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7nm高性能智能驾舱芯片算力与架构设计场景分析

Release Time:2022-03-23 Author:芯擎科技(ji)

2021年3月19日,由ATC汽车技术(shu)(shu)(shu)平台旗(qi)下的(de)(de)(de)ATC会(hui)(hui)议举办的(de)(de)(de)「2021汽车车载芯片技术(shu)(shu)(shu)峰会(hui)(hui)」在上海顺(shun)利召(zhao)开。作为业内(nei)技术(shu)(shu)(shu)最(zui)为密(mi)集、讨论话题(ti)最(zui)为前沿的(de)(de)(de)汽车技术(shu)(shu)(shu)交(jiao)流会(hui)(hui),ATC汽车技术(shu)(shu)(shu)会(hui)(hui)议特邀合作伙伴芯擎科技产品管理高(gao)级总(zong)监蒋汉平博(bo)士,作为本(ben)届芯片峰会(hui)(hui)的(de)(de)(de)演讲嘉宾(bin)分享(xiang)《7nm高(gao)性能(neng)智能(neng)驾(jia)舱芯片算(suan)力与架构(gou)设计场(chang)景(jing)分析》。蒋博士系统的阐述了作为高端(duan)数字驾(jia)舱车规芯片(pian)所应(ying)具备的五个必选项(xiang)。
7nm工艺制(zhi)程是(shi)高性能智能驾舱(cang)车(che)规芯片(pian)的必选项

  1. 相对于10+nm, 7nm的工艺节点会带来显著的优点:
    1. 芯片集成度更高。单位面积的晶圆上可以放置更多的逻辑门,同时封装面积变小,节约了晶圆成本和封装成本,进一步节约了成品芯片在单板上所占的面积,使得相同大小的电子产品功能更多,速度更快。

  2. 2. 芯片耗电(dian)量更(geng)低。同样大小(xiao)的(de)逻辑电(dian)路(lu)做出来,用更(geng)先进的(de)工艺会导(dao)致耗电(dian)量更(geng)低,进而导(dao)致功耗变(bian)低。

  3. 3. 响应速度更快。单管开断速度更快,同样的逻辑电路能够跑到的主频更高,性能大幅提升。

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针对(dui)10+nm的工(gong)艺(yi)(yi)节点(dian),比对(dui)了7nm的优势: 相比起(qi)10+nm节点(dian)工(gong)艺(yi)(yi),7nm平均(jun)晶体(ti)管(guan)密度(du)接近100MTr/mm2,是10+nm工(gong)艺(yi)(yi)的3.3倍,在同(tong)等(deng)功(gong)(gong)耗上提供35~40%的速(su)度(du)提升或(huo)者可以(yi)降低(di)65%的功(gong)(gong)耗;同(tong)时7nm相对(dui)10+nm,提供更高占比的动(dong)态(tai)功(gong)(gong)耗(>90%),这样才能真正发挥各个计(ji)算单元(CPU、GPU等(deng)等(deng))有(you)效(xiao)算力,同(tong)时降低(di)静态(tai)功(gong)(gong)耗,减少漏电(dian)效(xiao)应,提供高效(xiao)的热管(guan)理。所以针对高性能的数字驾舱SOC,7nm车规是必选项性。

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蒋博士说,工艺和设计是相辅相成的。代工厂(Fab)和芯片设计公司(fabless)的合作模式需要相向而行:设计公司拿自己设计的芯片来投产,然后进行出厂检测;代工厂进行代工生产和工艺改进,中间会出现各种各样的问题。比如:良率低了到底是设计的时序余量不足,还是工艺波动;性能差了是设计的环路稳定性不够,还是工艺参数设置错误?工艺参数的提取,仿真模型的构建与修改,同一芯片不同工艺下的参数对照,最终都是要Fab和Fabless共同努力的结果。针对不同工艺,芯片设计要做的工作也不尽相同,冗余电路、备份设计都是需要在芯片设计阶段增加的内容, 这些都是先进工艺才会出现并考虑的问题,需要长期合作积累经验才能完成最终的量产,没有捷径可走。

他(ta)特别强调:7nm的设计难度更大,对芯片设计公司(si)而(er)言也是机会(hui),为何设计难度大是优点呢?难度高(gao),增加了电子行业(ye)的(de)马太效应,强(qiang)者越强(qiang),弱(ruo)者恒弱(ruo)。护城河加大(da),行业(ye)壁垒增高(gao),后(hou)来者难以攀登, 和10+nm半导体(ti)工艺的(de)百(bai)花齐放相比,很多在(zai)10+nm大(da)放异彩(cai)的(de)半导体(ti)公司(si)都在(zai)7nm制程(cheng)处遭遇到了苦头。芯擎的(de)工程(cheng)师团队在(zai)10nm及更(geng)先进工艺制程(cheng)上积累的(de)量产(chan)经验在(zai)业(ye)界都是(shi)领先的(de),这样无疑为高(gao)性(xing)能的(de)智能驾(jia)舱(cang)芯片的(de)量产(chan)提供经验和能力保证。

功能安全(quan)和信息(xi)安全(quan)是车规(gui)芯片(pian)的必选项(xiang)
汽(qi)车电子系统愈加复杂,由(you)电气、电子系统故障导致的风险(xian)也越(yue)来(lai)越(yue)高,区别与移动终(zhong)端(duan)芯片(pian)的架构,如何(he)量化评估汽(qi)车功(gong)能是否安(an)全,如何(he)减少、规避风险(xian),如何(he)做(zuo)到汽(qi)车功(gong)能安(an)全和信息安(an)全等问题变得十分突出(chu)。


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芯擎公司拥有一个专门的功能安全工程师团队,涵盖组织内的所有功能安全项目,J9九游会AG 有一些传统的设计,比如架构设计中某些部分的内存保护和监视器,同时也采取了针对汽车驾驶场景的安全保证措施,而不仅仅是对硬件组件负责,评估系统中元件故障的临界点。比如,根据 ISO26262标准规定,仪表盘的关键数据和代码与娱乐信息系统属于不同功能安全等级,J9九游会AG 芯片上安全岛(Safety island)的安全等级达到ASIL-D, 通过与各个子系统及接口的配合,保护车内仪表盘屏幕显示的特定部分达到ASIL-B,从而实现性能和安全性之间的平衡。

数字驾舱通过MCU/ECU等进行通信,使数字座舱能提供的信息和反馈越来越实时和高效。为保证安全就需要厂商与各大互联网公司和电信企业之前的密切合作来保证云端数据和车身数据的安全。芯擎采用了信息安全岛(Security Island)的设计加强对个人和车辆的数据保护,芯片支持SM2/SM3/SM4国密算法。

软硬件(jian)解耦是(shi)电子电气架(jia)构演进和软件(jian)定义汽(qi)车的必(bi)选(xuan)项

进(jin)入2020年汽车(che)的变(bian)革呈现出加(jia)速激(ji)变(bian)的现象,整(zheng)个(ge)行(xing)业面(mian)临着新的挑(tiao)战(zhan),自动(dong)驾(jia)驶,智(zhi)能网(wang)联,软件定义(yi)汽车(che),应对这个(ge)挑(tiao)战(zhan)主要需要三个(ge)方面(mian)的准备:

  1. 1. 电子(zi)电气架构

  2. 2. 芯片

  3. 3. 软件生(sheng)态


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汽(qi)车软(ruan)件(jian)复杂度的(de)(de)发(fa)展趋势(shi)(shi),基本上(shang)呈(cheng)现出(chu)指(zhi)数增(zeng)(zeng)长的(de)(de)趋势(shi)(shi),这个(ge)趋势(shi)(shi)其实可以反映出(chu)汽(qi)车对芯片(pian)计(ji)(ji)算(suan)(suan)能力(li)的(de)(de)需(xu)求(qiu)趋势(shi)(shi),也(ye)反映出(chu)汽(qi)车电子(zi)(zi)电子(zi)(zi)系(xi)统(tong)的(de)(de)变化(hua)趋势(shi)(shi)。第一个(ge)阶(jie)段是(shi)分(fen)布式(shi),功能扩展阶(jie)段,对新功能的(de)(de)需(xu)求(qiu)持续做加法(fa),但是(shi)一直做加法(fa)会遇(yu)到瓶颈(jing),这种模式(shi)难以为继;第二个(ge)阶(jie)段,也(ye)就是(shi)域(yu)融(rong)合(he)/集中(zhong)化(hua)阶(jie)段,逐(zhu)渐(jian)由(you)软(ruan)件(jian)来定义功能,整个(ge)过程是(shi)计(ji)(ji)算(suan)(suan)逐(zhu)渐(jian)集中(zhong)化(hua)和算(suan)(suan)力(li)迅速增(zeng)(zeng)长的(de)(de)过程。分(fen)布式(shi)架(jia)构(gou)的(de)(de)软(ruan)硬件(jian)是(shi)耦合(he)在一起的(de)(de),由(you)不同供应商提供,升(sheng)级(ji)很难,中(zhong)央计(ji)(ji)算(suan)(suan)架(jia)构(gou)下软(ruan)硬件(jian)分(fen)离,便于更新升(sheng)级(ji),集中(zhong)化(hua)架(jia)构(gou)处(chu)理(li)(li)跨域(yu)功能主要由(you)中(zhong)央计(ji)(ji)算(suan)(suan)单元处(chu)理(li)(li),架(jia)构(gou)和管理(li)(li)要简单很多(duo)。

高性能的数字驾舱芯片采用异构计算架构,系统计算资源多样化,至少包括CPU/GPU/ISP/DPU/NPU/DSP等等,还包括大量的车内高速接口,虚拟机管理的概念被引入智能座舱操作系统,但是Hypervisor在车内软硬件适配过程中还是一个新生事物,缺乏丰富开发经验的软件人员和成熟高效的硬件适配方案,不完全依托Hypervisor实现不同功能安全等级OS共存成为快速推进软件一体化聚合的关键。

芯擎科技的架构师根据功能安全不同要求将主要计算引擎分成算力大小不同的域,在单一芯片架构上形成了硬件隔离方案,不同的硬件域可以分别支持实时性要求高,具有功能安全的OS和计算密集型的OS;随着Hypervisor方案的成熟,后期可以平滑过渡到在算力较大的域上支持Hypervisor,从而差异化分布不同要求的OS,在这个演进过程中,芯片架构和软件架构完全相同,通过简单明晰的配置就可以规避Hypervisor成熟过程中引入的不确定性,提升生态适配能力与量产时间。

企引领需求导入是提升芯片量产时间的必选项
此前(qian)智能(neng)座舱(cang)的各功(gong)能(neng)都需要(yao)不同(tong)专(zhuan)用芯(xin)片实现,如此一来不仅提升了(le)车企产品(pin)研发的复杂(za)度和研发投入,后期想要(yao)在已(yi)有(you)系(xi)统(tong)上进一步扩展(zhan)功(gong)能(neng),也比(bi)较困(kun)难(nan)。目(mu)前(qian),智能(neng)座舱(cang)已(yi)成为(wei)各路玩家的新(xin)战场(chang),无论是新势力造车力量和传统车企已经主动打破边界,由被动的接受通用芯片和生态提供的解决方案,转变到亲自下场制定芯片的规格和量产车型。智(zhi)能座舱在国内车企的(de)参与下快速渗透,他们(men)积(ji)极(ji)寻找智(zhi)能网(wang)联、自动驾(jia)驶的(de)转型(xing)升(sheng)级;同时意图将(jiang)对(dui)数据的(de)闭(bi)环控(kong)制和算法的(de)闭(bi)环优(you)化完全掌控(kong)在自己手上,所以真正“完美”的数字驾舱方案一定是与整车紧密耦合的,这个与目前互联网大厂自己制定芯片规格,并搭建数据服务平台如出一辙,那些仅仅借某一领域的能力结合生态系统去驾驭数字驾舱和自动驾驶的芯片设计公司,很难高效的适配快速的技术演进与需求膨胀。
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蒋(jiang)博士从芯擎数(shu)(shu)字驾舱芯片(pian)(pian)规格制定(ding)和架(jia)构(gou)设(she)计过程中(zhong),明显(xian)感到车(che)企比如吉利集(ji)团和亿咖通发(fa)挥的(de)(de)巨大作用:吉利集(ji)团提供(gong)了目前(qian)和未来(lai)先进的(de)(de)电子电气架(jia)构(gou)及整车(che)生态,芯擎芯片(pian)(pian)在(zai)规格指定(ding)时就针对未来(lai)几年的(de)(de)量产车(che)型(xing)的(de)(de)关(guan)键应用进行SOC架(jia)构(gou)设(she)计;在(zai)工程阶(jie)段,所有(you)的(de)(de)参(can)考设(she)计、软硬件系(xi)统架(jia)构(gou)、成本模型(xing)都(dou)按照指定(ding)车(che)型(xing)进行计划;在(zai)量产阶(jie)段,直接将已经量产的(de)(de)生态系(xi)统平移到新的(de)(de)平台(tai)上,所有(you)的(de)(de)研发(fa)和生产路径(jing)都(dou)围绕芯片(pian)(pian)量产上车(che)这(zhei)个环节展开(kai),数(shu)(shu)据和算法按照车(che)企的(de)整(zheng)体规划进行定制和(he)管理,不存在所(suo)谓生(sheng)态系统里“大(da)海捞针”,这样需(xu)求的(de)准确(que)性和(he)时效性得到了最大(da)程度的(de)保障(zhang)。这也是芯(xin)擎公司对即(ji)将量产(chan)的(de)数字驾舱芯(xin)片信心十足(zu)的(de)关键所(suo)在!
精准高效的算力匹配是支持电子电气架构变革的必选项

芯片是电子电气架构变革的基石,为了配合域融合/中央计算的趋势,芯片算力的变化趋势和预埋能力提升也很明显,而且呈现出加速增长的趋势。

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J9九游会AG 总结了一(yi)下从2010年(nian)(nian)起量(liang)(liang)产车(che)型中典型的(de)(de)(de)(de)(de)娱乐域芯片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)力趋势。CPU在(zai)(zai)2010年(nian)(nian)车(che)机(ji)(ji)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)娱乐系(xi)统芯片(pian)和(he)(he)手(shou)(shou)机(ji)(ji)芯片(pian)算(suan)(suan)力的(de)(de)(de)(de)(de)差距并不,都在(zai)(zai)10K DMIPS的(de)(de)(de)(de)(de)量(liang)(liang)级,随(sui)后手(shou)(shou)机(ji)(ji)芯片(pian)算(suan)(suan)力平均每年(nian)(nian)要(yao)增(zeng)长25%以(yi)上(shang),十年(nian)(nian)下来增(zeng)长了十倍,目前在(zai)(zai)研(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)车(che)机(ji)(ji)系(xi)统的(de)(de)(de)(de)(de)芯片(pian)算(suan)(suan)力已经在(zai)(zai)向手(shou)(shou)机(ji)(ji)系(xi)统看齐(qi)了;GPU方面,汽车(che)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)高清屏幕越来越多,甚至可(ke)以(yi)玩3D游戏,GPU的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)长趋势更陡峭,提升(sheng)了几十倍; NPU是加速人工智能应(ying)用的(de)(de)(de)(de)(de)计算(suan)(suan)单(dan)元,两年(nian)(nian)之后的(de)(de)(de)(de)(de)NPU的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)力会迅速增(zeng)长,大(da)约会在(zai)(zai)4T到(dao)10T左(zuo)右(you),智能语(yu)音(yin)(yin)要(yao)在(zai)(zai)本地(di)处理语(yu)音(yin)(yin)识别(bie),自然语(yu)言理解,语(yu)音(yin)(yin)合成(cheng),基(ji)本上(shang)业(ye)界采用的(de)(de)(de)(de)(de)是CPU+语(yu)音(yin)(yin)DSP+NPU的(de)(de)(de)(de)(de)做法,算(suan)(suan)力一(yi)般(ban)在(zai)(zai)200GOPS以(yi)上(shang)。驾驶员监控是欧盟新车(che)安全评鉴协(xie)会(Euro NCAP)2022年(nian)(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)强制标(biao)(biao)准(zhun),包(bao)括人脸识别(bie),疲劳检(jian)测(ce),分(fen)心检(jian)测(ce),抽烟检(jian)测(ce),打电话(hua)检(jian)测(ce)等等,大(da)部分(fen)检(jian)测(ce)的(de)(de)(de)(de)(de)延(yan)迟(chi)要(yao)求(qiu)都在(zai)(zai)30ms以(yi)内(nei),这里J9九游会AG 给(ji)出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)2TOPS是个(ge)典型需(xu)(xu)求(qiu)。车(che)外摄像头(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)InfoADAS算(suan)(suan)法需(xu)(xu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)力更高,交通标(biao)(biao)志识别(bie),车(che)道(dao)线识别(bie),雨量(liang)(liang)识别(bie)等等,包(bao)括环视(shi)4个(ge)摄像头(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)目标(biao)(biao)识别(bie),对实时性和(he)(he)算(suan)(suan)力的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)很高,至少需(xu)(xu)要(yao)4TOPS左(zuo)右(you)的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)力才(cai)能同时应(ying)付(fu)这些需(xu)(xu)求(qiu)。综合在(zai)(zai)一(yi)起基(ji)本NPU的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)力需(xu)(xu)求(qiu)在(zai)(zai)6TOPS左(zuo)右(you)。

过去,车(che)(che)内(nei)娱乐芯片市(shi)场(chang)的(de)传统厂商由瑞萨、恩智浦、TI、英飞(fei)凌等(deng)汽车(che)(che)芯片巨头垄(long)断。芯擎科技作为高端国产车(che)(che)载芯片设(she)计公(gong)司,强势入(ru)局(ju)智能驾(jia)舱市(shi)场(chang),蒋博(bo)士初(chu)步(bu)揭示了(le)即(ji)将量产并提供参考(kao)设(she)计的(de)SE1000场(chang)景规格。

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SE1000是采用业(ye)(ye)界领先(xian)的(de)(de)7纳(na)米工(gong)艺(yi)制程设计(ji)(ji)的(de)(de)新一代(dai)高(gao)(gao)性(xing)能(neng)(neng)(neng)、低(di)功耗车(che)(che)规(gui)级(ji)智能(neng)(neng)(neng)座舱芯片(pian),赋能(neng)(neng)(neng)日(ri)益丰(feng)富的(de)(de)车(che)(che)载(zai)信(xin)息(xi)娱乐系(xi)统(tong)(tong)。高(gao)(gao)性(xing)能(neng)(neng)(neng)定制CPU集群(qun),通过面向异构计(ji)(ji)算而精心设计(ji)(ji)的(de)(de)SOC系(xi)统(tong)(tong),可(ke)以为(wei)用户提(ti)(ti)供卓越的(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)(neng)体(ti)验。内置(zhi)高(gao)(gao)性(xing)能(neng)(neng)(neng)嵌入式AI神经网络(luo)处(chu)理单元(yuan)(yuan),提(ti)(ti)供更多(duo)(duo)(duo)个性(xing)化(hua)的(de)(de)智能(neng)(neng)(neng)语音、机器视觉及(ji)辅助自动驾驶体(ti)验。新一代(dai)多(duo)(duo)(duo)核心的(de)(de)图形处(chu)理单元(yuan)(yuan),可(ke)以动态根据负(fu)载(zai)进(jin)行资源分配(pei);一机多(duo)(duo)(duo)屏(ping)多(duo)(duo)(duo)系(xi)统(tong)(tong),支(zhi)持多(duo)(duo)(duo)个高(gao)(gao)分辨率(lv)屏(ping)幕同时输出;内置(zhi)高(gao)(gao)性(xing)能(neng)(neng)(neng)音频(pin)信(xin)号(hao)处(chu)理单元(yuan)(yuan)及(ji)丰(feng)富的(de)(de)音频(pin)接(jie)口(kou),为(wei)用户提(ti)(ti)供丰(feng)富超凡的(de)(de)音视频(pin)娱乐体(ti)验。具(ju)备高(gao)(gao)安全等级(ji)的(de)(de)“安全岛”设计(ji)(ji),满(man)足(zu)ISO26262车(che)(che)规(gui)认(ren)证,确保汽车(che)(che)功能(neng)(neng)(neng)安全;专(zhuan)业(ye)(ye)的(de)(de)硬件加(jia)/解密引擎为(wei)车(che)(che)载(zai)应用提(ti)(ti)供了安全信(xin)保证。同时,提(ti)(ti)供丰(feng)富的(de)(de)高(gao)(gao)性(xing)能(neng)(neng)(neng)通信(xin)及(ji)外(wai)围接(jie)口(kou)支(zhi)持能(neng)(neng)(neng)力。

《7NM-算力和架构设计场景分析》配图9.jpg

图注:从左往右第三位(wei)系湖北芯擎科(ke)技(ji)有(you)限(xian)公(gong)司产品管理高级总监(jian) 蒋汉平博士
作为(wei)本(ben)届汽车(che)车(che)载芯(xin)(xin)片应(ying)(ying)用技术峰会的(de)重(zhong)要环节,蒋汉平(ping)博士受邀(yao)作为(wei)访谈嘉(jia)宾参与(yu)本(ben)届的(de)圆桌(zhuo)论坛,现(xian)场与(yu)多位业内(nei)(nei)领袖(xiu)以及汽车(che)领域从业者进(jin)行(xing)深(shen)度(du)交流,并展开了(le)精彩(cai)的(de)头脑碰撞,共同(tong)探讨汽车(che)芯(xin)(xin)片行(xing)业发展的(de)热点难点技术问题(ti),他认为(wei),目前芯(xin)(xin)片行(xing)业处于(yu)变革时(shi)间,国内(nei)(nei)的(de)芯(xin)(xin)片设计(ji)企业应(ying)(ying)该尽快的(de)抓住行(xing)业的(de)契(qi)机(ji),把握好方向,发展重(zhong)点行(xing)业,解决芯(xin)(xin)片“卡(ka)脖子”问题(ti),进(jin)而(er)缩小与(yu)先进(jin)国家的(de)差距,完成中国芯(xin)(xin)片设计(ji)公司的(de)使(shi)命与(yu)责任。

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