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ADAS和汽車自動化:他山之石,可以攻玉

發(fā)布時間:2024-08-07 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】ADAS和AD加上用戶對信息娛樂和個性化的期望不斷提高,意味著汽車正在逐漸演變成為移動數(shù)據(jù)中心。因此,軟件定義汽車(SDV)所需的關(guān)鍵硬件元素(IC、電路板或模塊)之間的通信對于成功運營至關(guān)重要。事實上,現(xiàn)在有些汽車已經(jīng)包含超過1億行代碼,而Straits Research預(yù)計到2030年汽車軟件市場的規(guī)模將達到近580億美元,復(fù)合年增長率為14.8%。


在設(shè)計需要低延時和高能效的可擴展系統(tǒng)和應(yīng)用時,汽車制造商可以從數(shù)據(jù)中心那里獲益良多


納入高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)功能如今已成為汽車設(shè)計提高安全性和易用性的一個重要方面。制造商正在尋求打造具有更高自動化水平的汽車,并最終實現(xiàn)完全自動駕駛(AD)。


ADAS和AD加上用戶對信息娛樂和個性化的期望不斷提高,意味著汽車正在逐漸演變成為移動數(shù)據(jù)中心。因此,軟件定義汽車(SDV)所需的關(guān)鍵硬件元素(IC、電路板或模塊)之間的通信對于成功運營至關(guān)重要。事實上,現(xiàn)在有些汽車已經(jīng)包含超過1億行代碼,而Straits Research預(yù)計到2030年汽車軟件市場的規(guī)模將達到近580億美元,復(fù)合年增長率為14.8%。


軟件充滿了復(fù)雜性以及實時處理來自各種視覺系統(tǒng)傳感器(如攝像頭、雷達、激光雷達和超聲波)的大量數(shù)據(jù)帶來了不小的挑戰(zhàn)。例如,圖1表明汽車行業(yè)使用的傳統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)達到極限。以太網(wǎng)和控制器局域網(wǎng)(CAN)總線在未來的汽車架構(gòu)中仍會占有一席之地,但必須進行補充以滿足高性能計算平臺(HPC)在ADAS和AD中嵌入人工智能(AI)和機器學(xué)習(xí)(ML)的需求。


ADAS和汽車自動化:他山之石,可以攻玉

圖1——汽車正在成為車輪上的數(shù)據(jù)中心,因為ADAS必須實時處理來自不同類型傳感器的大量數(shù)據(jù)

[1]https://straitsresearch.com/report/automotive-software-market


PCIe?技術(shù)


外圍組件互連高速(PCIe)技術(shù)于2003年問世,旨在滿足計算行業(yè)的需求?,F(xiàn)在,PCIe已部署在航空航天和汽車領(lǐng)域,被用于在必須符合DO-254標(biāo)準(zhǔn)的固件中實施安全關(guān)鍵型應(yīng)用。


PCIe是一種點對點雙向總線,作為一種混合串行總線,它可以在單通道或2、4、8或16條并行通道中實施,以實現(xiàn)更大的帶寬。此外,每代PCIe的性能也都在不斷提升。圖2展示了PCIe的演變情況。


ADAS和汽車自動化:他山之石,可以攻玉

圖2——PCIe?的性能演變


PCIe已經(jīng)在一些汽車應(yīng)用中得到使用,它大約是在第4.0代投入使用。隨著第6.0代技術(shù)的性能提升,其數(shù)據(jù)傳輸速率為64 GTps,如果使用16個通道,則總帶寬可達到128 GBps?,F(xiàn)在正是采用PCIe的大好時機,值得注意的是,PCIe還提供了向后兼容性。


汽車正在成為車輪上的數(shù)據(jù)中心,我們來考慮在這樣一個前提下為什么將PCIe用于陸基數(shù)據(jù)中心。


高性能、低功耗


數(shù)據(jù)中心由一個或多個服務(wù)器和外設(shè)組成,其中包括存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)組件和I/O,以支持云中的HPC。PCIe于當(dāng)今的高性能處理器中發(fā)揮作用,成為在服務(wù)器與外設(shè)之間建立低延時、高速連接的理想總線。

例如,非易失性存儲器標(biāo)準(zhǔn)(NVMe)專門設(shè)計用于通過PCIe接口與閃存配合使用?;赑CIe的NVMe固態(tài)硬盤(SSD)比使用SATA接口的SSD提供更快的讀/寫速度。確實,所有的存儲系統(tǒng),無論是SSD還是機械硬盤,都無法提供復(fù)雜的AI和ML應(yīng)用所需的性能。


通過PCIe在服務(wù)器中運行的應(yīng)用程序之間提供低延時,這對云性能的提升有直接幫助。這意味著PCIe將被嵌入到處理器和NVMe SSD以外的組件當(dāng)中。它還與許多組件一起,為云與訪問云的系統(tǒng)之間提供網(wǎng)關(guān)。要注意的是,雖然汽車本身正在成為移動數(shù)據(jù)中心,但它們也將成為“智慧城市”之間移動的節(jié)點。


從功耗角度來看,NVMe在數(shù)據(jù)中心的使用也備受青睞。例如,美國能源部估計一個大型數(shù)據(jù)中心(擁有數(shù)萬臺設(shè)備)需要超過100 MW的電力,而這足以供8萬戶家庭的電力使用。而與同等規(guī)模的SATA SSD相比,NVMe SSD消耗的電量不到其三分之一。


在汽車領(lǐng)域,功耗無疑是一個重要因素,尤其是對于電動汽車(EV),會直接影響到續(xù)航里程。事實上,汽車工程師(尤其是電動汽車設(shè)計師),越來越關(guān)注尺寸、重量和功耗(SWaP)問題。鑒于未來實施ADAS可能需要高達1 kW的功率,而且還需要液冷系統(tǒng)來進行熱管理,所以這并不奇怪。


但同樣,我們有機會借鑒其他領(lǐng)域的經(jīng)驗。幾十年來,航空航天工業(yè)一直在設(shè)計滿足嚴(yán)格的SWaP和成本(SwaP-C)要求的產(chǎn)品,并且電源等液冷線路可更換單元(LRU)已在某些軍事平臺中使用了十多年之久。

從何處開始?


多年以來,數(shù)據(jù)中心一直在發(fā)揮PCIe硬件的優(yōu)勢,因為它們希望針對不同的工作負(fù)載來優(yōu)化系統(tǒng)。它們還擅長開發(fā)采用不同協(xié)議的互連系統(tǒng);例如,將PCIe用于對時間要求不高的通信(如以太網(wǎng)用于地理上分散的系統(tǒng))。


在汽車環(huán)境中,那些“對時間要求不高”的通信包括傳感器之間的遙測和照明控制。它們不一定需要PCIe,但在執(zhí)行實時處理且相距僅幾厘米的IC之間,需要使用PCIe來進行短距離、更高數(shù)據(jù)量的通信。因此,優(yōu)化的ADAS/AD系統(tǒng)很可能需要囊括以太網(wǎng)、CAN、SerDes以及PCIe。


與以太網(wǎng)不同,不存在特定的汽車PCIe標(biāo)準(zhǔn),但這并沒有限制其近年來在汽車應(yīng)用中的使用。同樣,航空航天PCIe標(biāo)準(zhǔn)的缺失也沒有阻止大型航空航天/國防企業(yè)(始終致力于追求SWaP-C優(yōu)勢)在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中使用該協(xié)議。

由于解決方案必須針對互操作性和可擴展性進行優(yōu)化,PCIe也在逐漸成為汽車行業(yè)首選的計算機互連解決方案,為CPU和專用加速器設(shè)備提供超低延時和低功耗的帶寬可擴展性。雖然還沒有出臺特定的汽車PCIe標(biāo)準(zhǔn),但半導(dǎo)體供應(yīng)商正在努力讓PCIe進一步在嚴(yán)苛的汽車環(huán)境中大放光彩。


2 https://www.eia.gov/outlooks/aeo/


ADAS和汽車自動化:他山之石,可以攻玉

圖 3——低延時、低功耗和連接性能出色的PCIe?交換芯片


例如,2022年,Microchip推出了業(yè)界首款符合Gen 4要求的汽車級PCIe交換芯片。這些交換芯片被稱為Switchtec? PFX、PSX和PAX,可提供ADAS架構(gòu)中分布式、實時、安全關(guān)鍵型數(shù)據(jù)處理所需的高速互連。除了這些交換芯片外,該公司還提供其他基于PCIe的硬件,包括NVMe控制器、NVRAM驅(qū)動器、重定時器、重驅(qū)動器和定時解決方案,以及基于閃存的FPGA和SoC。

最后,汽車行業(yè)必須考慮的另一件事是數(shù)據(jù)中心將資本支出視為一種對未來年金進行投資的方式。到目前為止,大多數(shù)汽車OEM一直認(rèn)為資本支出具有一次性回報(在購買時),這對于硬件來說行之有效。誠然,大多數(shù)OEM會不時對軟件更新收費,但SDV的商業(yè)模式需要全盤重新考慮。單純關(guān)注硬件的物料清單成本已不合時宜。


總結(jié)


為了提高汽車的自動化水平,汽車需要成為一個高性能計算的“車輪上的數(shù)據(jù)中心”,處理來自各種傳感器的大量數(shù)據(jù)。慶幸的是,HPC已然成熟,成為高頻交易(HFT)和云的AI/ML應(yīng)用程序的核心。經(jīng)過驗證的硬件架構(gòu)和通信協(xié)議(如PCIe)就擺在面前。這意味著汽車制造商可以從數(shù)據(jù)中心的HPC實施方式中受益匪淺。


由于AWS、Google和其他云服務(wù)提供商多年來一直在開發(fā)和優(yōu)化其HPC平臺,因此大部分硬件和軟件可以在需要時信手拈來。汽車制造商可以坐享這些現(xiàn)有的HPC架構(gòu),而不用重新發(fā)明,從零開始來打造解決方案。


參考資料

  1. https://straitsresearch.com/report/automotive-software-market

來源:Microchip ,USB和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部產(chǎn)品營銷經(jīng)理,Daniel Leih)


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