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7nm高性能智能車(chē)規芯片算力趨勢分析——算力是車(chē)規智能座艙芯片的主戰場(chǎng)

發(fā)布時(shí)間:2021-08-30 作者:芯擎科技

為什么汽車(chē)芯片的算力需求不斷提升?為什么7nm車(chē)規制程成為高算力車(chē)規芯片的必然趨勢?國內首款7nm工藝制程高端智能座艙芯片將具備哪些獨特性能?

在近期由蓋世汽車(chē)主辦的“2021首屆智能汽車(chē)域控制器創(chuàng )新峰會(huì )”上,芯擎科技產(chǎn)品規劃管理部總經(jīng)理蔣漢平博士發(fā)表主題演講,與線(xiàn)上線(xiàn)下二十多萬(wàn)名與會(huì )者共同探討7nm高性能車(chē)規芯片算力趨勢。


車(chē)企新模式驅動(dòng)芯片算力創(chuàng )新高

蔣博士系統地闡述了作為高性能智能車(chē)規芯片的算力趨勢。他認為:芯片算力不斷創(chuàng )新高,很大程度上是源于車(chē)企對新商業(yè)模式的思考。車(chē)企現在產(chǎn)生了一個(gè)新模式,即在車(chē)內進(jìn)行硬件預埋后,通過(guò)OTA軟件升級來(lái)適配多樣化的用戶(hù)場(chǎng)景和不同安全等級輔助駕駛與自動(dòng)駕駛功能的逐步迭代,車(chē)企不再把算力與不同價(jià)位的車(chē)型進(jìn)行硬件平臺的分級分步實(shí)施,而是先把算力預埋進(jìn)去,之后再去升級它的功能。同時(shí),車(chē)企對算力的要求比我們想象的迭代還要快,也就是在這樣背景下,為了滿(mǎn)足現有車(chē)企客戶(hù)越來(lái)越旺盛、越來(lái)越急迫對算力要求,高算力芯片已經(jīng)成為汽車(chē)“新四化”(電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化)的核心驅動(dòng)力。


通過(guò)算力預埋的方式,車(chē)企通過(guò)不斷的軟件升級,使用戶(hù)獲得更好的使用體驗,諸如更高級別的自動(dòng)駕駛功能,即便當下不能實(shí)現,但通過(guò)硬件預埋部署冗余算力,車(chē)企能夠為持續的OTA升級提供更多可能性。這就是軟件定義汽車(chē)所帶來(lái)的巨大潛力,與此同時(shí),這背后又離不開(kāi)超強算力的支撐。

高算力車(chē)規芯片是電子電氣架構快速演變的主賽道

電子電氣架構和算力的增長(cháng)趨勢如上圖所示。電子電氣架構也就是我們常說(shuō)的E/E架構,實(shí)際上定義了車(chē)內ECU之間的連接關(guān)系和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。左圖是博世公司對汽車(chē)電子電氣架構趨勢的研判,這已成為電子電氣架構演變的行業(yè)共識。

最下面一層是經(jīng)典的分布式架構——每個(gè)ECU對應一個(gè)或者多個(gè)功能,各自運行一套獨立的軟件。這個(gè)階段每個(gè)ECU的控制和計算單元基本都是MCU,微控制器,從單一功能MCU到多功能MCU,算力基本在幾十到幾百DMIPS的量級。完全分布式的架構在應對復雜功能也就是需要多個(gè)ECU協(xié)同的時(shí)候會(huì )比較復雜,越多的ECU參與,會(huì )成倍增加ECU之間的交互,每個(gè)ECU可能分屬不同的供應商,運行不同的軟件棧,協(xié)同和聯(lián)調的工作非常繁復,所以在傳統汽車(chē)上增加一個(gè)復雜功能是一個(gè)非常漫長(cháng)的過(guò)程。為了緩解這種問(wèn)題,E/E架構引入了“域”的概念,也就是第二層所展示的架構,“域”把相近功能的ECU統一在同一個(gè)域控制器底下,這個(gè)域內的交互和決策由這個(gè)域控制器來(lái)完成,這相當于第一個(gè)階段的計算集中化。今天的很多汽車(chē)都采用的是這種架構,隨著(zhù)汽車(chē)行業(yè)以及電子行業(yè)的發(fā)展,出現了相近域的融合,比如底盤(pán)和動(dòng)力域,這兩個(gè)域對功能安全和信息安全的要求相近。域控制器對算力的要求相對更高,在這個(gè)階段域控制器也從MCU進(jìn)化到了CPU,算力基本在1K到小幾十K DMIPS的量級。

再上一層是中央計算的架構,這個(gè)架構中的中央計算單元會(huì )成為全車(chē)的最高決策中心,算力進(jìn)一步集中,基本在幾十到幾百K DMIPS的量級。另外,無(wú)論是娛樂(lè )域還是ADAS域,智能化的需求都需要配合不同的硬件加速單元,去做計算密集型的任務(wù)。比如,娛樂(lè )域需要強大的GPU做圖形圖像的渲染,3D建模等。再比如自動(dòng)駕駛需要人工智能的深度學(xué)習算法,算力的膨脹速度非常驚人,即便是L3以下級別的輔助駕駛也需要數T到數十TOPS的算力匹配,L3及以上級別的自動(dòng)駕駛算力需求基本都在上百TOPS。

最上層的云計算架構,需要整個(gè)交通基礎設施,5G以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)生態(tài)成熟之后才能慢慢實(shí)現,是個(gè)非常龐大的系統工程,即便在云計算的架構下一些實(shí)時(shí)性高的計算也需要本地算力的支撐,并不能完全依賴(lài)云端,本地算力依然還是增長(cháng)的趨勢。


車(chē)規芯片算力的差異化實(shí)現提高算力預埋的效率


蔣博士同時(shí)強調:高算力的預埋需要針對數據類(lèi)型、應用場(chǎng)景和算法優(yōu)化,提供差異化的算力實(shí)現單元的SOC實(shí)現。在典型的SoC中異構計算包含CPU,GPU,DSPNPU。在處理智能任務(wù)時(shí),他們擅長(cháng)的任務(wù)也各不相同。CPU擅長(cháng)邏輯控制和通用計算,在智能任務(wù)方面可以用來(lái)做圖像的前后處理,多傳感器的感知融合,以及最終的決策。GPU擁有非常多的計算單元,擅長(cháng)做并行計算、圖形渲染,也可以用來(lái)做圖像的前后處理。DSP擅長(cháng)信號處理,針對不同的場(chǎng)景有音頻或者視覺(jué)的DSP,可以做語(yǔ)音和視覺(jué)的前后處理,也可以做雷達信號處理。NPU主要擅長(cháng)做大量的矩陣運算,適合用于深度學(xué)習比較擅長(cháng)的領(lǐng)域,比如語(yǔ)音識別、自然語(yǔ)言處理、視覺(jué)感知,此外,雷達信號處理現在也出現了很多深度學(xué)習的算法。


7nm車(chē)規制程是高算力車(chē)規芯片的必然趨勢


7nm工藝的成熟速度是有史以來(lái)最快的,技術(shù)的亮點(diǎn)更加在于對良率的控制,7nm工藝紛紛被高算力應用領(lǐng)域所使用,相比起16nm節點(diǎn)工藝,7nm可以提供3.3倍的門(mén)電路密度,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,成本的優(yōu)勢隨著(zhù)生產(chǎn)能力與良率的提升正在快速呈現。

蔣博士給出了主流高算力應用場(chǎng)景的芯片制程演進(jìn)趨勢,并總結了7nm 工藝節點(diǎn)的四大優(yōu)勢:

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。

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,主頻高,性能肯定會(huì )大幅提升。

4、設計難度更大。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。

SE1000:國內首款7nm工藝制程高端智能座艙芯片

蔣博士還重點(diǎn)介紹了芯擎在研的車(chē)規智能座艙芯片SE1000的規格:SE1000是國內首款7納米工藝制程高端智能座艙芯片,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。


安全性是汽車(chē)產(chǎn)品的生命線(xiàn)。芯擎自主開(kāi)發(fā)實(shí)現了汽車(chē)功能安全SAFETY)和信息安全體系SECURITY),并準備通過(guò)ISO26262標準認證。該款產(chǎn)品獨特的安全孤島核心SAFETY ISLAND)為系統提供了冗余和實(shí)時(shí)的保護,滿(mǎn)足汽車(chē)芯片對功能安全和信息安全更加嚴格的標準的要求,為車(chē)載應用提供了安全保證。

SE1000還具備豐富的高性能通信及外圍接口支持能力,芯擎為該智能座艙芯片提供完整的軟硬件平臺和應用,集成開(kāi)發(fā)了特定操作系統、硬件支持軟件包、及軟件開(kāi)發(fā)包,能有效對接市場(chǎng)、有效縮短客戶(hù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程、并助力客戶(hù)早日推出產(chǎn)品,使該款產(chǎn)品具備優(yōu)秀的產(chǎn)品化底蘊。

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