在过去,汽车工业一向对技术革新后知后觉,但显然,现在时过境迁,昨日不再。籍由IP和SoC设计团队针对当前变化莫测的汽车领域的倾心投入,当前的汽车集成了各种有趣的功能,并实现了前所未有的创造性。

 

Cadence的研究员Chris Rowen指出,从历史上看,汽车电子和消费电子设备有很大的不同,但这种情况正在发生变化。

 

“这个变化主要表现在两个方面。第一,开始引入越来越有趣的技术,特别是ADAS(先进驾驶辅助系统)、视觉系统、自动驾驶以及越来越多的云信息服务。具有移动和物联网平台的很多特点,但在计算能力上汽车电子要求更高,比如在汽车中安全关键的视觉系统中。而且,汽车电子确实在一些最具挑战性的计算问题上挑战着计算能力的极限,这体现在汽车行业更多有趣的功能、更强劲的增长和更多的变化上。考虑到汽车工业在过去的历史中一向慢半拍,它很少被视为技术的前沿阵地,部分程度上因为设计周期很长,也有部分原因在于它往往采用老旧的但工作温度范围更宽、产品生命周期更长的电子技术。现在,这种感觉越来越淡,汽车电子开始变得越来越像热点市场,这种感觉的变化很重要。”

 

Rowen指出,有一些技术需求非常有趣,其中有些反映在计算能力上。比如,高清或超高清分辨率的视觉系统中,可能需要每秒运算万亿次的计算能力,这将从根本上推动新架构的出现。“经过这么长时间之后我们终于能说,'噢,汽车现在比移动设备\云端\服务器\消费电子产品对数字架构的要求更苛刻',这是相当有趣的事。”

 

不仅如此,除了计算能力之外,汽车电子设备还同时需要满足严格的功率限制,而且汽车领域的设计任务对效率指标非常严苛。

 

当然,因为汽车蓄电池容量更大,所以从绝对数值上来看,汽车电子设备的功率预算比手机更大,但是,在热管理和冷却机制上,它同样有很多约束。这样一来,“你往往会发现困境在于,电子设备需要在极端的温度范围内工作,具有很高的功率密度但却没有传统的空气冷却措施,这意味着你必须特别留意能效问题,特别是在计算密集型应用中,这种挑战和您在手机/移动设备中面临的挑战没有太大的区别。”最重要的是,在汽车里,还有一些来自于像ISO 26262兼容性以及其他质量标准的功能安全要求,这种要求来自于人们需要在汽车内部署寿命周期在20年或以上的设备。在工程学上,这是一种非常苛刻的环境,远远超过了典型的移动设备应用。

 

Synopsys公司ARC处理器的产品营销经理Paul Garden表示,一些设计团队更关注功耗问题,一般来讲,这取决于不同类型的应用。“但是,现在随着更多的电子功能被集成到汽车中,他们开始越来越关心低功耗问题,因为几乎所有的部件都变成了电子产品。当你拿十年前的汽车和现在的汽车做比较时,那时很多零部件都是机械系统,而现在他们都变成了辅助电子设备的部件或者直接变成了电子设备。这反过来就增加了车上电子模块的数量,从而增加了对动力电池电量的消耗,在这种情形下,客户肯定非常关注功耗问题。”

 

对汽车领域的IP开发者,这些问题意味着什么呢?

Ansys-Apache的产品工程和支持副总裁Aveek Sarkar观察到,在汽车的大构架之下,存在着若干个不同的市场。其中一个是信息娱乐系统中的芯片,当你从将很多IP集成为一个SoC的视角观察,它就是一种应用处理器。除此之外,还有微控制器、模拟和射频元件等。拿应用处理器来说,当你针对移动设备设计一个IP,同时期望可以把它引入汽车电子产品中时,可靠性需求是面临的最重要的变化。可靠性意味着电迁移,因为汽车的生命周期一般都比移动设备高一个数量级,相应的芯片亦如是。-我们讨论的应用处理器一般会选用较先进的工艺节点-当针对这种工艺节点设计IP时,汽车的生命周期必须谨记在心。

 

Sarkar解释,电子产品不需要生存这么长的时间。“很明显,你可以更换它,但是你肯定不想在正在驾驶汽车时更换它。可以采用冗余技术部分程度上解决这个问题,但是仍需要对IP供应商提出一定的要求,以确保他们所产出的IP的可靠性 - 即使是像标准单元一类的IP - 因为设计团队针对电迁移做的大多数的检查都停留在门级上。而IP供应商则需要深入到晶体管级上,并提供其标准单元的抽象给最终客户。终端客户一般不会过问在单元内部实现了什么东西,这是IP供应商的工作。

 

在大多数情况下,IP供应商不需要过多地担心标准单元,特别是28nm和之前的工艺。“但是一旦你寻求更长的生命周期,”Sarkar继续说道,“你现在要在更宽的温度范围下工作,所以需要开始担心设计单元时所用的几何拓扑是否针对汽车应用进行了优化,在这里我所说的还只是简单的反相器、与非门、寄存器之类的东西,如果涉及到更复杂的比如flash之类的存储器件,问题的复杂性也会随之增加。”

 

与其他市场的重叠

汽车和其它一些市场存在很多交叉-首先映入脑海的是汽车信息娱乐系统和消费电子-同时,汽车有其自身的独特性,并将随时间的推移变得更加复杂。

 

Rowen指出,信息娱乐系统让驾乘体验变得更加舒适,但并没有改变驾驶的本质。但是,正在渐渐地向自动驾驶的方向演进的高级驾驶辅助系统是完全革命性的,需要与其他电子市场完全不同的技术。消费电子产品确实也包括手势识别、具有面部识别的社交媒体以及其他诸如此类的功能,但是到完全实时、安全关键以及非常复杂的视频分析这个层面上,汽车比其他任何应用领域更能提供动能-或者是通过用户界面、安全应用或其他相关功能,汽车绝对存在一系列独特的应用和技术需求。

 

除了处理器性能之外,汽车领域的特定要求还转化为IP开发以至能效问题。

 

“怎样在一两瓦的功耗下实现每秒千亿次运算是一个相当显著的挑战。”他断言,“由于设计流程和质量功能安全要求-如ISO 26262-导致的与处理器相关的交付物不同,设计团队必须能够证明在设计的每个步骤上都考虑了安全性问题,而且能够支持一些特定的关键特征。现在,不同的应用存在不同的要求,但在汽车应用中,你需要更加注意防止出现瞬态错误-所以错误检查和纠正(ECC)变得更加重要。在一些应用中,为了保证鲁棒性,存在多个处理器,处理器之间逐周期地进行互检,这时你需要在处理器间执行锁步操作。”

 

这是一些只有在最具任务关键特性的可靠服务器应用中才会发现的情形。Rowen补充说,“在某种程度上,我们目前正在寻找的是一个类似于消费电子产品的低功耗平台-因为在某种意义上,它覆盖了很多多媒体处理。这将会导致对各种处理器的需求,包括用于视觉处理、语音处理和管理车内声音的音频处理的处理器,以及可靠和安全的车对车通信的无线处理器。最终,可以把这种需求归结为计算能力和可靠性的组合,这将决定你在处理器中集成哪些组件。”

 

三大EDA公司都发现了蕴藏在汽车电子内、涵盖工具/IP和软件等的巨大机会,在Mentor Graphics那里,他们甚至还把触角伸到了线束设计和实时操作系统的开发。Cadence围绕ADAS,进行了IP、封装、封装建模、模拟接口设计以及在宽电压和温度范围内工作的模拟和数字电路的集成开发工作。而Synopsys则从平台IP、内核、软件、物理IP、库、非易失性存储器和其它技术切入汽车市场。

 

Synopsys的产品营销经理Garden证实,为满足ISO26262安全规范,需要在软件和硬件上做出巨大的努力。“在EM SEP处理器中有一些硬件特征-比如奇偶校验、错误纠正和一个可编程的看门狗定时器。所以这些硬件小特性都可以使那些构建子系统的用户采用这些特征编写软件,从而确保不会存在内存错误,以及软件运行时不存在错误。在这个层次之上,是软件开发工具包。”

 

总体而言,满足ISO26262不是一个小任务。Garden提到,“从组织团队,到IP开发,再到软件、硬件和文档,中间涉及很多事情,需要大量的时间和精力,才能形成一个工程师团队可以使用的解决方案。”

 

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