關(guān)于FPGA在汽車領(lǐng)域的的應(yīng)用

隨著電子的不斷發(fā)展，FPGA在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛，在汽車的更多系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。

FPGA在汽車相機(jī)和傳感器中的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，同時(shí)也在一系列新技術(shù)中贏得了一席之地，包括將成為自動(dòng)駕駛汽車中心邏輯的人工智能系統(tǒng)，以及新型傳感和通信技術(shù)。

西門子事業(yè)部Mentor的Catapult HLS綜合與驗(yàn)證高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Stuart Clubb表示：“駕駛輔助應(yīng)用的自動(dòng)處理有很多概念，」「各種文章都在討論怎樣去做，但首先要考慮的是它昂貴的價(jià)格。你不能在一輛價(jià)值2萬美元的車?yán)镅b一個(gè)12000美元的液冷英偉達(dá) GPU盒子”，就算是福特?zé)o法投入足夠的資金來做到這一點(diǎn)。他強(qiáng)調(diào)。

汽車業(yè)是一個(gè)相對(duì)利潤率低、業(yè)務(wù)量大的企業(yè)。雖然數(shù)量肯定不能與過去十年一直保持摩爾定律的智能手機(jī)相比，但汽車制造商過去的數(shù)十年一直努力從供應(yīng)鏈中擠出成本。隨著越來越多的電子產(chǎn)品被應(yīng)用到汽車中，芯片和電子子系統(tǒng)也有了價(jià)格壓力。

但汽車領(lǐng)域?yàn)?a target="_blank">芯片制造商增加了一些主要障礙。除了盡可能降低成本外，它們還必須符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 26262和ASIL A、B、C和D，并滿足十年或更長時(shí)間內(nèi)的彈性、老化和可靠性要求。這就是問題的源頭，因?yàn)榧夹g(shù)和標(biāo)準(zhǔn)幾乎一直在發(fā)展，這也是汽車公司開始依賴FPGA作為首選處理器架構(gòu)的原因。

Clubb說：「這不僅是「我們運(yùn)行了30分鐘，看起來不錯(cuò)，發(fā)貨吧?！惯@是完全不同的一個(gè)方面?！埂溉绻匆幌氯斯ぶ悄苣壳暗倪M(jìn)展，那人們正討論的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是機(jī)器學(xué)習(xí)中最重要的事情。傳統(tǒng)的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）指行人檢測(cè)、雷達(dá)處理等，但CNN是一個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，因?yàn)闆]有人真正了解它們的工作原理。沒有數(shù)學(xué)依據(jù)證明它們?yōu)槭裁垂ぷ饕约叭绾喂ぷ?，它們只是那樣做了。它包括卷積池和訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)訓(xùn)練一件事的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它看起來很好，但當(dāng)你訓(xùn)練幾件事時(shí)，它就不工作了。大家一度認(rèn)為解決方案有很多并且有很多浮點(diǎn)，這可能是英特爾推出Stratix 10器件上所有浮點(diǎn)單元的原因，因?yàn)檫@將是機(jī)器學(xué)習(xí)[平臺(tái)]。它要么推斷，要么訓(xùn)練，這是非常棒的?！?/p>

那是在GPU贏得算法訓(xùn)練市場之前?，F(xiàn)在已經(jīng)證明GPU是一種低價(jià)的訓(xùn)練架構(gòu)，因?yàn)樗鼈兒苋菀撞⑿谢?，并且大多?shù)算法開發(fā)人員都很熟悉。這使得它們成為開發(fā)訓(xùn)練算法的數(shù)據(jù)中心的理想選擇。但它并不是推理的最佳架構(gòu)，其功耗、性能和面積比訓(xùn)練更重要。

Clubb說，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是量化。 「哪種網(wǎng)絡(luò)？我如何建立該網(wǎng)絡(luò)？什么是內(nèi)存架構(gòu)？通過網(wǎng)絡(luò)，雖然只有幾層，開始時(shí)輸入大量數(shù)據(jù)和一些系數(shù)，它很快就會(huì)轉(zhuǎn)向百萬個(gè)系數(shù)，它的內(nèi)存帶寬變得非常可怕，沒有人知道真正的架構(gòu)是什么?！?/p>

這些問題與用戶強(qiáng)烈地共鳴，因?yàn)?a target="_blank">EDA領(lǐng)域的許多工具提供商都提出了強(qiáng)烈的需求，并參加了有關(guān)AI/機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)相關(guān)的研討會(huì)和活動(dòng)。當(dāng)答案尚不明確時(shí)，設(shè)計(jì)定制ASIC的成本太高。

他說：「你唯一能做的就是買帶有一堆加速器的CPU，但是沒人真正找到正確的答案。福特和通用汽車已經(jīng)表示他們希望整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的功耗為100瓦甚至更低，而現(xiàn)在證明這相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)后備箱的100臺(tái)筆記本電腦，因此這還有很長的路要走，而不是僅僅通過一堆GPU來解決。有人會(huì)找到通用的解決方案或具有某些可更新的具體的定制方案。這也是我們開始看到嵌入式FPGA之類的事物已經(jīng)復(fù)蘇的原因。」

圖1：英特爾的FPGA和加速堆棧。來源：英特爾。

eFPGAs的角色越來越重要

分立FPGA的最大問題是汽車公司無法使輸入和輸出這些芯片的數(shù)據(jù)足夠快，F(xiàn)lex Logix首席執(zhí)行官Geoff Tate說：「FPGA上有很多SerDes通信，而且它們的性能很好，但如果你看128位總線可以在芯片上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量時(shí)，SerDes就并沒有那么快。因此，任何時(shí)候任何芯片的輸入和輸出，通常是一個(gè)瓶頸。為了發(fā)揮FPGA的作用，它通常要和FPGA之外的事物通話。這就是Xilinx和Altera開發(fā)SoC芯片的原因，這一定程度上可以緩解這一狀況。但Zynq-type 芯片非常大而且很貴，所以一類客戶喜歡通過FPGA實(shí)現(xiàn)更具成本效益的解決方案，但不一定需要數(shù)百萬個(gè)LUT或數(shù)十萬個(gè)LUT?！?/p>

市場觀察發(fā)現(xiàn)，Tate相信有許多SoC和微控制器公司希望集成FPGA。「他們看到了它的價(jià)值。我們發(fā)布的應(yīng)用展示了基于可重配置FPGA的加速器比Arm處理器快在哪里。但目前的挑戰(zhàn)是大多數(shù)微控制器公司都習(xí)慣C語言編程，他們通常不會(huì)用Verilog編程。另一個(gè)挑戰(zhàn)是如果你看一個(gè)FPGA，這些東西的編程模型通常是一個(gè)客戶編寫所有的代碼?，F(xiàn)在，通過計(jì)算機(jī)或時(shí)間共享和多核，有許多程序在操作系統(tǒng)里同時(shí)運(yùn)行。有人問如何轉(zhuǎn)向模塊化或多核FPGA架構(gòu)，這就相當(dāng)于一個(gè)應(yīng)用程序庫，可以在多個(gè)不同的SoC和微控制器上運(yùn)行，無需人們學(xué)習(xí)RTL。如何使FPGA更像處理器，可以同時(shí)運(yùn)行塊代碼，不同人可以同時(shí)寫不同塊的代碼，或繞過當(dāng)前的大塊的RTL模型，一個(gè)人一次完成編程？這會(huì)讓不是RTL專家的人更容易獲得嵌入式FPGA的價(jià)值主張?！?/p>

分立FPGA長期以來一直用于汽車領(lǐng)域，其中包括了從儀表控制臺(tái)和娛樂功能（統(tǒng)稱為信息娛樂系統(tǒng)），到駕駛員輔助。Arteris IP首席技術(shù)官Ty Garibay表示：「Altera在激光雷達(dá)，聲納和雷達(dá)的傳感器融合方面贏得了眾多席位。你可以通過不同的格式將數(shù)據(jù)在每個(gè)接口合并，在另一端口吐出。因此，F(xiàn)PGA幾乎可以用在任何高端汽車上。例如在360度全景攝影上，Altera和Xilinx幾乎擁有所有后視攝像頭市場?！?/p>

他指出，F(xiàn)PGA對(duì)汽車制造商來說也具有成本效益，因?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)可能會(huì)發(fā)展，但整個(gè)FPGA不需要重新認(rèn)證。

但是，分立FPGA并不適用于所有產(chǎn)品，Achronix的系統(tǒng)架構(gòu)師Kent Orthner說：「對(duì)于向駕駛員提供指導(dǎo)或警告的駕駛員輔助來說，傳統(tǒng)的FPGA就足夠了。通過對(duì)自適應(yīng)巡航、自動(dòng)換道和自動(dòng)平行停車應(yīng)用制動(dòng)或油門，「駕駛員輔助」的意思正在轉(zhuǎn)變?yōu)椤格{駛員操控車輛」。由于FPGA負(fù)責(zé)汽車的自動(dòng)操控，功能安全要求變得更加嚴(yán)格，更加難以滿足。」

他說，一支擁有開發(fā)滿足汽車功能安全要求的ASIC或SoC所需經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以使用該設(shè)備——將eFAGA作為整個(gè)解決方案的一個(gè)組成部分?！溉缓筮@個(gè)團(tuán)隊(duì)可以將他們的功能安全知識(shí)應(yīng)用于汽車eFPGA SoC的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、記錄和描述，從而使該設(shè)備比傳統(tǒng)的獨(dú)立FPGA更容易滿足安全要求。此外，eFPGA提供了更多機(jī)會(huì)，從而可以根據(jù)手頭的應(yīng)用定制FPGA的內(nèi)核。對(duì)于汽車而言，這意味著可以使用專門的硬件電路來滿足彈性要求和冗余?！?/p>

另一種力量

汽車領(lǐng)域?qū)﹄娏ο嚓P(guān)的問題并不陌生。功率預(yù)算會(huì)影響每加侖或每次充電的里程數(shù)，特別是當(dāng)電動(dòng)汽車越來越多時(shí)。除了這些新的電子技術(shù)外，汽車制造商也必須滿足政府所有的里程要求。

Mentor的Clubb說：「特斯拉有三種冷卻系統(tǒng)，有常規(guī)冷卻系統(tǒng)、HVAC等等。電池有一個(gè)冷卻系統(tǒng)，然后是基于GPU的大型顯示器的冷卻系統(tǒng)。它用在10萬美元的車上很好，但我認(rèn)為并不適用于本田思域。出于同樣的原因，我也不會(huì)在上面投入5000美元的FPGA。過去的經(jīng)驗(yàn)是，如果向最終客戶銷售的產(chǎn)品成本低于1000美元，那就不會(huì)在其中加入FPGA。盡管如此，工程團(tuán)隊(duì)還是有一個(gè)不同的說法，「我有個(gè)非常復(fù)雜的加速算法，不能通過軟件做，當(dāng)然不能在Arm處理器上做到這一點(diǎn)（GPU是沒問題的，但是價(jià)格方面），所以需要一些自定義硬件。因?yàn)槲也淮_定我已經(jīng)有正確的方案了，所以需要一個(gè)中途可編程的解決方案?！惯@就是Soc盛行的原因。但FPGA SoC的危險(xiǎn)在于它很容易被鎖定在提供的IP中?！?/p>

圖2：特斯拉的帶狀冷卻管。資料來源：Teslarati.com

IP在其它地方都不一定發(fā)揮很好的作用。

他說：「現(xiàn)在，讓你鎖在FPGA平臺(tái)的障礙需要慎重考慮，即使RTL中有你為FPGA編寫的秘密，甚至是你用FPGA工具完成的HLS，這些又會(huì)鎖住你。使用這種設(shè)計(jì)方法你做不了任何事情，如果你正在進(jìn)行概念驗(yàn)證并希望被亞馬遜或Facebook收購，這是可以的，但如果你打算生產(chǎn)真正的產(chǎn)品，那需要考慮擺脫這種情況，因?yàn)槟銓?shí)際上已經(jīng)設(shè)計(jì)了IP或購買了它。這會(huì)使5000美元的FPGA看起來沒有那么貴，因?yàn)槟氵€沒有為這個(gè)IP付費(fèi)；但這也是一個(gè)你將如何付費(fèi)的問題。人們的生產(chǎn)預(yù)算和發(fā)展預(yù)算上做了很大的區(qū)分?！?/p>

汽車市場提出了非常具體的要求，因此汽車的好消息/壞消息是，雖然有這些嚴(yán)格的要求，但他們也希望這些芯片能夠工作至少10年，高級(jí)主管Piyush Sancheti說道。「在我們開始使用一次性汽車之前 ，我們希望我們的汽車至少可以工作10年。」

這種動(dòng)態(tài)本身給專注于消費(fèi)產(chǎn)品的半導(dǎo)體公司帶來了新的挑戰(zhàn)。

Marvell連接業(yè)務(wù)集團(tuán)技術(shù)營銷總監(jiān)Avinash Ghirnikar表示，對(duì)其他人來說，靈活性帶來了不同的方法。自2005年來，該公司一直致力于汽車和通過汽車專用設(shè)備（如88Q9098無線SoC）改變汽車需求的方法?！高@款設(shè)備不是我們?yōu)?a target="_blank">手機(jī)設(shè)計(jì)的，而是剛剛進(jìn)入了汽車市場。正如我們和Tier One和OEM談過的那樣，他們中的很多人都表達(dá)了制定可定制解決方案的愿望，因此我們提供固件SDK，使他們定制他們的WiFi解決方案。這意味著如果通用汽車想要?jiǎng)P迪拉克和雪佛蘭科魯茲的解決方案，他們可以為凱迪拉克創(chuàng)造一些定制，這可能與雪佛蘭科魯茲的定制不同。環(huán)境不同，它們的用例可能略有不同?！?/p>

最后，設(shè)計(jì)方法以及FPGA等技術(shù)的靈活性為汽車原始設(shè)備制造商定制汽車提供了更多的選擇，并隨著汽車需求的成熟而適應(yīng)不斷變化的要求。