為什么嵌入式FPGA（eFPGA）IP是ADAS應(yīng)用的理想選擇？

作者：Pascal Ravillion，Achronix產(chǎn)品營(yíng)銷高級(jí)經(jīng)理

了解eFPGA IP的基礎(chǔ)知識(shí)，它的優(yōu)點(diǎn)，以及為什么它將成為未來(lái)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）技術(shù)的關(guān)鍵要素。

提高汽車電氣化和自動(dòng)駕駛的一個(gè)主要方面是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的普及。如今，這些系統(tǒng)正迅速應(yīng)用于市場(chǎng)上幾乎所有的車輛，而且隨著技術(shù)的成熟，這一趨勢(shì)只會(huì)持續(xù)下去。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，ADAS設(shè)計(jì)人員面臨的硬件挑戰(zhàn)變得越來(lái)越復(fù)雜。在本文中，我們將介紹ADAS的硬件需求，FPGA如何填補(bǔ)這些空白，以及為什么eFPGA IP將成為下一個(gè)ADAS硬件趨勢(shì)。

ADAS的硬件要求

ADAS在現(xiàn)代汽車中的發(fā)展給底層硬件帶來(lái)了一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在像ADAS這樣的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中，最重要的目標(biāo)是確保車輛乘員的安全。這個(gè)目標(biāo)要求系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠和實(shí)時(shí)地工作（即低延遲）。同時(shí)，這些系統(tǒng)需要在盡可能低的功耗下運(yùn)行，以保持電池壽命并延長(zhǎng)電動(dòng)汽車（Electric Vehicle）的續(xù)航里程。

圖：ADAS給計(jì)算硬件造成了巨大壓力

平衡這些需求對(duì)ADAS來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)往往依賴于大量的數(shù)據(jù)和計(jì)算密集型的任務(wù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)算法。因此，ADAS硬件必須獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)傳感器融合匯集數(shù)據(jù)，運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法，然后采取行動(dòng)——所有的都需要實(shí)時(shí)運(yùn)行，并以最低的功耗預(yù)算——這顯然不是一件容易的事。
汽車設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)靈活且可擴(kuò)展的硬件平臺(tái)來(lái)滿足快速發(fā)展的規(guī)格變化，這進(jìn)一步加劇了這一挑戰(zhàn)。

硬件加速和FPGA

為了解決ADAS硬件面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員正在采用專用硬件加速器來(lái)提高性能，而不是傳統(tǒng)的基于CPU的架構(gòu)。從比較常規(guī)的計(jì)算資源（如CPU或GPU）轉(zhuǎn)移，通過(guò)專用硬件加速器為特定應(yīng)用程序提供了更好的性能和能效?；谠诖朔秶鷥?nèi)，選擇通常介于FPGA和ASIC之間，F(xiàn)PGA提供最大的靈活性，ASIC提供最高的性能。

FPGA的一個(gè)關(guān)鍵特性是FPGA能夠提供高級(jí)別的并行性，同時(shí)仍然可以針對(duì)特定的工作負(fù)載進(jìn)行編程。結(jié)果表明，F(xiàn)PGA在工作負(fù)載加速方面提供了顯著的價(jià)值，特別是在性能和延遲作為關(guān)鍵的情況下。此外，與比較常規(guī)的CPU和基于GPU的系統(tǒng)相比，F(xiàn)PGA可以給需要加速的工作負(fù)載提供每瓦最佳的性能，從而幫助系統(tǒng)平衡性能和功率效率之間的權(quán)衡。

同樣重要的是，由于FPGA可編程特性，其在可擴(kuò)展性方面比ASIC更具優(yōu)勢(shì)。這種適應(yīng)性在如ADAS等底層算法瞬息萬(wàn)變的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中尤為重要。此外，ASIC的規(guī)格必須提前幾年定義，而FPGA可以在一分鐘內(nèi)更新和重新編程。此功能使基于FPGA 的ADAS系統(tǒng)能夠提供ASIC根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的可擴(kuò)展性和多功能性。

由于這些原因以及更多的原因，目前汽車中已經(jīng)搭載了超過(guò)2.5億顆FPGA，其中超過(guò)7500萬(wàn)顆用于ADAS應(yīng)用。

行業(yè)趨勢(shì)：用于ADAS的eFPGA

盡管硬件加速功能強(qiáng)大，但像FPGA和ASIC等器件通常仍無(wú)法完全獨(dú)自運(yùn)行。今天的ADAS解決方案需要將硬件加速器與CPU集成在一起，其目的是在系統(tǒng)級(jí)別處理許多通用型和組織型任務(wù)。正是由于這個(gè)原因，異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)（如異構(gòu)SoC）已經(jīng)成為加速和ADAS平臺(tái)中最常見(jiàn)的平臺(tái)之一。

圖：Achronix的Speedcore IP這樣的eFPGA技術(shù)可以與CPU資源緊密耦合

因此，我們相信ADAS計(jì)算的下一個(gè)主要趨勢(shì)將是嵌入式FPGA（即eFPGA）IP在定制ASIC中的興起。借助eFPGA IP，設(shè)計(jì)人員能夠利用FPGA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)將其硬件加速與其他ASIC子系統(tǒng)（如CPU和I/O接口）緊密耦合。通過(guò)將FPGA與CPU一起嵌入到定制SoC中，與分立式FPGA解決方案相比，eFPGA IP可顯著節(jié)省成本、功耗和空間。

具體來(lái)說(shuō)，我們的評(píng)估表明，與基于FPGA的獨(dú)立系統(tǒng)相比，eFPGA IP集成可以幫助設(shè)計(jì)人員節(jié)省90%的成本、降低75%的功耗、延遲改善100倍、接口帶寬增加10倍。因此，ADAS將在不久的將來(lái)逐步采用基于eFPGA技術(shù)的異構(gòu)解決方案。

Achronix的行業(yè)角色

如今Achronix是唯一一家同時(shí)大批量生產(chǎn)獨(dú)立FPGA芯片和eFPGA IP解決方案的公司。得益于我們的Speedcore eFPGA IP等旗艦產(chǎn)品，迄今為止，我們已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域授權(quán)了超過(guò)1500萬(wàn)個(gè)基于eFPGA的產(chǎn)品。隨著對(duì)ADAS計(jì)算需求的不斷增長(zhǎng)和演進(jìn)，我們認(rèn)為有能力支持這些變化并賦能下一代計(jì)算平臺(tái)。
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