Lattice Drive：引領(lǐng)智能駕駛進(jìn)步之道

多家市場分析機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)表明，盡管遭遇種種不利因素，但2023年市場對功能先進(jìn)的電動和混合動力汽車的需求依然強(qiáng)勁。麥肯錫公司預(yù)測稱，到2030年，全球汽車軟件和電子市場預(yù)計將達(dá)到4620億美元，信息娛樂、互連、安全和連接服務(wù)應(yīng)用與整體軟件市場同步增長，將成為同期第二大軟件市場。

而IHS Markit的數(shù)據(jù)則顯示，2023年，汽車電子系統(tǒng)總額預(yù)計將高達(dá)1800億美元，平均每輛汽車會使用500美元以上的半導(dǎo)體器件，高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、動力系統(tǒng)和車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI)位列增幅最大的應(yīng)用前三位，成為客戶在購買新車時考慮的最重要的三大功能。

車載信息娛樂系統(tǒng)迎來爆發(fā)式增長

車載信息娛樂系統(tǒng)快速增長的背后，離不開智能座艙市場的推動。Strategy Analytics對2020年中國智能座艙發(fā)展?fàn)顩r的分析數(shù)據(jù)就顯示：前裝聯(lián)網(wǎng)率為60%，車載中控屏搭載率達(dá)到80%，車載導(dǎo)航的搭載率達(dá)到57%，車載語音識別的搭載率為58%，市場發(fā)展速度非?？欤谌蚴袌鎏幱陬I(lǐng)先水平。

尤其是在當(dāng)前“軟件定義汽車”的大環(huán)境下，智能座艙的集成主要呈現(xiàn)“一芯多系統(tǒng)”的特點(diǎn)，即將液晶儀表、HUD、車載信息娛樂系統(tǒng)、DMS&OM、語音識別以及ADAS功能融合在一起，為用戶帶來更直觀、更個性化的駕乘體驗(yàn)。

而且，根據(jù)車輛的不同，這些系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出多種形式，從單個觸摸屏顯示器到用于中央娛樂中心、儀表盤、平視顯示器和后座顯示器的多個高分辨率顯示器，以及曲面、后視鏡顯示器、3D、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等更多選項(xiàng)。

在可預(yù)見的未來，智能座艙所代表的“車載信息娛樂系統(tǒng)＋全液晶儀表+電子后視鏡＋HUD抬頭顯示系統(tǒng)＋車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)＋ADAS各種功能”的融合體，將擁有更加多樣化的人機(jī)交互HMI(語音、手勢、AR抬頭顯示、融合導(dǎo)航指示），更大更高分辨率(12inch+,4K)的屏幕, 流暢的屏屏互動功能，多模態(tài)的艙內(nèi)傳感器(攝像頭、毫米波雷達(dá)），更豐富的車機(jī)軟件，同時能把座艙數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的整合以帶來更便利的體驗(yàn)。

但美好愿景的背后也隱藏著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，這些系統(tǒng)需要處理的信息復(fù)雜度越來越高，信息量也越來越大，需要可擴(kuò)展且靈活的硬件和軟件解決方案；其次，先進(jìn)的電子元件需要高速接口來支持多個顯示器的連接和同步，而低功耗、低延遲數(shù)據(jù)處理也變得至關(guān)重要；第三，隨著信息娛樂和ADAS系統(tǒng)的發(fā)展，顯示器和攝像頭的分辨率也在提高，同時連接和處理多個高分辨率顯示器、傳感器和攝像頭變得極具挑戰(zhàn)。

好消息是，許多汽車制造商正在利用“區(qū)域架構(gòu)”來解決上述挑戰(zhàn)。簡單而言，就是整個汽車電子電氣架構(gòu)由過去幾十個甚至上百個ECU組成的“分布式系統(tǒng)”，向更少的ECU、更集中的“基于域的系統(tǒng)”演進(jìn)。這樣的“區(qū)域架構(gòu)”提供了更好的可擴(kuò)展性，支持更簡單的軟件開發(fā)，具有更優(yōu)化的功能和可靠性，該架構(gòu)中傳感器、計算和互連元件組合到不同的“計算區(qū)域”中，然后這些區(qū)域的計算結(jié)果被發(fā)送到主SoC芯片。

同時，隨著顯示器、攝像頭和其他視覺傳感器數(shù)量的增加，以及設(shè)計用于管理更高數(shù)據(jù)速率的新接口超過了中央SoC的I/O功能，高效的橋接對于組合、多路復(fù)用或分離信號至關(guān)重要。FPGA就是非常合適的選擇，因?yàn)樗旧砭哂徐`活性、可執(zhí)行各種功能、而且尺寸較小。一輛車中用到多個FPGA，且每個FPGA都可以支持不同應(yīng)用的例子十分常見。

利用Lattice Drive加速汽車應(yīng)用開發(fā)

Lattice Drive是萊迪思為幫助客戶加速開發(fā)先進(jìn)、靈活的汽車系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用，包括車載信息娛樂顯示屏互連和數(shù)據(jù)處理、ADAS傳感器橋接和處理、低功耗區(qū)域橋接等應(yīng)用而推出的解決方案集合，一舉將萊迪思針對不同市場應(yīng)用的軟件解決方案集合拓展到了汽車市場。

與此前推出的sensAI、mVision、Sentry和Automate等解決方案的架構(gòu)類似，Drive的底層硬件平臺提供了模塊化FMC適配器/CertusPro-NX評估版；嵌入式DisplayPort TX開發(fā)板、DisplayPort接收器/發(fā)送器開發(fā)板；以及CertusPro-NX PCIe橋接開發(fā)板，在此之上是一系列IP核(DisplayPort RX/TX、視頻縮放器、局部調(diào)光演示+LED驅(qū)動器等)、軟件工具(RADIANT、Propel)、參考設(shè)計與演示和定制設(shè)計服務(wù)，共同構(gòu)成了完整的Drive方案。

LattcieDrive解決方案集合

作為萊迪思第六款針對特定應(yīng)用的軟件解決方案集合，首發(fā)版本的Lattice Drive主要關(guān)注車載信息娛樂顯示屏互連和數(shù)據(jù)處理功能，可提供以下三方面的創(chuàng)新車載體驗(yàn)：

l先進(jìn)的顯示屏互連和處理

?支持多分辨率縮放，最高支持4K顯示尺寸

?最高支持HBR 3 DisplayPort，每通道8.1Gbps

?通過可擴(kuò)展的全陣列局部調(diào)光解決方案提供圖像/視頻增強(qiáng)

適用于汽車LCD面板的自適應(yīng)全陣列局部調(diào)光解決方案是本次首發(fā)版本的絕對亮點(diǎn)。當(dāng)前，為了提高普通液晶顯示屏的顯示效果并增加對比度，許多車廠開始嘗試將局部調(diào)光(LocalDimming)技術(shù)應(yīng)用于車載顯示屏中，以此找到一個具備出色性價比的平衡點(diǎn)。

從技術(shù)角度來看，全陣列局部調(diào)光技術(shù)在LCD面板后面使用了一組LED，每個LED或LED區(qū)域能夠單獨(dú)調(diào)光，僅照亮顯示器上所需的像素，從而動態(tài)適應(yīng)顯示器的圖像內(nèi)容。同時，汽車應(yīng)用中的局部調(diào)光也是一個計算密集型功能，因?yàn)樗璧?a target="_blank">算法相對復(fù)雜——除了考慮各個分區(qū)外，軟件還必須持續(xù)監(jiān)控照明條件，它會隨著汽車的行駛而不斷變化，如白天和黑暗、不同的天氣條件、通過隧道等。

同樣的局部調(diào)光技術(shù)還可用于汽車的平視顯示器(HUD)，這些顯示器通常用于將駕駛信息投射到擋風(fēng)玻璃上，例如汽車的速度，導(dǎo)航指令或警告。HUD的局部調(diào)光不僅增強(qiáng)了可視性，還能提供更加無縫的體驗(yàn)。

在與萊迪思設(shè)計合作伙伴Parretto和顯示方案合作伙伴Lincoln Technologies Solutions合作開發(fā)的一款設(shè)計演示中，萊迪思使用了RaspberryPi Zero流作為視頻源，視頻參數(shù)為720p，每秒50幀(FPS)，使用GPIO連接CertusPro-NX評估板上的CertusPro-NX器件。視頻縮放器IP使用多相縮放算法將50 FPS的720p視頻處理為2160p/50Hz。

局部調(diào)光IP根據(jù)視頻流的內(nèi)容動態(tài)控制面板的全LED陣列背光。最后，DisplayPort TX IP接收2160p50FPS的視頻，并以DisplayPort HBR 2數(shù)據(jù)速率將其以四通道流式傳輸?shù)矫姘濉?K面板顯示2160p/50 Hz視頻，同時動態(tài)調(diào)整全LED陣列背光。

DisplayPort、縮放器和局部調(diào)光演示，將帶有全陣列局部調(diào)光功能的720p視頻升級到2160p視頻

所以，與其它類型的處理器相比，F(xiàn)PGA在汽車LCD面板中實(shí)現(xiàn)局部調(diào)光更具優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁?shí)時處理能力，能夠在分區(qū)數(shù)、視頻分辨率、視頻接口、客制化性能支持等方面提供足夠的靈活性、低延遲和12位內(nèi)部處理精度，有著更高的可靠性，以及運(yùn)行AI和ML算法的能力。

例如用戶可以在FPGA中添加更多圖像增強(qiáng)功能，包括旋轉(zhuǎn)，視頻縮放(Video Scaler)等；用于故障安全模式的屏幕顯示(OSD)若未檢測到視頻，則顯示車速等……這些都無疑大大增加了客戶在系統(tǒng)設(shè)計中的選擇余地，能夠更好地滿足不同的需求。

l多個顯示屏互連

?可橋接多個顯示器，提供比同類品快1.5倍的DisplayPort接口

隨著車載顯示大屏化、多屏化、高清化和多形態(tài)化趨勢日趨明顯。很多新車搭載的屏幕數(shù)量均突破了2塊，部分車型甚至達(dá)到了4-5塊。隨著車內(nèi)顯示屏數(shù)量和尺寸的增加，人們對顯示質(zhì)量提出了新的要求，希望能夠獲得更高的色域，更高的對比度等等。特別是為了緩解里程焦慮，如何提升大尺寸屏幕效率，使之更省電，會是未來幾年行業(yè)面臨的共同課題。

讓我們看一下能夠?qū)崿F(xiàn)DisplayPort互連，包括視頻像素升級的Lattice Drive DisplayPort和視頻縮放器參考設(shè)計。該參考設(shè)計基于CertusPro-NX器件。視頻源為萊迪思DisplayPort RX IP(DP RX)提供720p和每秒60幀(fps)的視頻流。然后，萊迪思視頻縮放器IP使用雙立方插值算法將視頻信號放大為1080p和60fps。最后，該視頻信號通過萊迪思DisplayPort TX IP(DP TX)發(fā)送到視頻接收端。此外，該參考設(shè)計還附帶一個仿真環(huán)境。

Lattice DriveDisplayPort和視頻縮放器參考設(shè)計

該參考設(shè)計的測試平臺具有AXI流數(shù)據(jù)生成器和DPTX IP模型，可為參考設(shè)計(RD)提供激勵。該測試平臺也是DPRX IP模型的實(shí)例，用于接收來自RD的DP輸出，同時還是一個AXI流數(shù)據(jù)檢查器，將輸出與AXI流發(fā)生器的輸入進(jìn)行比較。該參考設(shè)計和測試環(huán)境可以修改為不同配置，方法是將DP和視頻縮放器IP替換為與符合新配置的IP。

l高效的數(shù)據(jù)處理

? 能夠處理或協(xié)同處理數(shù)據(jù)以分擔(dān)CPU的負(fù)載

?功耗比同類競品低75%

出色的性能表現(xiàn)源于CertusPro-NX汽車級FPGA系列產(chǎn)品。這是萊迪思面向車載信息娛樂(IVI)系統(tǒng)高速視頻互連、5GbE車載網(wǎng)絡(luò)(IVN)和ADAS傳感器數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用，推出的擁有領(lǐng)先的低功耗、高性能以及同類產(chǎn)品最小尺寸的FPGA產(chǎn)品。

與競品相比，CertusPro-NX汽車級器件支持高達(dá)8.1Gbps的SERDES、高達(dá)96k的邏輯單元，支持主流的通信和顯示接口，如10GigabitEthernet、PCI Express、SLVS-EC、CoaXPress和DisplayPort。不但擁有同類產(chǎn)品中最多的片上存儲器資源以實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)處理，且是同類產(chǎn)品中唯一支持LPDDR4外部存儲器的FPGA產(chǎn)品。

憑借對高速SERDES的支持，CertusPro-NX汽車級產(chǎn)品還增加了很多獨(dú)特的功能，支持橋接信息娛樂系統(tǒng)SoC的視頻輸入以及圖像質(zhì)量增強(qiáng)功能，包括局部調(diào)光，F(xiàn)PGA直接視頻處理，支持嵌入式顯示端口。該系列器件可以分擔(dān)系統(tǒng)的視頻增強(qiáng)功能，同時添加更多連接功能(如下圖所示)。

結(jié)語

Drive解決方案集合不是萊迪思在汽車領(lǐng)域的首次嘗試。事實(shí)上，面向汽車照明、信息娛樂系統(tǒng)和遠(yuǎn)程信息處理等通用需求；高速視頻和傳感器；汽車設(shè)計中的平臺管理和安全應(yīng)用三大方向，萊迪思有著非常完整且豐富的產(chǎn)品布局，并正憑借完整的“模塊化硬件平臺+參考設(shè)計+神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)IP核+定制設(shè)計服務(wù)”矩陣，幫助用戶加速、簡化汽車相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計流程和上市時間。