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    2020OEM機械設計技術研討會云會議
    電子元件

    用于下一代汽車專用集成電路(ASIC)的嵌入式現場可編程邏輯門陣列(eFPGA)

      2020年07月24日  

      對于最近研究過新車的任何人來說,很難不注意到汽車電子產品的發展是多么的迅速。僅僅將三年前的汽車安全性技術與今天的技術進行對比,您就會發現攝像頭數量已顯著增加,以支持諸如全景可視、駕駛員注意力分散監測器、立體視覺攝像頭、前向攝像頭和多個后視攝像頭等應用。除了攝像頭,系統功能也增強了,包括自動緊急制動、車道偏離警告、后方盲點檢測和交通標志識別等。這一趨勢表明,汽車電子類產品在持續快速地創新,但這也給汽車原始設備制造商(OEM)帶來了全新的挑戰,包括:

      ● 當研發一輛新車的平均時間從48個月縮短至24個月左右(請參閱縮短研發生命周期和降低設計復雜性對汽車行業的影響),同時還要支持長達10年以上的生命周期時,如何快速開發新特性和安全性功能?

      ● 平臺架構的確定都比車輛上市提前數年,如何預測所需的硬件和軟件需求?

      ● 當汽車用戶拿消費類電子產品來做比較時,如何提高汽車電子產品的性能和質量以滿足用戶的期望?

    專用集成電路(ASIC)解決方案

      為了去解決這些問題,汽車原始設備制造商需要重新考慮他們的系統架構,并在其設計中添加靈活性,進而能夠在設計過程的后期進行更改,并增加不斷開發的特性和功能。這種重新設計的系統架構使原始設備制造商與其他競爭對手相比具有差異化,并為使用標準硬件器件無法解決的技術難題提供解決方案。

      傳統上,先進駕駛輔助系統(ADAS)架構器件的選擇都依賴于現成的器件,這些器件的設計旨在支持特定的汽車安全功能和環境需求。對于諸如防抱死制動系統(ABS)等非差異化功能,這種方法是非常適合的。但是,如果您正在設計創新的安全功能,許多原始設備制造商選擇構建自己的定制ASIC。與任何現成的器件相比,定制ASIC提供了最低的總體成本和最高的性能:然而,ASIC會帶來風險。如果您沒有確定所有必需的功能,那么您將無法進行更改,除非對ASIC進行成本高昂且耗費時日的重新設計。

      盡管存在固有風險,但是一家創新型汽車公司特斯拉(Tesla)仍然認為ASIC路線是他們提供先進安全性功能的最佳選擇。特斯拉為此開發了自己的全自動駕駛(FSD)ASIC(請參閱“Tesla全自動駕駛ASIC”)。該項研發于2016年2月開始,歷時29個月,直到2018年7月ASIC才獲得生產認證資格。在將汽車出售給客戶之前的近三年的時間里,特斯拉需要確定所需的ASIC功能。他們決定采用一種架構,其包括:

      ● 集成以2.5G像素/秒速率運行的攝像頭接口

      ● 128位位寬的LPDDR4內存

      ● 攝像頭圖像信號處理器(ISP)

      ● H.265

      ● 支持FP32和FP16精度的圖形處理器(GPU)

      ● 12個ARM A72中央處理器(CPU)

      圖:特斯拉全自動駕駛架構展示

    面向未來的硬件

      但是,如果他們認為將要使用的攝像頭停產了,需要新的攝像頭ISP以獲得更好的微光性能,或者需要GPU來支持塊浮點而不是FP32呢?這些事情可能會導致ASIC被重新設計或重大的架構改變,從而推遲其未來的車輛生產。在ASIC中構建靈活性,支持在設計周期中后期增加這些功能,以避免ASIC重新設計和推遲生產,這會不會是一個更好的方案?

      在快進入到2020年的時候,我們看到汽車ASIC制造商通過開發包括嵌入式FPGA(eFPGA)半導體知識產權(IP)在內的新型ASIC架構來應對這一挑戰。盡管eFPGA在2016年特斯拉開發全自動駕駛芯片時還不是主流技術,但現在已經成為主流技術了。Achronix eFPGA IP現在已在多個大批量應用中投入生產,證明Achronix擁有可實現主流生產的能力?,F在,我們看到eFPGA IP正在被汽車原始設備制造商采用,以嵌入硬件可編程性,從而應對上述全新的挑戰。

      與只提供特定的邏輯密度、內存、資源組合和I/O接口的獨立FPGA芯片不同,eFPGA IP解決方案可以針對特定的汽車工作負載進行完全定制。與獨立的FPGA相比,eFPGA可節省高達90%的成本,并降低高達75%的功耗,同時在開發ASIC之后,還能提供同樣的能力來增加新的硬件功能。例如,改變硬件規格,以提供增強的雷達和攝像頭傳感器融合來滿足創新功能的需求,全新的、更強大的顯示技術,以及全新的圖像傳感器功能等。下面的框圖顯示了集成eFPGA的ASIC可以為汽車制造商提供的一些功能。

      圖:基于eFPGA IP的ADAS ASIC架構

      HD Cameras: 高清攝像頭

      5G Wireless: 5G無線

      77GHz Radar: 77GHz雷達

      Custom ASIC: 定制ASIC

      Analog Front End: 模擬前端

      eFPGA:嵌入式現場可編程邏輯門陣列?

      Sensor Interface: 傳感器接口

      Pixel Pre-processing: 像素預處理

      Radar Data Formatting: 雷達數據格式整理

      V2 Crypto: V2加密

      Video/Radar Fusion: 視頻/雷達融合

      Network Processing: 網絡處理

      Custom ASIC Accelerators: 定制ASIC加速器

      CPU Application Layer: CPU應用層Display Interface/Format Conversion: 顯示界面/格式轉換

      Vehicle Network Interface (CAN/Ethernet): 車輛網絡接口(CAN /以太網)

      Infotainment Display: 信息娛樂顯示

      使用Achronix的Speedcore eFPGA IP技術可以實現這種架構。Speedcore eFPGA IP提供了相對于傳統ASIC的競爭優勢,即可幫助廠商縮短開發時間,同時允許增加全新的和創新的功能,這些功能可以在ASIC硬件架構最終確定之后進行定義。eFPGA IP確實是汽車行業的游戲規則改變者。Achronix很高興看到eFPGA可以為未來的汽車ASIC設計帶來巨大的價值。

    (作者:Bob Siller - Achronix高級營銷經理)

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