Интеграция SoC ADAS/IVI с использованием автомобильного IP

Автомобильная промышленность продолжает развивать централизованную электрическую/электронную (EE) архитектуру, оказывая влияние на автопроизводителей и поставщиков уровня 1 и уровня 2, поскольку они внедряют различные приложения в течение следующих 10 лет. Новая архитектура структурирована вокруг централизованного вычислительного модуля, который выполняет несколько приложений, таких как усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS)/высокоавтоматизированное вождение (HAD), информационно-развлекательная система, управление шасси/кузовом и трансмиссия. Новая централизованная архитектура EE создает новое поколение систем на кристалле (SoC) с повышенным уровнем интеграции, очень высокой производительностью и увеличенным объемом искусственного интеллекта для размещения объединенных приложений. В этой статье освещается тенденция к интегрированному приложению ADAS/IVI, обеспечиваемому централизованным вычислительным SoC, реализующим интерфейс автомобильного уровня и IP-процессор.

Рис. 1: Эволюция архитектуры электрических/электронных (EE) систем.

Преимущества интеграции нескольких автомобильных приложений в одной SoC

Сочетание функций ADAS и цифровой кабины (или IVI) требует одновременного выполнения приложений ADAS, таких как автоматическое экстренное торможение (AEB), адаптивный круиз-контроль и система помощи в удержании полосы движения (LKA), с приложениями цифровой кабины, такими как управление высотой от стойки до стойки. разрешение дисплея. Решение автомобильной промышленности объединить приложения в интегрированное аппаратное обеспечение может приниматься постепенно, ориентируясь на множество различных гибридных подходов. Другой комбинацией объединенных приложений для централизованной архитектуры EE может быть объединение телематических функций с функциями ADAS или несколько различных гибридных платформ, интегрирующих разные приложения. Такая интеграция может создать новые возможности как для поставщиков аппаратного обеспечения, так и для поставщиков программного обеспечения.

Реализация зональных архитектур с централизованным вычислительным модулем повлияет на вычислительные SoC, на которых размещаются объединенные приложения. Новое поколение SoC для центральных вычислений, запускающее несколько приложений, требует повышенного уровня обработки ИИ, увеличения количества многоядерных 64-разрядных хост-процессоров с когерентным кэшем и повышения уровня обработки изображений. Из-за высокой производительности и сложности реализации вычислительных SoC необходимы передовые полупроводниковые процессы finFET. Интеграция нескольких функций в центральную вычислительную SoC снизит затраты и минимизирует сложность, позволяя автопроизводителям, поставщикам уровня 1 и уровня 2 дифференцироваться.

Требования к SoC центрального компьютера

Новое поколение автомобильных систем на кристалле для центральных вычислений будет иметь общие критерии, включая большие объемы данных датчиков, передаваемых по автомобильной сети, и большие объемы искусственного интеллекта с использованием новейших алгоритмов искусственного интеллекта.

Большие объемы данных датчиков для критически важных для безопасности приложений ADAS должны непрерывно обрабатываться в режиме реального времени. Данные от датчиков, таких как радар, лидар, ультразвук и камера, должны поступать непрерывно с минимальной задержкой. Трафик данных и протоколы не должны превышать жгут проводов автомобильной сети. Большинство автомобильных сетей используют комбинацию Ethernet автомобильного уровня, каналов MIPI прямого подключения для датчиков изображения и устаревших сетей CAN. Из-за большого количества радиолокационных/лидарных данных, передаваемых через Ethernet автомобильного класса, для каналов Ethernet с использованием протокола IEEE Ethernet Time Sensitive Networking (TSN) требуется несколько потоков 10G Ethernet. Используя протокол Ethernet TSN, пакеты данных с высоким приоритетом, критичные для безопасности, могут передаваться на основе сетевых политик, чтобы гарантировать, что данные с более низким приоритетом, такие как развлечения на заднем сиденье, не мешают работе критически важных для безопасности приложений. Что касается данных изображения, датчик изображения высокого разрешения может генерировать более 10 ГБ несжатых данных в реальном времени на каждый датчик, что может перегрузить сеть Ethernet, передающую данные радара/лидара. Таким образом, большая часть данных изображений передается с использованием отдельного интерфейса MIPI. Было разработано несколько собственных протоколов для передачи данных изображений на основе MIPI в жестких условиях канала в автомобиле. В дополнение к собственным каналам передачи данных, MIPI Alliance разработал новый 15-метровый автомобильный протокол A-PHY для передачи данных изображения в центральные вычислительные модули. MIPI A-PHY становится все более популярным в качестве протокола передачи данных в автомобиле.

Новое поколение централизованных вычислительных систем на кристалле должно одновременно выполнять приложения в режиме реального времени. Поскольку несколько приложений реального времени работают одновременно, процессоры SoC, используемые в централизованных вычислительных модулях, должны поддерживать виртуализацию, аналогично высокопроизводительным процессорам серверов центров обработки данных. Поскольку SoC должны поддерживать множество приложений реального времени, стеки ПО для этих приложений необходимо оптимизировать для нового поколения высокопроизводительных автомобильных процессоров на базе RISC-V. Перспективное планирование программного обеспечения приложения позволит автопроизводителям проектировать будущие программно-определяемые транспортные средства (SDV) и внедрять новые бизнес-модели, ориентированные на конкретные приложения. Но для высокопроизводительных SoC, предназначенных для зональных центральных вычислений, процессоры должны включать в себя специализированные функции, обеспечивающие производительность, необходимую для запуска приложений реального времени.

Одной из ключевых особенностей конструкции SoC с централизованными вычислениями являются масштабируемые гетерогенные многоядерные процессоры с 12 64-разрядными процессорами приложений, интегрированными в SoC. Обеспечение эффективной разработки программного обеспечения является ключевой целью поставщиков автомобильных SDV, включая поставщиков SoC. Чтобы создать единый источник процессоров RISC-V автомобильного класса, обеспечить совместимость продуктов на базе RISC-V и предоставить эталонные архитектуры, такие отраслевые поставщики, как Bosch, Infineon, Nordic Semiconductor, NXP и Qualcomm, создали совместное предприятие под названием Quintauris. Quintauris стремится обеспечить разработку аппаратного обеспечения следующего поколения, совместимого с SDV, продвигая внедрение автомобильных развертываний RISC-V.

Для выполнения алгоритмов искусственного интеллекта, необходимых для критически важных для безопасности приложений ADAS, а также приложений IVI на основе искусственного интеллекта, таких как системы мониторинга водителей (DMS) и системы мониторинга пассажиров (OMS), SoC необходимы дополнительные ускорители искусственного интеллекта для глубокого обучения. Добавление генеративного ИИ позволяет поставщикам IVI предлагать цифровых помощников на естественном языке, которые перекладывают дополнительные рабочие нагрузки ИИ на центральные вычислительные модули. OEM-производители используют ИИ для различных приложений в ADAS/HAD, таких как планирование пути, обнаружение объектов/сцен, а также распознавание и принятие решений на основе ИИ. Упомянутые ранее приложения ADAS/HAD, такие как автоматическое экстренное торможение, помощь в удержании полосы движения и адаптивный круиз-контроль, основаны на искусственном интеллекте.

На рис. 2 показан общий пример SoC для центральных вычислений для объединения приложений ADAS и IVI. Дискретная SoC, показанная слева, содержит до 12 64-битных процессоров приложений и подсистему машинного зрения на основе искусственного интеллекта для приложений искусственного интеллекта на базе камеры. В дополнение к необходимой производительности обработки SoC содержит отдельный менеджер функциональной безопасности ISO 26262 и независимую подсистему безопасности для минимизации уязвимостей безопасности. Полный набор интерфейсов подключения, включая Ethernet TSN автомобильного уровня, обеспечивает несколько каналов для подключения SoC к зональной сети автомобиля, а также к дополнительным протоколам двухточечной связи, таким как MIPI. Центральная вычислительная SoC включает в себя интерфейс PCI Express (PCIe) для расширения производительности обработки SoC за счет добавления отдельных ускорителей SoC для достижения производительности нескольких SoC. PCI Express — это доминирующий периферийный протокол для подключения нескольких SoC, который добавляет ускорители алгоритмов искусственного интеллекта для повышения производительности SoC.

Рис. 2: Центральный вычислительный процессор SoC.

Учитывая объем обработки виртуализированных приложений, ускорения искусственного интеллекта и обработки DSP, необходимых для размещения объединенных приложений ADAS/IVI, центральный вычислительный модуль потребует передового производства полупроводников для реализации SoC. Для достижения целевых показателей функциональности, интеграции и производительности необходимы передовые процессы производства полупроводников класса finFET, такие как 5-нм техпроцесс автомобильного класса. Лидеры отрасли уже планируют свою стратегию внедрения 3-нм литейного процесса автомобильного уровня для реализации объединенных вычислительных SoC ADAS/IVI.

Справа показана альтернативная реализация с использованием многокристального решения на основе UCIe. Многокристальная конструкция с использованием UCIe соединяет различные гетерогенные кристаллы, обеспечивая ряд преимуществ объединенного центрального вычислительного модуля ADAS/IVI. Проектирование нескольких кристаллов на основе UCIe дает возможность выбрать оптимальный технологический узел и стиль проектирования для каждого функционального кристалла. Возможность комбинировать матрицы обеспечивает гибкость в управлении продукцией и сокращает время выхода на рынок. Поскольку протокол UCIe является отраслевым стандартом, он гарантирует совместимость каждого интерфейса кристалла и успех с минимальным риском.

Обзор

Проектировщики используют IP автомобильного уровня для интеграции необходимых функций для объединения приложений ADAS и IVI в новой зональной архитектуре, обеспечивая более низкую стоимость и более высокую производительность, надежную функциональность и низкие требования к энергопотреблению. Ведущие в отрасли 64-битные процессоры на базе RISC-V и IP-интерфейсы, такие как PCI Express, LPDDR, MIPI и Ethernet, с функциями TSN, которые соответствуют стандарту функциональной безопасности ISO 26262, обеспечивают требования к вычислительным ресурсам, которые SoC должны реализовать на следующем этапе централизованная энергоэффективная архитектура.