Excelpoint - 技術(shù)前瞻-能源危機下輔助駕駛算力技術(shù)路線展望-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯Excelpoint-技術(shù)前瞻——能源危機下輔助駕駛算力技術(shù)路線展望-設(shè)計應(yīng)用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Tier1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。

圖1視覺算法引發(fā)功率消耗問題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（IEEE1588）時間同步。對于ADAS來說，主要采用的是時間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN（TimeSensitiveNetwork）技術(shù)。

圖4時間敏網(wǎng)絡(luò)技術(shù)TSN原理TSN初于音視頻領(lǐng)域EthernetAVB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（TimeAwareShaper）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6PCI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-X2.0。PCI總線在發(fā)展到PCI-X2.0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(dǎo)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)消息，PCIe剛剛已經(jīng)發(fā)布PCIe6.0和PCIe7.0規(guī)范。

圖9PCIe總線技術(shù)提升傳輸速率不同技術(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)隨機存儲器工藝為單元。

圖10SRAM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11SRAM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(dǎo)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WolfeYu介紹了Microchip推出的一種基于疊柵MOS的Flash架構(gòu)FPGA處理器。

圖12Flash架構(gòu)FPGA與SRAM架構(gòu)FPGA的差別Flash架構(gòu)的FPGA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MicrochipPolarFire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IEEE802.1AS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1000BASETIPHY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13MicrochipTSN解決方案LAN93XX搭配1000BASE-T1PHYLAN887X，配合同步數(shù)字鎖相環(huán)ZL307XX的計時的IEEE1588v2和IEEE802.1AS-2022、用于多傳感器時間同步，符合IEEEP802.1Qci、IEEEP802.1Qav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-T1LAN8770，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14MicrochipPCIeSWITCH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(yù)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PolarFireFPGA系列內(nèi)置安全加密、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。