摩托羅拉6802微處理器芯片在凱迪拉克車上顯示速度、燃油、行程和發動機信息，到了1981年，通用汽車又通過5萬行代碼來控制發動機的點火裝置。他們聲稱，高端豪華汽車電子系統有6500萬行代碼，是前者的1300倍。
1983年，J. Bereisa在IEEE Transactions on Industrial Electronics的論文中寫道，軟件開發將成為新產品開發工程中最重要的考慮因素。Broy在2007年的一篇文章中預估，超過80%的汽車創新來自計算機系統，軟件已成為汽車價值（以及標價）的主要貢獻部分，即使當前汽車價格尚未完全反映這一趨勢。電子產品成本占汽車成本的百分比從20世紀70年代末的5%左右攀升至2005年的15%（不包括最終組裝成本）。對混合動力汽車來說，僅發動機控制所需的軟件量就幾乎是傳統汽車的兩倍，電子產品的成本占汽車成本的百分比接近45%。當時一些專家預測，10年內，電子產品成本占汽車成本的百分比對傳統汽車來說將上升至50%，而對混合動力汽車來說將上升至80%。
2008年年底，咨詢公司Frost & Sullivan估計，在不久的將來，汽車將需要2億至3億行代碼，現在智能電動汽車上的代碼量已經達到了這個量級。蓋世汽車研究院則預估到2025年，一輛智能汽車的代碼量將達到7億行，較2022年增加約2.3倍。
2015年《福布斯》（Forbes）報道，摩根士丹利（Morgan Stanley）估算，以后自動駕駛汽車60%的價值將源于軟件，而當時汽車軟件價值只占總體價值
的10%。
麥肯錫預測，不遠的2030年，全球汽車軟件市場規模將增長至840 億美元，由于汽車行業更加重視用戶體驗和自動駕駛，汽車軟件帶來的價值占比將持續提升至30%。
埃森哲（Accenture）商業研究院分析預估，受軟件定義汽車的影響，到2030年，全球汽車行業將因數字服務應用帶來1.5萬億美元的營收增長，而到2040年，數字服務的營收增長將擴大至3.5萬億美元，其在汽車行業總營收的占比將達到40%的驚人程度。我國汽車和出行相關行業收入如圖1-7所示。正如圖1-7中預估的那樣，2040年的我國汽車行業，因數字化服務的應用及出行和自動駕駛板塊的快速增長所帶來的營收將接近2022年的15倍，即超過1萬億美元（約合7萬億元人民幣），從整個汽車和出行行業來看，一半營收將會來源于此，營收池將會發生結構性的轉變。
“軟件定義汽車”的說法已經提出了很多年，汽車行業從廣受爭議發展到目前被用戶和專業人士廣泛接受的階段。從發展階段來看，軟件定義汽車大致呈現出基礎設施建設階段、量產階段和軟件價值極大化階段。其中，基礎設施建設階段的關注點更多地集中在智能汽車操作系統的研發、云平臺的研發；量產階段的關注點在于推出新的整車研發架構，形成非常多的個性化、場景化的創新，這也是汽車行業目前所處的階段；而軟件價值極大化階段則經過多年軟件研發的積累，形成了以軟件為主導的付費變現模式，軟件的價值也在這個階段得到極大化的體現，新的商業模式的形成將使用戶思維發生根本性的轉變。
圖1-7 我國汽車和出行相關行業收入（資料來源：埃森哲商業研究院）