2021年3月19日,由ATC汽車(chē)技術(shù)平臺旗下的ATC會(huì )議舉辦的「2021汽車(chē)車(chē)載芯片技術(shù)峰會(huì )」在上海順利召開(kāi)。作為業(yè)內技術(shù)最為密集、討論話(huà)題最為前沿的汽車(chē)技術(shù)交流會(huì ),ATC汽車(chē)技術(shù)會(huì )議特邀合作伙伴芯擎科技產(chǎn)品管理高級總監蔣漢平博士,作為本屆芯片峰會(huì )的演講嘉賓分享《7nm高性能智能駕艙芯片算力與架構設計場(chǎng)景分析》。蔣博士系統的闡述了作為高端數字駕艙車(chē)規芯片所應具備的五個(gè)必選項。
7nm工藝制程是高性能智能駕艙車(chē)規芯片的必選項
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相對于10+nm, 7nm的工藝節點(diǎn)會(huì )帶來(lái)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn):
1. 芯片集成度更高。單位面積的晶圓上可以放置更多的邏輯門(mén),同時(shí)封裝面積變小,節約了晶圓成本和封裝成本,進(jìn)一步節約了成品芯片在單板上所占的面積,使得相同大小的電子產(chǎn)品功能更多,速度更快。 -
2. 芯片耗電量更低。同樣大小的邏輯電路做出來(lái),用更先進(jìn)的工藝會(huì )導致耗電量更低,進(jìn)而導致功耗變低。
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3. 響應速度更快。單管開(kāi)斷速度更快,同樣的邏輯電路能夠跑到的主頻更高,性能大幅提升。
針對10+nm的工藝節點(diǎn),比對了7nm的優(yōu)勢: 相比起10+nm節點(diǎn)工藝,7nm平均晶體管密度接近100MTr/mm2,是10+nm工藝的3.3倍,在同等功耗上提供35~40%的速度提升或者可以降低65%的功耗;同時(shí)7nm相對10+nm,提供更高占比的動(dòng)態(tài)功耗(>90%),這樣才能真正發(fā)揮各個(gè)計算單元(CPU、GPU等等)有效算力,同時(shí)降低靜態(tài)功耗,減少漏電效應,提供高效的熱管理。所以針對高性能的數字駕艙SOC,7nm車(chē)規是必選項性。
蔣博士說(shuō),工藝和設計是相輔相成的。代工廠(chǎng)(Fab)和芯片設計公司(fabless)的合作模式需要相向而行:設計公司拿自己設計的芯片來(lái)投產(chǎn),然后進(jìn)行出廠(chǎng)檢測;代工廠(chǎng)進(jìn)行代工生產(chǎn)和工藝改進(jìn),中間會(huì )出現各種各樣的問(wèn)題。比如:良率低了到底是設計的時(shí)序余量不足,還是工藝波動(dòng);性能差了是設計的環(huán)路穩定性不夠,還是工藝參數設置錯誤?工藝參數的提取,仿真模型的構建與修改,同一芯片不同工藝下的參數對照,最終都是要Fab和Fabless共同努力的結果。針對不同工藝,芯片設計要做的工作也不盡相同,冗余電路、備份設計都是需要在芯片設計階段增加的內容, 這些都是先進(jìn)工藝才會(huì )出現并考慮的問(wèn)題,需要長(cháng)期合作積累經(jīng)驗才能完成最終的量產(chǎn),沒(méi)有捷徑可走。
他特別強調:7nm的設計難度更大,對芯片設計公司而言也是機會(huì ),為何設計難度大是優(yōu)點(diǎn)呢?難度高,增加了電子行業(yè)的馬太效應,強者越強,弱者恒弱。護城河加大,行業(yè)壁壘增高,后來(lái)者難以攀登, 和10+nm半導體工藝的百花齊放相比,很多在10+nm大放異彩的半導體公司都在7nm制程處遭遇到了苦頭。芯擎的工程師團隊在10nm及更先進(jìn)工藝制程上積累的量產(chǎn)經(jīng)驗在業(yè)界都是領(lǐng)先的,這樣無(wú)疑為高性能的智能駕艙芯片的量產(chǎn)提供經(jīng)驗和能力保證。
功能安全和信息安全是車(chē)規芯片的必選項汽車(chē)電子系統愈加復雜,由電氣、電子系統故障導致的風(fēng)險也越來(lái)越高,區別與移動(dòng)終端芯片的架構,如何量化評估汽車(chē)功能是否安全,如何減少、規避風(fēng)險,如何做到汽車(chē)功能安全和信息安全等問(wèn)題變得十分突出。
芯擎公司擁有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的功能安全工程師團隊,涵蓋組織內的所有功能安全項目,我們有一些傳統的設計,比如架構設計中某些部分的內存保護和監視器,同時(shí)也采取了針對汽車(chē)駕駛場(chǎng)景的安全保證措施,而不僅僅是對硬件組件負責,評估系統中元件故障的臨界點(diǎn)。比如,根據 ISO26262標準規定,儀表盤(pán)的關(guān)鍵數據和代碼與娛樂(lè )信息系統屬于不同功能安全等級,我們芯片上安全島(Safety island)的安全等級達到ASIL-D, 通過(guò)與各個(gè)子系統及接口的配合,保護車(chē)內儀表盤(pán)屏幕顯示的特定部分達到ASIL-B,從而實(shí)現性能和安全性之間的平衡。
數字駕艙通過(guò)MCU/ECU等進(jìn)行通信,使數字座艙能提供的信息和反饋越來(lái)越實(shí)時(shí)和高效。為保證安全就需要廠(chǎng)商與各大互聯(lián)網(wǎng)公司和電信企業(yè)之前的密切合作來(lái)保證云端數據和車(chē)身數據的安全。芯擎采用了信息安全島(Security Island)的設計加強對個(gè)人和車(chē)輛的數據保護,芯片支持SM2/SM3/SM4國密算法。
軟硬件解耦是電子電氣架構演進(jìn)和軟件定義汽車(chē)的必選項
進(jìn)入2020年汽車(chē)的變革呈現出加速激變的現象,整個(gè)行業(yè)面臨著(zhù)新的挑戰,自動(dòng)駕駛,智能網(wǎng)聯(lián),軟件定義汽車(chē),應對這個(gè)挑戰主要需要三個(gè)方面的準備:
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1. 電子電氣架構
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2. 芯片
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3. 軟件生態(tài)
汽車(chē)軟件復雜度的發(fā)展趨勢,基本上呈現出指數增長(cháng)的趨勢,這個(gè)趨勢其實(shí)可以反映出汽車(chē)對芯片計算能力的需求趨勢,也反映出汽車(chē)電子電子系統的變化趨勢。第一個(gè)階段是分布式,功能擴展階段,對新功能的需求持續做加法,但是一直做加法會(huì )遇到瓶頸,這種模式難以為繼;第二個(gè)階段,也就是域融合/集中化階段,逐漸由軟件來(lái)定義功能,整個(gè)過(guò)程是計算逐漸集中化和算力迅速增長(cháng)的過(guò)程。分布式架構的軟硬件是耦合在一起的,由不同供應商提供,升級很難,中央計算架構下軟硬件分離,便于更新升級,集中化架構處理跨域功能主要由中央計算單元處理,架構和管理要簡(jiǎn)單很多。
高性能的數字駕艙芯片采用異構計算架構,系統計算資源多樣化,至少包括CPU/GPU/ISP/DPU/NPU/DSP等等,還包括大量的車(chē)內高速接口,虛擬機管理的概念被引入智能座艙操作系統,但是Hypervisor在車(chē)內軟硬件適配過(guò)程中還是一個(gè)新生事物,缺乏豐富開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的軟件人員和成熟高效的硬件適配方案,不完全依托Hypervisor實(shí)現不同功能安全等級OS共存成為快速推進(jìn)軟件一體化聚合的關(guān)鍵。
芯擎科技的架構師根據功能安全不同要求將主要計算引擎分成算力大小不同的域,在單一芯片架構上形成了硬件隔離方案,不同的硬件域可以分別支持實(shí)時(shí)性要求高,具有功能安全的OS和計算密集型的OS;隨著(zhù)Hypervisor方案的成熟,后期可以平滑過(guò)渡到在算力較大的域上支持Hypervisor,從而差異化分布不同要求的OS,在這個(gè)演進(jìn)過(guò)程中,芯片架構和軟件架構完全相同,通過(guò)簡(jiǎn)單明晰的配置就可以規避Hypervisor成熟過(guò)程中引入的不確定性,提升生態(tài)適配能力與量產(chǎn)時(shí)間。
此前智能座艙的各功能都需要不同專(zhuān)用芯片實(shí)現,如此一來(lái)不僅提升了車(chē)企產(chǎn)品研發(fā)的復雜度和研發(fā)投入,后期想要在已有系統上進(jìn)一步擴展功能,也比較困難。目前,智能座艙已成為各路玩家的新戰場(chǎng),無(wú)論是新勢力造車(chē)力量和傳統車(chē)企已經(jīng)主動(dòng)打破邊界,由被動(dòng)的接受通用芯片和生態(tài)提供的解決方案,轉變到親自下場(chǎng)制定芯片的規格和量產(chǎn)車(chē)型。智能座艙在國內車(chē)企的參與下快速滲透,他們積極尋找智能網(wǎng)聯(lián)、自動(dòng)駕駛的轉型升級;同時(shí)意圖將對數據的閉環(huán)控制和算法的閉環(huán)優(yōu)化完全掌控在自己手上,所以真正“完美”的數字駕艙方案一定是與整車(chē)緊密耦合的,這個(gè)與目前互聯(lián)網(wǎng)大廠(chǎng)自己制定芯片規格,并搭建數據服務(wù)平臺如出一轍,那些僅僅借某一領(lǐng)域的能力結合生態(tài)系統去駕馭數字駕艙和自動(dòng)駕駛的芯片設計公司,很難高效的適配快速的技術(shù)演進(jìn)與需求膨脹。
蔣博士從芯擎數字駕艙芯片規格制定和架構設計過(guò)程中,明顯感到車(chē)企比如吉利集團和億咖通發(fā)揮的巨大作用:吉利集團提供了目前和未來(lái)先進(jìn)的電子電氣架構及整車(chē)生態(tài),芯擎芯片在規格指定時(shí)就針對未來(lái)幾年的量產(chǎn)車(chē)型的關(guān)鍵應用進(jìn)行SOC架構設計;在工程階段,所有的參考設計、軟硬件系統架構、成本模型都按照指定車(chē)型進(jìn)行計劃;在量產(chǎn)階段,直接將已經(jīng)量產(chǎn)的生態(tài)系統平移到新的平臺上,所有的研發(fā)和生產(chǎn)路徑都圍繞芯片量產(chǎn)上車(chē)這個(gè)環(huán)節展開(kāi),數據和算法按照車(chē)企的整體規劃進(jìn)行定制和管理,不存在所謂生態(tài)系統里“大海撈針”,這樣需求的準確性和時(shí)效性得到了最大程度的保障。這也是芯擎公司對即將量產(chǎn)的數字駕艙芯片信心十足的關(guān)鍵所在!
精準高效的算力匹配是支持電子電氣架構變革的必選項
芯片是電子電氣架構變革的基石,為了配合域融合/中央計算的趨勢,芯片算力的變化趨勢和預埋能力提升也很明顯,而且呈現出加速增長(cháng)的趨勢。
我們總結了一下從2010年起量產(chǎn)車(chē)型中典型的娛樂(lè )域芯片的算力趨勢。CPU在2010年車(chē)機上的娛樂(lè )系統芯片和手機芯片算力的差距并不,都在10K DMIPS的量級,隨后手機芯片算力平均每年要增長(cháng)25%以上,十年下來(lái)增長(cháng)了十倍,目前在研的車(chē)機系統的芯片算力已經(jīng)在向手機系統看齊了;GPU方面,汽車(chē)上的高清屏幕越來(lái)越多,甚至可以玩3D游戲,GPU的增長(cháng)趨勢更陡峭,提升了幾十倍; NPU是加速人工智能應用的計算單元,兩年之后的NPU的算力會(huì )迅速增長(cháng),大約會(huì )在4T到10T左右,智能語(yǔ)音要在本地處理語(yǔ)音識別,自然語(yǔ)言理解,語(yǔ)音合成,基本上業(yè)界采用的是CPU+語(yǔ)音DSP+NPU的做法,算力一般在200GOPS以上。駕駛員監控是歐盟新車(chē)安全評鑒協(xié)會(huì )(Euro NCAP)2022年的強制標準,包括人臉識別,疲勞檢測,分心檢測,抽煙檢測,打電話(huà)檢測等等,大部分檢測的延遲要求都在30ms以?xún)?,這里我們給出的2TOPS是個(gè)典型需求。車(chē)外攝像頭的InfoADAS算法需要的算力更高,交通標志識別,車(chē)道線(xiàn)識別,雨量識別等等,包括環(huán)視4個(gè)攝像頭的目標識別,對實(shí)時(shí)性和算力的要求很高,至少需要4TOPS左右的算力才能同時(shí)應付這些需求。綜合在一起基本NPU的算力需求在6TOPS左右。
過(guò)去,車(chē)內娛樂(lè )芯片市場(chǎng)的傳統廠(chǎng)商由瑞薩、恩智浦、TI、英飛凌等汽車(chē)芯片巨頭壟斷。芯擎科技作為高端國產(chǎn)車(chē)載芯片設計公司,強勢入局智能駕艙市場(chǎng),蔣博士初步揭示了即將量產(chǎn)并提供參考設計的SE1000場(chǎng)景規格。
SE1000是采用業(yè)界領(lǐng)先的7納米工藝制程設計的新一代高性能、低功耗車(chē)規級智能座艙芯片,賦能日益豐富的車(chē)載信息娛樂(lè )系統。高性能定制CPU集群,通過(guò)面向異構計算而精心設計的SOC系統,可以為用戶(hù)提供卓越的性能體驗。內置高性能嵌入式AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理單元,提供更多個(gè)性化的智能語(yǔ)音、機器視覺(jué)及輔助自動(dòng)駕駛體驗。新一代多核心的圖形處理單元,可以動(dòng)態(tài)根據負載進(jìn)行資源分配;一機多屏多系統,支持多個(gè)高分辨率屏幕同時(shí)輸出;內置高性能音頻信號處理單元及豐富的音頻接口,為用戶(hù)提供豐富超凡的音視頻娛樂(lè )體驗。具備高安全等級的“安全島”設計,滿(mǎn)足ISO26262車(chē)規認證,確保汽車(chē)功能安全;專(zhuān)業(yè)的硬件加/解密引擎為車(chē)載應用提供了安全信保證。同時(shí),提供豐富的高性能通信及外圍接口支持能力。
圖注:從左往右第三位系湖北芯擎科技有限公司產(chǎn)品管理高級總監 蔣漢平博士
作為本屆汽車(chē)車(chē)載芯片應用技術(shù)峰會(huì )的重要環(huán)節,蔣漢平博士受邀作為訪(fǎng)談嘉賓參與本屆的圓桌論壇,現場(chǎng)與多位業(yè)內領(lǐng)袖以及汽車(chē)領(lǐng)域從業(yè)者進(jìn)行深度交流,并展開(kāi)了精彩的頭腦碰撞,共同探討汽車(chē)芯片行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)難點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題,他認為,目前芯片行業(yè)處于變革時(shí)間,國內的芯片設計企業(yè)應該盡快的抓住行業(yè)的契機,把握好方向,發(fā)展重點(diǎn)行業(yè),解決芯片“卡脖子”問(wèn)題,進(jìn)而縮小與先進(jìn)國家的差距,完成中國芯片設計公司的使命與責任。