【世說芯語】技術(shù)前瞻——能源危機下輔助駕駛算力技術(shù)路線展望

ADAS高功耗、低效率所帶來的能源危機

新能源車發(fā)熱和能耗問題

根據(jù)中國國家應(yīng)急管理部門統(tǒng)計，2022年第一季度，智能汽車發(fā)生自燃的事故一共發(fā)生了640起，平均1天有7輛電動車發(fā)生自燃。電動車起火的原因主要是以下幾點：電池過熱、電池老化、電池遭受碰撞、高負荷運行等等。其中，電池的高負荷運行是最嚴重的原因之一。

視覺算法算力的高功耗和低效率

隨著特斯拉通過視覺算法來實現(xiàn)自動駕駛。各大Tier 1大廠紛紛進入算力的軍備競賽，算力不斷加大，較大的算力需要消耗較高的功耗。

ADAS的多傳感器融合策略

實際上自動駕駛領(lǐng)域，變化的區(qū)域占整個圖像的很小一部分，大部分視覺數(shù)據(jù)是無用數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的視覺處理花費了大量精力來處理這些無用的背景，這浪費了大量的算力和時間。采用事件處理系統(tǒng)，通過時間系統(tǒng)觸發(fā)判斷方式，可以提高100-1000倍的處理速度，減少運算量。

圖2 多傳感器融合技術(shù)策略

事件相機無法提供深度信息，目前依靠相機的計算方式還屬于簡單的蠻力計算。采用事件相機結(jié)合激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達等方式就可以實現(xiàn)完美的3D感知。同時，也可以避免依靠海量數(shù)據(jù)和海量算力造成的資源浪費。

ADAS域架構(gòu)多傳感器融合技術(shù)

多傳感器同步問題

圖像事件系統(tǒng)能解決視覺識別的大部分算法，但是，它也存在一些局限性。除了傳統(tǒng)的圖像算法，激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達也越來越多地被用于ADAS。隨著ADAS的智能化要求的不斷提高，自動駕駛系統(tǒng)需要采用多個不同類型的傳感器協(xié)同處理的方式實現(xiàn)。

圖3 多傳感器融合面臨時間延遲的挑戰(zhàn)

各傳感器采集數(shù)據(jù)，然后通過總線發(fā)送給域控制器，存在一定程度的延時，并且，各傳感器延時的時長不固定。為了提高自動駕駛的傳感器之間的深度融合、決策規(guī)劃和融合定位等性能，自動駕駛高級域控制器與其關(guān)聯(lián)的傳感器均需要做時間同步。

常用的時間同步主要包括：GPS同步、SyncE、NTP和PTP（IEEE 1588）時間同步。對于ADAS來說，主要采用的是時間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN（Time Sensitive Network）技術(shù)。

圖4 時間敏網(wǎng)絡(luò)技術(shù)TSN原理

TSN最初來源于音視頻領(lǐng)域Ethernet AVB的應(yīng)用需求，用于解決音視頻網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、高實時性、和高傳輸質(zhì)量的需求。TSN的核心原理是基于時間流量調(diào)度和管理，通過TSN網(wǎng)絡(luò)中的時間感知整形器TAS（Time Aware Shaper）的調(diào)度來實現(xiàn)的。

圖5 采用鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn)時鐘頻率相位鎖定

TSN可以比較精確的計算出傳輸線的時延問題。但是，如果主從設(shè)備采用自己獨立的時鐘，還會存在頻偏問題，這就需要采用精度非常高的晶振來實現(xiàn)傳輸功能?；诔杀镜染C合考慮，通常采用OCXO/VCXO+PLL的方式實現(xiàn)從設(shè)備時鐘的頻率鎖定，與主時鐘實現(xiàn)頻率同步。

在ADAS應(yīng)用中，采用TSN結(jié)合OCXO+鎖相環(huán)的方式，就可以實現(xiàn)各傳感單元和GPU/FPGA的時間同步，消除累計誤差，實現(xiàn)時鐘源的統(tǒng)一和多傳感器完全融合。

傳感器高速數(shù)據(jù)交換問題

圖像事件系統(tǒng)含有海量數(shù)據(jù)，要滿足多傳感器深度融合，這些數(shù)據(jù)就必須要在極短時間完成信息交換。受流線型處理器啟發(fā)，人們一直采用獨立于處理器的32位或64位局部總線。該總線最高工作頻率為33MHz/66MHz，峰值速度達533MB/s。這種總線被稱為外設(shè)互聯(lián)標準總線（PCI總線）。

圖6 PCI總線架構(gòu)框圖

后來，在PCI總線的基礎(chǔ)上，又衍生出PCI-X總線協(xié)議，其工作頻率提高到133MHz，峰值帶寬達到1064MB/s。再后來，又發(fā)展到PCI-X 2.0。

PCI總線在發(fā)展到PCI-X 2.0之后，傳輸速率很難做進一步的提升。這是因為，時鐘和數(shù)據(jù)信號之間的傳輸線寄生電感形成串擾，嚴重影響數(shù)據(jù)信號的波形，很容易對采樣信號形成誤判，影響通信效率。

圖7 高速數(shù)字信號引發(fā)的碼間干擾

數(shù)字信號在高速傳輸?shù)臅r候，很容易產(chǎn)生天線效應(yīng)，向周圍輻射，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，形成碼間干擾。碼間干擾，包括感染源信號和被干擾信號。這導致傳輸信號判決門檻的不斷提高。為了提高抗碼間干擾問題，有人提出采用差分傳輸模型。

圖8 差分信號消除碼間干擾

這種差分信號傳輸方法，后來經(jīng)過一系列演變和改進，發(fā)展成后來的USB和PCIe傳輸總線，PCIe總線經(jīng)過迭代，現(xiàn)在已經(jīng)演進到現(xiàn)在都PCIe5.0，根據(jù)最新消息，PCIe剛剛已經(jīng)發(fā)布PCIe6.0和PCIe7.0規(guī)范。

不同技術(shù)算力的功耗對比

基于SRAM工藝的動態(tài)功耗

目前，市面上大部分視覺算法處理系統(tǒng)都是基于GPU和FPGA實現(xiàn)的，這些處理器大部分都是基于靜態(tài)隨機存儲器工藝為核心單元。

圖10 SRAM單元內(nèi)部架構(gòu)

SRAM單元用六只N溝道CMOS管組成，其中四個CMOS管組成基本RS觸發(fā)器，用于記憶二進制代碼，另外兩個做門控開關(guān)，控制觸發(fā)器和位線。

圖11 SRAM架構(gòu)動態(tài)功耗

由于SRAM的上管和下管都是工作在深度飽和狀態(tài)。所以，CMOS反相器從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定工作狀態(tài)時，會出現(xiàn)上下管同時導通的情況。此時，CMOS的內(nèi)阻非常小，此時對應(yīng)的電流會非常大，所以，產(chǎn)生的動態(tài)功耗非常大。

基于Flash工藝的動態(tài)功耗

除了基于CMOS的SRAM處理器之外，Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu介紹了Microchip推出的一種基于疊柵MOS的Flash架構(gòu)FPGA處理器。

圖12 Flash架構(gòu)FPGA與SRAM架構(gòu)FPGA的差別

Flash架構(gòu)的FPGA最大的一個特點，工作點是靜態(tài)的，動態(tài)切換也不會出現(xiàn)大的電流波動，可以節(jié)約高達50%的功率損耗。Wolfe表示Microchip最新PolarFire與同類器件28nm產(chǎn)品相比，其算力能做到其他器件2.6 倍GOPS/W。

Microchip基于ADAS技術(shù)一攬子解決方案

在政策、互聯(lián)網(wǎng)跨界競爭、消費者內(nèi)在需求等因素驅(qū)動下，ADAS滲透率將快速提升。也有一些低端車型，也開始搭載部分ADAS功能，提升賣點。

Microchip基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)解決方案

Microchip推出LAN937X系列TSN交換器件。作為業(yè)界符合IEEE 802.1AS標準的功能的交換解決方案，可實現(xiàn)更低延遲的數(shù)據(jù)流量和更高的時鐘精度。下一步，Microchip還會推出集成1000 BASE TI PHY的LAN969X系列產(chǎn)品。

TSN可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，但是，由于時鐘晶體存在頻偏差異，可能引發(fā)不同節(jié)點之間的頻率誤差，為了解決頻偏問題，人們通常會在節(jié)點中，采用PLL鎖相環(huán)和VCXO來鎖定時鐘頻率。同時，為了更進一步同步GPS的1PPS時鐘，還需要同步1PPS時鐘。Microchip的ZL307XX系列集成5個PLL ，支持1PPS，SYNCE。滿足大部分以太網(wǎng)時間同步要求。目前，Microchip已經(jīng)和部分車企展開合作，開始評估Microchip的時鐘解決方案。

圖13 Microchip TSN解決方案

LAN93XX搭配1000BASE-T1 PHY LAN887X，配合同步數(shù)字鎖相環(huán) ZL307XX的精確計時的IEEE 1588v2和IEEE 802.1AS-2020、用于多傳感器時間同步，符合IEEE P802.1Qci、IEEE P802.1Qav等，可以滿足ADAS實時聯(lián)網(wǎng)的需求。針對低端市場，Microchip的LAN937X配合100BASE-T1 LAN8770，也可以滿足客戶需求。

Microchip首款車用PCIe交換機介紹

2022年2月，Microchip宣布推出市場上首款汽車級認證的PCIe交換機PM430XX/PM440XX。新發(fā)布的PFX、PSX和PAX交換機解決方案為ADAS提供了尖端的計算互連能力，第4代PCIe交換機提供高速互連，支持ADAS架構(gòu)中的分布式實時安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理。

圖14 Microchip PCIe SWITCH解決方案

Microchip基于FLASH

工藝的低功耗FPGA介紹

因為Microchip所采用Flash工藝這一獨特的工藝制程，其功耗最多只有相同制式的FPGA的50%。

在ADAS機器視覺算法應(yīng)用中，采用Microchip的FPGA做攝像頭前端采樣、預處理，圖像拼接等應(yīng)用中，有著很好的表現(xiàn)。

Microchip帶功能安全的PolarFire FPGA系列內(nèi)置安全加密認證、可以保護設(shè)計、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)不受攻擊，F(xiàn)lash自帶SEU免疫性能的FPGA，是數(shù)據(jù)中心、工業(yè)、汽車和航空航天應(yīng)用的理想之選。

圖15Microchip基于Flash工藝

FPGA與友商的功耗比較

除此之外，Microchip集成功能安全的MCU、DCDC、USB HUB、AES加密芯片，以及諸如CAN、LIN總線等，也是ADAS和汽車行業(yè)應(yīng)用的主流方案。針對Microchip基于ADAS技術(shù)一攬子解決方案，Excelpoint世健都提供相應(yīng)的技術(shù)支持和指導，降低視覺算法算力的功耗，提高效率，助力自動駕駛技術(shù)發(fā)展。