技術(shù)前瞻——能源危機(jī)下輔助駕駛算力技術(shù)路線展望 ADAS高功耗、低效率所帶來(lái)的能源危機(jī)

新能源車發(fā)熱和能耗問(wèn)題

根據(jù)中國(guó)國(guó)家應(yīng)急管理部門統(tǒng)計(jì)，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(dòng)車發(fā)生自燃。電動(dòng)車起火的原因主要是以下幾點(diǎn)：電池過(guò)熱、電池老化、電池遭受碰撞、高負(fù)荷運(yùn)行等等。其中，電池的高負(fù)荷運(yùn)行是最嚴(yán)重的原因之一。
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視覺算法算力的高功耗和低效率

隨著特斯拉通過(guò)視覺算法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。各大Tier 1大廠紛紛進(jìn)入算力的軍備競(jìng)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(wèn)題

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的多傳感器融合策略

實(shí)際上自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，變化的區(qū)域占整個(gè)圖像的很小一部分，大部分視覺數(shù)據(jù)是無(wú)用數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的視覺處理花費(fèi)了大量精力來(lái)處理這些無(wú)用的背景，這浪費(fèi)了大量的算力和時(shí)間。采用事件處理系統(tǒng)，通過(guò)時(shí)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(yùn)算量。

圖2 多傳感器融合技術(shù)策略

事件相機(jī)無(wú)法提供深度信息，目前依靠相機(jī)的計(jì)算方式還屬于簡(jiǎn)單的蠻力計(jì)算。采用事件相機(jī)結(jié)合激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等方式就可以實(shí)現(xiàn)完美的3D感知。同時(shí)，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(fèi)。
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ADAS域架構(gòu)多傳感器融合技術(shù)
多傳感器同步問(wèn)題

圖像事件系統(tǒng)能解決視覺識(shí)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(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)也越來(lái)越多地被用于ADAS。隨著ADAS的智能化要求的不斷提高，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要采用多個(gè)不同類型的傳感器協(xié)同處理的方式實(shí)現(xiàn)。

圖3 多傳感器融合面臨時(shí)間延遲的挑戰(zhàn)

各傳感器采集數(shù)據(jù)，然后通過(guò)總線發(fā)送給域控制器，存在一定程度的延時(shí)，并且，各傳感器延時(shí)的時(shí)長(zhǎng)不固定。為了提高自動(dòng)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(dòng)駕駛高級(jí)域控制器與其關(guān)聯(lián)的傳感器均需要做時(shí)間同步。

常用的時(shí)間同步主要包括：GPS同步、SyncE、NTP和PTP（IEEE 1588）時(shí)間同步。對(duì)于ADAS來(lái)說(shuō)，主要采用的是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN（Time Sensitive Network）技術(shù)。

圖4 時(shí)間敏網(wǎng)絡(luò)技術(shù)TSN原理

TSN最初來(lái)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(shí)時(shí)性、和高傳輸質(zhì)量的需求。TSN的核心原理是基于時(shí)間流量調(diào)度和管理，通過(guò)TSN網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間感知整形器TAS（Time Aware Shaper）的調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖5 采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率相位鎖定

TSN可以比較精確的計(jì)算出傳輸線的時(shí)延問(wèn)題。但是，如果主從設(shè)備采用自己獨(dú)立的時(shí)鐘，還會(huì)存在頻偏問(wèn)題，這就需要采用精度非常高的晶振來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)從設(shè)備時(shí)鐘的頻率鎖定，與主時(shí)鐘實(shí)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(shí)現(xiàn)各傳感單元和GPU/FPGA的時(shí)間同步，消除累計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘源的統(tǒng)一和多傳感器完全融合。
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傳感器高速數(shù)據(jù)交換問(wèn)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(shí)間完成信息交換。受流線型處理器啟發(fā)，人們一直采用獨(dú)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(dá)533MB/s。這種總線被稱為外設(shè)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)總線（PCI總線）。

圖6 PCI總線架構(gòu)框圖

后來(lái)，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(dá)到1064MB/s。再后來(lái)，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(jìn)一步的提升。這是因?yàn)?，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)之間的傳輸線寄生電感形成串?dāng)_，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)信號(hào)的波形，很容易對(duì)采樣信號(hào)形成誤判，影響通信效率。

圖7 高速數(shù)字信號(hào)引發(fā)的碼間干擾

數(shù)字信號(hào)在高速傳輸?shù)臅r(shí)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(hào)和被干擾信號(hào)。這導(dǎo)致傳輸信號(hào)判決門檻的不斷提高。為了提高抗碼間干擾問(wèn)題，有人提出采用差分傳輸模型。

圖8 差分信號(hào)消除碼間干擾

這種差分信號(hào)傳輸方法，后來(lái)經(jīng)過(guò)一系列演變和改進(jìn)，發(fā)展成后來(lái)的USB和PCIe傳輸總線，PCIe總線經(jīng)過(guò)迭代，現(xiàn)在已經(jīng)演進(jìn)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。

圖9 PCIe總線技術(shù)提升傳輸速率

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不同技術(shù)算力的功耗對(duì)比
基于SRAM工藝的動(dòng)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(shí)現(xiàn)的，這些處理器大部分都是基于靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(gè)CMOS管組成基本RS觸發(fā)器，用于記憶二進(jìn)制代碼，另外兩個(gè)做門控開關(guān)，控制觸發(fā)器和位線。

圖11 SRAM架構(gòu)動(dòng)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)上下管同時(shí)導(dǎo)通的情況。此時(shí)，CMOS的內(nèi)阻非常小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電流會(huì)非常大，所以，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗非常大。
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基于Flash工藝的動(dòng)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(gè)特點(diǎn)，工作點(diǎn)是靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)切換也不會(huì)出現(xiàn)大的電流波動(dòng)，可以節(jié)約高達(dá)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。
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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(jìng)爭(zhēng)、消費(fèi)者內(nèi)在需求等因素驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。
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基于時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的功能的交換解決方案，可實(shí)現(xiàn)更低延遲的數(shù)據(jù)流量和更高的時(shí)鐘精度。下一步，Microchip還會(huì)推出集成1000 BASE TI PHY的LAN969X系列產(chǎn)品。

TSN可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，但是，由于時(shí)鐘晶體存在頻偏差異，可能引發(fā)不同節(jié)點(diǎn)之間的頻率誤差，為了解決頻偏問(wèn)題，人們通常會(huì)在節(jié)點(diǎn)中，采用PLL鎖相環(huán)和VCXO來(lái)鎖定時(shí)鐘頻率。同時(shí)，為了更進(jìn)一步同步GPS的1PPS時(shí)鐘，還需要同步1PPS時(shí)鐘。Microchip的ZL307XX系列集成5個(gè)PLL ，支持1PPS，SYNCE。滿足大部分以太網(wǎng)時(shí)間同步要求。目前，Microchip已經(jīng)和部分車企展開合作，開始評(píng)估Microchip的時(shí)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(jì)時(shí)的IEEE 1588v2和IEEE 802.1AS-2020、用于多傳感器時(shí)間同步，符合IEEE P802.1Qci、IEEE P802.1Qav等，可以滿足ADAS實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)的需求。針對(duì)低端市場(chǎng)，Microchip的LAN937X配合100BASE-T1 LAN8770，也可以滿足客戶需求。
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首款車用PCIe交換機(jī)介紹

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

圖14 Microchip PCIe SWITCH解決方案

基于FLASH工藝的低功耗FPGA介紹

因?yàn)镸icrochip所采用Flash工藝這一獨(dú)特的工藝制程，其功耗最多只有相同制式的FPGA的50%。

在ADAS機(jī)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PolarFire FPGA系列內(nèi)置安全加密認(rèn)證、可以保護(hù)設(shè)計(jì)、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15 Microchip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(duì)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(dǎo)，降低視覺算法算力的功耗，提高效率，助力自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展。
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