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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

发(fa)布时间:2022-03-23 作(zuo)者:芯擎(qing)科技

2021年(nian)3月19日,由ATC汽车(che)技(ji)术(shu)(shu)平(ping)台旗下的(de)ATC会(hui)(hui)议(yi)举办(ban)的(de)「2021汽车(che)车(che)载芯(xin)片技(ji)术(shu)(shu)峰会(hui)(hui)」在上海顺利召开。作为业内技(ji)术(shu)(shu)最为密集、讨论话题最为前沿(yan)的(de)汽车(che)技(ji)术(shu)(shu)交(jiao)流会(hui)(hui),ATC汽车(che)技(ji)术(shu)(shu)会(hui)(hui)议(yi)特邀合作伙伴芯(xin)擎(qing)科技(ji)产品管理高级总(zong)监蒋(jiang)汉平(ping)博士,作为本届(jie)芯(xin)片峰会(hui)(hui)的(de)演讲嘉(jia)宾分(fen)享《7nm高性能智能驾舱芯(xin)片算(suan)力与架构设计(ji)场(chang)景分(fen)析》。蒋博士系统的(de)阐述了(le)作为(wei)高端数字驾舱车(che)规(gui)芯(xin)片(pian)所应(ying)具备的(de)五个必选项(xiang)。
7nm工艺制程(cheng)是高性能智能驾舱车规芯片的必(bi)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(hao)电量(liang)(liang)更低。同样大小的(de)逻(luo)辑(ji)电路做出来(lai),用更先进的(de)工(gong)艺会(hui)导致耗(hao)电量(liang)(liang)更低,进而导致功耗(hao)变低。

  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10+nm的工(gong)艺(yi)节点,比对了(le)7nm的优势: 相比起(qi)10+nm节点工(gong)艺(yi),7nm平均(jun)晶体管(guan)密度(du)接近100MTr/mm2,是10+nm工(gong)艺(yi)的3.3倍(bei),在(zai)同等功耗(hao)上(shang)提(ti)供35~40%的速度(du)提(ti)升或者可以降低65%的功耗(hao);同时7nm相对10+nm,提(ti)供更高占(zhan)比的动态功耗(hao)(>90%),这样才能真正发挥各个计算单(dan)元(CPU、GPU等等)有效(xiao)算力,同时降低静态功耗(hao),减少漏(lou)电(dian)效(xiao)应(ying),提(ti)供高效(xiao)的热管(guan)理(li)。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。

他特别强调:7nm的设(she)计难(nan)度更(geng)大,对芯片设(she)计公司而言也(ye)是(shi)机会,为何设(she)计难(nan)度大是(shi)优点呢?难度高(gao)(gao),增加了电(dian)子行业的(de)马太效应,强(qiang)者(zhe)越强(qiang),弱者(zhe)恒弱。护城(cheng)河加大,行业壁垒(lei)增高(gao)(gao),后(hou)来者(zhe)难以(yi)攀登, 和10+nm半导(dao)体(ti)工(gong)艺的(de)百花齐放(fang)相比,很多在(zai)10+nm大放(fang)异(yi)彩(cai)的(de)半导(dao)体(ti)公司都(dou)(dou)在(zai)7nm制(zhi)程(cheng)(cheng)处(chu)遭(zao)遇到了苦头。芯(xin)擎(qing)的(de)工(gong)程(cheng)(cheng)师团队在(zai)10nm及更先进工(gong)艺制(zhi)程(cheng)(cheng)上积累(lei)的(de)量(liang)产经验(yan)在(zai)业界都(dou)(dou)是领先的(de),这(zhei)样无(wu)疑(yi)为高(gao)(gao)性能的(de)智能驾舱(cang)芯(xin)片(pian)的(de)量(liang)产提供(gong)经验(yan)和能力(li)保证(zheng)。

功能(neng)安(an)全和信息安(an)全是车规(gui)芯片的必选(xuan)项
汽(qi)车电子系统愈加(jia)复杂,由电气、电子系统故障导致(zhi)的风险(xian)也越(yue)来越(yue)高,区别与移(yi)动终端芯片的架构(gou),如(ru)(ru)何量(liang)化评估汽(qi)车功能是否(fou)安全,如(ru)(ru)何减少、规避风险(xian),如(ru)(ru)何做到汽(qi)车功能安全和信息安全等问题变得十分(fen)突出。


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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(ying)件解耦是电(dian)子电(dian)气(qi)架构(gou)演进和(he)软件定义汽车的必(bi)选项

进(jin)入2020年汽车的(de)(de)变(bian)革呈现出加速激变(bian)的(de)(de)现象,整个(ge)行业面临着新的(de)(de)挑战,自(zi)动(dong)驾驶(shi),智能(neng)网联,软件定(ding)义汽车,应对这个(ge)挑战主要需要三个(ge)方面的(de)(de)准备:

  1. 1. 电子电气架(jia)构

  2. 2. 芯片

  3. 3. 软(ruan)件生态


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汽(qi)车软(ruan)件(jian)(jian)复杂(za)度的(de)发(fa)展趋势(shi),基本上(shang)呈现出(chu)指数增(zeng)长(zhang)的(de)趋势(shi),这个趋势(shi)其实可(ke)以反映出(chu)汽(qi)车对芯片计(ji)算能力的(de)需(xu)求趋势(shi),也反映出(chu)汽(qi)车电子电子系统的(de)变化(hua)趋势(shi)。第一(yi)个阶(jie)段(duan)是(shi)(shi)分(fen)布式(shi)(shi),功(gong)能扩展阶(jie)段(duan),对新功(gong)能的(de)需(xu)求持续做加法(fa),但是(shi)(shi)一(yi)直做加法(fa)会(hui)遇到瓶颈,这种模式(shi)(shi)难以为继(ji);第二(er)个阶(jie)段(duan),也就是(shi)(shi)域融合/集中(zhong)化(hua)阶(jie)段(duan),逐(zhu)渐由(you)软(ruan)件(jian)(jian)来定(ding)义功(gong)能,整个过(guo)(guo)程是(shi)(shi)计(ji)算逐(zhu)渐集中(zhong)化(hua)和(he)算力迅速增(zeng)长(zhang)的(de)过(guo)(guo)程。分(fen)布式(shi)(shi)架(jia)(jia)构(gou)的(de)软(ruan)硬件(jian)(jian)是(shi)(shi)耦合在一(yi)起的(de),由(you)不同供(gong)应商(shang)提供(gong),升(sheng)(sheng)级(ji)很(hen)难,中(zhong)央计(ji)算架(jia)(jia)构(gou)下软(ruan)硬件(jian)(jian)分(fen)离,便(bian)于更新升(sheng)(sheng)级(ji),集中(zhong)化(hua)架(jia)(jia)构(gou)处(chu)理跨域功(gong)能主(zhu)要由(you)中(zhong)央计(ji)算单元处(chu)理,架(jia)(jia)构(gou)和(he)管理要简单很(hen)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
此前智能(neng)座舱的各(ge)功(gong)能(neng)都(dou)需要不同专用芯片实现(xian),如(ru)此一来不仅提升(sheng)了车(che)企产(chan)品研发的复杂度(du)和研发投入,后期想要在已有系(xi)统上进一步(bu)扩(kuo)展功(gong)能(neng),也(ye)比较(jiao)困难。目前,智能(neng)座舱已成为(wei)各(ge)路玩(wan)家的新战场,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。智能座(zuo)舱在国内车(che)企的参与下快速渗透,他们积极寻找智能网(wang)联、自动驾驶的转型升级;同时意图将对数据的闭(bi)环控(kong)制和算法的闭(bi)环优化(hua)完全掌控(kong)在自己手上(shang),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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蒋博士从芯擎数(shu)字驾舱芯片(pian)规(gui)格(ge)制定(ding)和架构设计(ji)(ji)过程中(zhong),明显感(gan)到车(che)企(qi)比如(ru)吉利集团(tuan)(tuan)和亿咖通发(fa)挥的巨大(da)作用:吉利集团(tuan)(tuan)提供了目前和未(wei)来先进的电子电气架构及(ji)整车(che)生态,芯擎芯片(pian)在规(gui)格(ge)指定(ding)时(shi)就针对未(wei)来几年的量产(chan)车(che)型(xing)的关键应用进行SOC架构设计(ji)(ji);在工程阶(jie)段,所(suo)有的参考设计(ji)(ji)、软硬件(jian)系(xi)统(tong)架构、成本(ben)模型(xing)都按照指定(ding)车(che)型(xing)进行计(ji)(ji)划;在量产(chan)阶(jie)段,直接将(jiang)已经量产(chan)的生态系(xi)统(tong)平(ping)移到新的平(ping)台上,所(suo)有的研发(fa)和生产(chan)路(lu)径(jing)都围绕芯片(pian)量产(chan)上车(che)这(zhei)个环节(jie)展(zhan)开(kai),数(shu)据(ju)和算法按照车(che)企的整体规划进行(xing)定(ding)制和管理(li),不存(cun)在所谓生态系统里“大(da)海(hai)捞针”,这样需求的准确性和时效性得到了最大(da)程度的保障(zhang)。这也是芯(xin)擎公(gong)司对即将量产的数字驾(jia)舱芯(xin)片信(xin)心十足的关键所在!
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 总结了一下(xia)从2010年(nian)(nian)起(qi)量(liang)产车(che)型(xing)中(zhong)典(dian)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)娱(yu)乐域芯片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)趋(qu)势(shi)。CPU在(zai)2010年(nian)(nian)车(che)机(ji)(ji)上的(de)(de)(de)(de)(de)娱(yu)乐系(xi)统(tong)(tong)芯片(pian)和(he)(he)手(shou)机(ji)(ji)芯片(pian)算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)差距并不(bu),都(dou)在(zai)10K DMIPS的(de)(de)(de)(de)(de)量(liang)级,随后手(shou)机(ji)(ji)芯片(pian)算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)平均(jun)每(mei)年(nian)(nian)要(yao)增(zeng)长(zhang)25%以(yi)上,十(shi)年(nian)(nian)下(xia)来(lai)增(zeng)长(zhang)了十(shi)倍(bei),目(mu)(mu)前在(zai)研的(de)(de)(de)(de)(de)车(che)机(ji)(ji)系(xi)统(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)芯片(pian)算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)已(yi)经在(zai)向手(shou)机(ji)(ji)系(xi)统(tong)(tong)看齐了;GPU方(fang)面(mian),汽车(che)上的(de)(de)(de)(de)(de)高清屏(ping)幕越来(lai)越多,甚至可以(yi)玩3D游戏,GPU的(de)(de)(de)(de)(de)增(zeng)长(zhang)趋(qu)势(shi)更陡(dou)峭(qiao),提(ti)升了几十(shi)倍(bei); NPU是(shi)加速(su)人工(gong)智能应用的(de)(de)(de)(de)(de)计算(suan)(suan)(suan)单元,两年(nian)(nian)之后的(de)(de)(de)(de)(de)NPU的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)会迅(xun)速(su)增(zeng)长(zhang),大(da)约(yue)会在(zai)4T到10T左右(you),智能语(yu)音要(yao)在(zai)本地处理语(yu)音识别(bie),自然语(yu)言理解,语(yu)音合(he)成,基本上业界采用的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)CPU+语(yu)音DSP+NPU的(de)(de)(de)(de)(de)做法(fa),算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)一般(ban)在(zai)200GOPS以(yi)上。驾驶员(yuan)监(jian)控是(shi)欧(ou)盟(meng)新车(che)安全评(ping)鉴协会(Euro NCAP)2022年(nian)(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)强制标(biao)(biao)准(zhun),包括人脸识别(bie),疲劳检(jian)测(ce),分心检(jian)测(ce),抽烟检(jian)测(ce),打电话检(jian)测(ce)等(deng)(deng)等(deng)(deng),大(da)部分检(jian)测(ce)的(de)(de)(de)(de)(de)延迟要(yao)求(qiu)(qiu)都(dou)在(zai)30ms以(yi)内,这里J9九游会AG 给出的(de)(de)(de)(de)(de)2TOPS是(shi)个典(dian)型(xing)需(xu)(xu)求(qiu)(qiu)。车(che)外摄像头的(de)(de)(de)(de)(de)InfoADAS算(suan)(suan)(suan)法(fa)需(xu)(xu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)更高,交通标(biao)(biao)志识别(bie),车(che)道线(xian)识别(bie),雨(yu)量(liang)识别(bie)等(deng)(deng)等(deng)(deng),包括环视4个摄像头的(de)(de)(de)(de)(de)目(mu)(mu)标(biao)(biao)识别(bie),对(dui)实时性和(he)(he)算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)求(qiu)(qiu)很高,至少需(xu)(xu)要(yao)4TOPS左右(you)的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)才(cai)能同时应付这些需(xu)(xu)求(qiu)(qiu)。综合(he)在(zai)一起(qi)基本NPU的(de)(de)(de)(de)(de)算(suan)(suan)(suan)力(li)(li)(li)需(xu)(xu)求(qiu)(qiu)在(zai)6TOPS左右(you)。

过(guo)去(qu),车内娱乐芯(xin)片(pian)市场的传统厂商由瑞(rui)萨、恩智(zhi)浦、TI、英(ying)飞(fei)凌等(deng)汽(qi)车芯(xin)片(pian)巨头垄断(duan)。芯(xin)擎科技作为(wei)高(gao)端(duan)国产(chan)车载芯(xin)片(pian)设计公司,强势入局智(zhi)能驾舱市场,蒋博士初步揭示了(le)即将量产(chan)并(bing)提供(gong)参考设计的SE1000场景规格。

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SE1000是采(cai)用(yong)业(ye)界领先的(de)(de)7纳米工艺制(zhi)程设计(ji)的(de)(de)新(xin)一代高性(xing)(xing)(xing)能、低(di)功(gong)(gong)耗车(che)(che)规(gui)级(ji)智能座舱芯片,赋(fu)能日益丰(feng)富(fu)(fu)(fu)的(de)(de)车(che)(che)载(zai)信息娱乐(le)系统。高性(xing)(xing)(xing)能定制(zhi)CPU集群,通过面(mian)向异(yi)构计(ji)算而精(jing)心设计(ji)的(de)(de)SOC系统,可以为(wei)(wei)用(yong)户提(ti)(ti)供卓(zhuo)越的(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能体(ti)验。内置高性(xing)(xing)(xing)能嵌入式AI神(shen)经网络处理单元(yuan),提(ti)(ti)供更多个(ge)性(xing)(xing)(xing)化的(de)(de)智能语音(yin)(yin)、机器视觉及(ji)辅助自动(dong)驾(jia)驶体(ti)验。新(xin)一代多核心的(de)(de)图形处理单元(yuan),可以动(dong)态(tai)根(gen)据负载(zai)进行资源分(fen)配;一机多屏多系统,支(zhi)(zhi)持多个(ge)高分(fen)辨(bian)率屏幕同时输出;内置高性(xing)(xing)(xing)能音(yin)(yin)频(pin)(pin)(pin)信号(hao)处理单元(yuan)及(ji)丰(feng)富(fu)(fu)(fu)的(de)(de)音(yin)(yin)频(pin)(pin)(pin)接口,为(wei)(wei)用(yong)户提(ti)(ti)供丰(feng)富(fu)(fu)(fu)超凡的(de)(de)音(yin)(yin)视频(pin)(pin)(pin)娱乐(le)体(ti)验。具备高安(an)全(quan)等级(ji)的(de)(de)“安(an)全(quan)岛”设计(ji),满足ISO26262车(che)(che)规(gui)认证,确保汽(qi)车(che)(che)功(gong)(gong)能安(an)全(quan);专业(ye)的(de)(de)硬件(jian)加/解密引擎为(wei)(wei)车(che)(che)载(zai)应用(yong)提(ti)(ti)供了安(an)全(quan)信保证。同时,提(ti)(ti)供丰(feng)富(fu)(fu)(fu)的(de)(de)高性(xing)(xing)(xing)能通信及(ji)外围接口支(zhi)(zhi)持能力。

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图注:从(cong)左(zuo)往右第(di)三(san)位系湖北芯擎科技有(you)限(xian)公(gong)司产品管理(li)高级总监 蒋汉平(ping)博士
作为本(ben)届(jie)汽车(che)车(che)载(zai)芯(xin)片应用技术(shu)峰会的重(zhong)要环节(jie),蒋(jiang)汉(han)平博士受邀(yao)作为访谈嘉宾参与(yu)(yu)(yu)本(ben)届(jie)的圆桌(zhuo)论坛,现场与(yu)(yu)(yu)多(duo)位业内领袖以及汽车(che)领域从业者进行深度交流(liu),并展(zhan)开了精彩的头脑碰撞,共同探讨(tao)汽车(che)芯(xin)片行业发(fa)展(zhan)的热(re)点(dian)(dian)难(nan)点(dian)(dian)技术(shu)问题,他认(ren)为,目前芯(xin)片行业处于变革(ge)时间,国(guo)内的芯(xin)片设计企业应该尽快(kuai)的抓住行业的契机,把握好方向(xiang),发(fa)展(zhan)重(zhong)点(dian)(dian)行业,解决芯(xin)片“卡(ka)脖(bo)子”问题,进而缩小(xiao)与(yu)(yu)(yu)先进国(guo)家的差距,完成中(zhong)国(guo)芯(xin)片设计公司的使(shi)命与(yu)(yu)(yu)责任。