FPGA在汽車行業(yè)的應(yīng)用

新一代 Eyesight 系統(tǒng)采用了賽靈思車規(guī)級(jí)器件，既加快了對(duì)前方物體的測(cè)距速度，又能靈活地以最低成本融入最新的 AI 功能。

近些年，汽車不但主被動(dòng)安全上有了質(zhì)的飛躍，還出現(xiàn)了更先進(jìn)的“預(yù)防性安全”的理念。

美國(guó)高速公路安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)認(rèn)為，汽車配備 ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）可以避免超過(guò)60%的交通事故。

ADAS 利用安裝在車身四周的傳感器，收集車內(nèi)外環(huán)境信息，幫助駕駛員盡可能早地察覺(jué)到危險(xiǎn)，并采取相對(duì)應(yīng)的措施，甚至是系統(tǒng)主動(dòng)干預(yù)車輛的控制，從而在源頭上降低事故的發(fā)生。

在當(dāng)下的汽車市場(chǎng)中，越來(lái)越多的車企開始將 ADAS 作為“標(biāo)配”裝備到量產(chǎn)車上，以往只有豪車車型才有的功能，已經(jīng)逐漸下探至自主品牌的大多數(shù)車型上。

根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，2020年，汽車駕駛輔助、部分自動(dòng)駕駛、有條件自動(dòng)駕駛，新車裝配率超過(guò)50%，網(wǎng)聯(lián)式駕駛輔助系統(tǒng)裝配率達(dá)到10%， ADAS 的總滲透率可達(dá)到50%。

ADAS 也被眾多廠商視為研發(fā)及宣傳重點(diǎn)，在預(yù)防性安全領(lǐng)域有長(zhǎng)期研發(fā)歷史的斯巴魯也是如此。

8月20日，斯巴魯全新一代 LEVORG 在日本正式開啟預(yù)訂。

新車配有最新一代的 EyeSight 主動(dòng)安全系統(tǒng)套裝，車身遍布的360°全景攝像機(jī)，配合賽靈思 SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）的強(qiáng)大運(yùn)算能力，可讓車輛實(shí)現(xiàn)大范圍的碰撞預(yù)防能力，新系統(tǒng)與高清地圖配合，車輛還能夠在臨近彎道時(shí)協(xié)助駕駛者提前進(jìn)行減速，特定條件下還可實(shí)現(xiàn)雙手脫離方向盤的輔助自動(dòng)駕駛。

斯巴魯對(duì)行車安全的執(zhí)著

斯巴魯對(duì)于汽車安全性能的提升一直非常重視，早在1989年它就成立了斯巴魯技術(shù)研究所，致力于研究汽車智能化和機(jī)器人技術(shù)。EyeSight 采用的立體攝像頭技術(shù)從那時(shí)就開始了研發(fā)。斯巴魯作為汽車制造商，也非常自然想到了把立體攝像頭應(yīng)用到汽車之上。

在1991年的東京車展，斯巴魯向外界公布了立體攝像頭概念。1992年，在公司內(nèi)部發(fā)布了安裝了立體攝像頭的汽車。

2008年5月，搭載第一代 EyeSight 系統(tǒng)的力獅正式上市，此時(shí)的預(yù)碰撞系統(tǒng)雖然能進(jìn)行緊急制動(dòng)，但是無(wú)法使車輛完全靜止。

2010年5月，第二代 EyeSight 系統(tǒng)搭載在了第五代力獅上，其預(yù)碰撞系統(tǒng)可在30公里/時(shí)速度下剎停。

第三代 EyeSight 系統(tǒng)在2013年10月發(fā)布，增加了車道保持功能，當(dāng)前車緊急制動(dòng)時(shí)，前后車相對(duì)速度小于50公里/時(shí)，預(yù)碰撞系統(tǒng)能避免事故發(fā)生。目前，該系統(tǒng)的裝車量已經(jīng)超過(guò)了100萬(wàn)輛。

新一代 EyeSight 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

在斯巴魯?shù)娜?LEVORG 上，利用前風(fēng)擋內(nèi)左右兩側(cè)各裝備一顆彩色高成像識(shí)別的攝像頭組成了雙目 ADAS，兼具單目攝像頭的物體識(shí)別能力和激光雷達(dá)的測(cè)距能力。

單目 ADAS 需要在測(cè)距前先識(shí)別障礙物，再進(jìn)行測(cè)距，因此單目攝像頭方案需要大量樣本庫(kù)，在識(shí)別物體后，再?gòu)某上癯叽缁蛘咴趫D像中的位置信息得到距離信息。

而雙目 ADAS 基于人眼視覺(jué)的雙目測(cè)距原理開發(fā)而來(lái)，不需要樣本庫(kù)，將攝像頭拍攝到的各類障礙物實(shí)時(shí)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為距離，通過(guò)計(jì)算與物體的相對(duì)速度和距離實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警、車道偏離預(yù)警等智能駕駛輔助功能。

雙目 ADAS 技術(shù)要求更高，視覺(jué)計(jì)算量更大，因此目前將其商用化的企業(yè)寥寥無(wú)幾，而斯巴魯就是將雙目ADAS系統(tǒng)大規(guī)模用于量產(chǎn)車的少數(shù)車企之一。

在新車開啟預(yù)售前夕，汽車商業(yè)評(píng)論作為中國(guó)汽車專業(yè)媒體，聯(lián)線獨(dú)家采訪了斯巴魯自動(dòng)駕駛及高級(jí)安全業(yè)務(wù)總經(jīng)理柴田英司 （Eiji Shibata） 和賽靈思汽車業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人、高級(jí)總監(jiān) Willard Tu，對(duì)新一代 EyeSight 系統(tǒng)及其背后賽靈思 SoC 的作用進(jìn)行了深入了解。

柴田英司告訴汽車商業(yè)評(píng)論：“我們最首先的目的，是通過(guò)高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)，逐漸消除死亡事故，再進(jìn)一步將事故率降低。為此，必須增加各種技術(shù)和各種零件，系統(tǒng)價(jià)格也會(huì)變高。

但這樣事故并沒(méi)辦法消除，因?yàn)橘I得起的人越來(lái)越少，這就與我們希望降低事故的目的相背離。因此，我們認(rèn)為怎樣能在一般用戶買得起的車上，搭載更先進(jìn)的避免沖撞的安全系統(tǒng)，將成為現(xiàn)實(shí)意義上的關(guān)鍵點(diǎn)。

我們的 Eyesight 系統(tǒng)不用安裝激光雷達(dá)、單目攝像頭，只需安裝立體攝像頭就能全方位地進(jìn)行觀測(cè)，所以能夠以更高精度、更低的價(jià)格完成系統(tǒng)的構(gòu)建，這樣我們就能將該系統(tǒng)搭載在所有車輛上，從而為所有的用戶提供安全特性。”

他表示，新一代 EyeSight 系統(tǒng)對(duì)雙目立體攝像頭進(jìn)行了改進(jìn)，利用賽靈思（Xilinx）基于 FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的異構(gòu)可擴(kuò)展多處理芯片 Zynq UltraScale+? MPSoC 系列，將立體圖像處理成 3D 點(diǎn)云，助力斯巴魯在超低時(shí)延下加速所有數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)前方物體進(jìn)行更快速、更準(zhǔn)確的識(shí)別。

同時(shí)，還可以借助可編程芯片特有的靈活性通過(guò)軟件反復(fù)編程硬件，不斷地適應(yīng)、改進(jìn)、更新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以最快速度、最低成本融入最新的 AI 功能，并滿足不斷變化的場(chǎng)景需求。

新的 EyeSight 系統(tǒng)通過(guò)升級(jí)立體攝像頭拓寬了整個(gè)前方的視角，在提升數(shù)據(jù)處理能力的同時(shí)，通過(guò)追加四角雷達(dá)來(lái)達(dá)到全方位感應(yīng)，進(jìn)行協(xié)同控制。

除了自動(dòng)緊急制動(dòng)、自適應(yīng)巡航控制和車道保持輔助等功能，新系統(tǒng)還可識(shí)別相鄰車道是否有車存在、是否從相鄰車道有車在靠近，增強(qiáng)了在十字路口避免發(fā)生事故的能力。當(dāng)駕駛員分神時(shí)，新的 EyeSight 可以提醒駕駛員，避免出現(xiàn)事故。

在高速公路上面，車輛搭載新的 EyeSight 系統(tǒng)之后，基于彎道預(yù)測(cè)、自動(dòng)減速的主動(dòng)變道輔助功能，通過(guò)高精度地檢測(cè)臨近車輛，隨時(shí)對(duì)路面的情況進(jìn)行檢測(cè)反饋，并且輔助糾正駕駛員的駕駛行為。

為何斯巴魯會(huì)選擇賽靈思

柴田英司在接受采訪時(shí)稱：“我們的目標(biāo)是只憑借一定質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)就能進(jìn)行處理，以更大視野捕捉到遠(yuǎn)處的物體，因此賽靈思這種高效能器件的構(gòu)思是實(shí)現(xiàn)我們目標(biāo)的最佳選擇。

在前一版本上我們使用了 ASIC（Application Specific Integrated Circuit 特定用途集成電路），但是用 ASIC 時(shí)，我們始終無(wú)法做到像現(xiàn)在采用賽靈思車規(guī)級(jí)器件這樣，可以隨時(shí)使用最新程序?qū)δ苓M(jìn)行擴(kuò)展，而且賽靈思器件在耗能方面也非常領(lǐng)先，是一款非常高效的車規(guī)級(jí)器件?！?/p>

賽靈思汽車業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人、高級(jí)總監(jiān) Willard Tu 向汽車商業(yè)評(píng)論介紹了 EyeSight 系統(tǒng)上所用賽靈思車規(guī)級(jí) Zynq UltraScale+? MPSoC 的性能。

基于賽靈思16納米技術(shù)，Zynq UltraScale+? MPSoC 同時(shí)擁有強(qiáng)大的流水線并行和數(shù)據(jù)并行運(yùn)算能力，既可以用于 AI 邊緣計(jì)算，也可以用于域控制器，無(wú)論是在車的擋風(fēng)玻璃還是在汽車其他部件上，都可以滿足 ADAS 的要求。

它不僅能提供適合的性能功耗比，還可提供至關(guān)重要的功能安全性和保密性功能，因而非常適用于各種汽車客戶的平臺(tái)。另外，除了器件本身的先進(jìn)性、可擴(kuò)展性，賽靈思產(chǎn)品的高質(zhì)量和可靠性也是有口皆碑的。

賽靈思于 1984 年發(fā)明了世界首款 FPGA，也是目前 FPGA 市場(chǎng)的 No.1，年收入超過(guò) 30 億美元。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于通信、航空航天、汽車、醫(yī)療、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

賽靈思進(jìn)入汽車行業(yè)已經(jīng)有超過(guò)15年的歷史。迄今為止，賽靈思在汽車領(lǐng)域的全球合作伙伴超過(guò)200家，涵蓋了全球所有主流的 Tier 1、整車制造商以及各種初創(chuàng)型企業(yè)。

截至目前，全球汽車系統(tǒng)中應(yīng)用了超過(guò)1.9億片賽靈思車規(guī)級(jí)器件，其中超過(guò)7500萬(wàn)片專門用于量產(chǎn)型 ADAS。

賽靈思汽車業(yè)務(wù)穩(wěn)步增長(zhǎng)

賽靈思在 ADAS 領(lǐng)域參與了很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，其產(chǎn)品也是完全符合車規(guī)極的嚴(yán)酷要求，比如用在斯巴魯 EyeSight 上的 Zynq UltraScale+? MPSoC 系列就已通過(guò) Exida 認(rèn)證，符合 ISO 26262 ASIL-C 級(jí)的安全規(guī)范。產(chǎn)品可靠的質(zhì)量，也是斯巴魯選擇賽靈思車規(guī)級(jí)器件的一大理由。

FPGA 在汽車行業(yè)的應(yīng)用

之所以新一代 EyeSight 系統(tǒng)具備如此強(qiáng)大的功能，很大程度上要?dú)w功于賽靈思具備適應(yīng)技術(shù)與靈活應(yīng)變的 FPGA 器件。

作為異構(gòu)計(jì)算器界非常復(fù)雜的 SoC，F(xiàn)PGA 的門電路與存儲(chǔ)器之間的連線，可以由用戶通過(guò)燒入的配置文件來(lái)定義，而且這種燒入不是一次性的 。因此，它既解決了定制電路靈活性的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

目前汽車芯片分為主控芯片（Master control chip）和功能芯片（（Micro Control Unit），而主控芯片主要包括 GPU、FPGA 和 ASIC 。

GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理器）是通用型芯片，提供了多核并行計(jì)算的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，且核心數(shù)非常多，可以支撐大量數(shù)據(jù)的并行計(jì)算，擁有更高的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，更適合自動(dòng)駕駛深度學(xué)習(xí)的運(yùn)算。

但 GPU 硬件結(jié)構(gòu)固定，不具備可編程性，運(yùn)行深度學(xué)習(xí)算法能效低于 FPGA，而且管理控制能力弱，功耗高。

ASIC 根據(jù)產(chǎn)品的需求進(jìn)行特定設(shè)計(jì)和制造的集成電路，能夠在特定功能上進(jìn)行強(qiáng)化，具有更高的處理速度和更低的能耗。

但目前研發(fā)成本（開模成本）高昂，開發(fā)周期和驗(yàn)證周期長(zhǎng)，對(duì)于安全性能要求不斷變化的汽車市場(chǎng)，固化的 ASIC 并不能滿足這些要求，并且如果產(chǎn)品規(guī)模不夠大，單品成本也下不來(lái)。

FPGA 本質(zhì)上是無(wú)指令、無(wú)需共享內(nèi)存的體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)流水線并行和數(shù)據(jù)并行，可以達(dá)到比 GPU 更高的并發(fā)處理速度。作為半定制的硬件，它支持通過(guò)編程可定義單元配置和鏈接架構(gòu)，具有較強(qiáng)的靈活性，可以適應(yīng)相對(duì)更多種的算法。

不過(guò)，F(xiàn)PGA 行業(yè)技術(shù)壁壘相當(dāng)高，一個(gè) FPGA 公司相當(dāng)于半個(gè) IC 設(shè)計(jì)公司+半個(gè)軟件公司，硬件版圖及布線復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大，軟硬協(xié)同再提研發(fā)難度，在生態(tài)上開發(fā)者人數(shù)較少，有能力進(jìn)入 FPGA 領(lǐng)域的企業(yè)并不多。

也正因?yàn)樵擃I(lǐng)域企業(yè)不多，相對(duì) GPU、ASIC 等產(chǎn)品，F(xiàn)PGA 芯片利潤(rùn)率相當(dāng)高。中低密度百萬(wàn)門級(jí)、千萬(wàn)門級(jí) FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)利潤(rùn)率接近50%，高密度億門級(jí) FPGA 芯片研發(fā)企業(yè)利潤(rùn)率近70%。

根據(jù) 《恒州博智信息咨詢 |半導(dǎo)體集成電路芯片市場(chǎng)分析報(bào)告》的數(shù)據(jù)，2019 年全球集成電路市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到4376億美元；根據(jù) Gartner 的數(shù)據(jù)，2019 年全球 FPGA 市場(chǎng)規(guī)模為69億美元。

雖然FPGA市場(chǎng)規(guī)模目前不算大，但隨著 FPGA 器件被廣泛用作5G 基站、汽車終端設(shè)備、邊緣計(jì)算設(shè)備的核心器件，下游市場(chǎng)確定性增量需求增加，市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大，前景看好。

全球 FPGA 市場(chǎng)早期由美國(guó)兩大巨頭（賽靈思、Altera）高度壟斷，最近經(jīng)市場(chǎng)一系列并購(gòu)行為及初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)影響，國(guó)際市場(chǎng)第一梯隊(duì)陣營(yíng)擴(kuò)容，包括賽靈思、英特爾、Lattice、Microsemi、Achronix、Flexlogic、Quicklogic 等。

中國(guó)較知名的 FPGA 研發(fā)企業(yè)有紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體、安路科技、遨格芯微、復(fù)旦微電子、智多晶、京微齊力、聯(lián)捷科技、深維科技和傲睿智存等，目前技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平差距較遠(yuǎn)。

在全球市場(chǎng)，賽靈思和英特爾（收購(gòu)了第二大 FPGA 公司 Altera）合計(jì)占市場(chǎng)份額近 90%，其中賽靈思的市場(chǎng)份額56%，英特爾31%。中國(guó) FPGA 市場(chǎng)中，賽靈思份額超過(guò)50%，英特爾份額接近30%。由于技術(shù)、資金、人才上的壁壘及 FPGA 量產(chǎn)帶來(lái)的規(guī)模效益，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者地位較為穩(wěn)定。

據(jù) Willard Tu 介紹，F(xiàn)PGA 通過(guò)并行計(jì)算和同步處理，不但可以降低延遲，還可以使時(shí)鐘頻率更慢。更低的延遲對(duì)于需要實(shí)時(shí)進(jìn)行做出反應(yīng)的 ADAS 和自動(dòng)駕駛至關(guān)重要；而降低時(shí)鐘頻率能帶來(lái)顯著的功耗下降，低功耗也意味著更少的熱負(fù)荷，對(duì)于安裝在擋風(fēng)玻璃、車頂內(nèi)襯和其它高環(huán)境溫度區(qū)域的器件更為有利。

因?yàn)?ADAS 和自動(dòng)駕駛需要很多的創(chuàng)新和非常復(fù)雜的編程，而且也需要很多的時(shí)間做檢測(cè)和驗(yàn)證，所以芯片的適應(yīng)性非常重要。

賽靈思的FPGA器件大多采用引腳兼容的封裝，開發(fā)人員可以根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)硬件，以承載低、中、高版本的 ADAS 功能包，并根據(jù)需要通過(guò)選擇所需的最小密度器件來(lái)縮放成本。

FPGA 器件還可以用相同的器件來(lái)服務(wù)多代的產(chǎn)品。而如果用 ASIC，換代產(chǎn)品需要開發(fā)全新的芯片，對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的隱性成本。

賽靈思 FPGA 還具備獨(dú)特的動(dòng)態(tài)功能交換（DFX，Dynamic Function eXchange）功能，允許開發(fā)人員創(chuàng)建獨(dú)特的差異化處理解決方案，用一個(gè) SoC 來(lái)提供兩個(gè)完全相互排斥的功能。

比如在斯巴魯汽車上，當(dāng)處于高速公路駕駛模式時(shí)，賽靈思的車規(guī)級(jí)器件可以作為前置攝像頭設(shè)計(jì)，但是當(dāng)處于低速模式時(shí)，斯巴魯可以將相同的器件重新編程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車/360°環(huán)視影像功能。

Willard Tu 認(rèn)為，大部分對(duì)于 FPGA 劣勢(shì)的描述來(lái)自對(duì)成本的歷史成見(jiàn)，有些客戶可能會(huì)認(rèn)為 FPGA 非常貴，不適用于量產(chǎn)。其實(shí)從90 nm 節(jié)點(diǎn)開始，賽靈思器件在汽車行業(yè)就已經(jīng)極具成本效益，否則就不會(huì)有超過(guò)1.9億片賽靈思車規(guī)級(jí)器件在汽車行業(yè)獲得應(yīng)用。

他表示：“如果賽靈思提供的這些功能沒(méi)有很好的性價(jià)比的話，斯巴魯肯定也不會(huì)選擇我們的器件來(lái)開發(fā)他們的 EyeSight 系統(tǒng)?！?/p>

在 ADAS 和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，賽靈思的車規(guī)級(jí)器件目前不僅用于前置攝像頭，還用于電子后視鏡、激光雷達(dá)、長(zhǎng)距離雷達(dá)、全景環(huán)視后視攝像頭、車艙內(nèi)監(jiān)控?cái)z像頭及域控制器中。

對(duì)于未來(lái)的展望

對(duì)于在 ADAS 領(lǐng)域的未來(lái)，Willard Tu 充滿了信心：

賽靈思在前置攝像頭上面目前市場(chǎng)排名是第二位，預(yù)計(jì)前置攝像頭的功能在2020-2023年會(huì)成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的配置。而駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)緊急制動(dòng)，也是賽靈思關(guān)注的兩個(gè)熱門配置。

對(duì)于自動(dòng)駕駛，他認(rèn)為賽靈思在激光雷達(dá)方面做得非常好，幾乎占到了100%的市場(chǎng)份額。另外，他也十分看好使用無(wú)線電波的4D 成像雷達(dá)，其性能與激光雷達(dá)非常相似，分辨率低一些，也能提供點(diǎn)云，提供高度、速度、距離、角度等數(shù)據(jù)。

對(duì)于未來(lái)的研發(fā)，Willard Tu 表示，賽靈思已經(jīng)開始意識(shí)到，從16納米到7納米再到5納米，制程的改進(jìn)不一定是優(yōu)化性能的最佳路徑。因此，賽靈思在7納米的節(jié)點(diǎn)上，開發(fā)了一個(gè)全新的 AI 引擎，通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提升處理能力。

賽靈思的另一個(gè)技術(shù)方向是改進(jìn)封裝技術(shù)，希望能夠提高散熱能力，以便將很多的處理器聚集在一起。不過(guò)，這種新技術(shù)不需要很多主動(dòng)熱處理能力，因?yàn)檫@有可能會(huì)提高成本。

而對(duì)于斯巴魯 EyeSight 系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展，柴田英司表示：

2020年，斯巴魯將導(dǎo)入新一代 EyeSight 高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)；我們正在調(diào)查各種各樣的技術(shù)在各個(gè)城市的成本將是多少、性能將到達(dá)什么程度、對(duì)降低事故的效果有多少等。

到2025年，我們搭載的將是性價(jià)比最高的技術(shù)、傳感器。

不管怎樣，如何能實(shí)現(xiàn)駕駛員、行人等所有交通參與者的安全，是我們最重要的事。再將來(lái)，或許可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，但我認(rèn)為首先實(shí)現(xiàn)駕駛員輔助技術(shù)的演進(jìn)是最優(yōu)先級(jí)的。
責(zé)任編輯：tzh