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7nm高性能智能车规芯片算力趋势分析——算力是车规智能座舱芯片的主战场

发布时间:2022-08-30 作者:芯擎科技

为什(shen)么汽车(che)(che)芯(xin)(xin)片的算力需求不断提升(sheng)?为什(shen)么7nm车(che)(che)规制程成为高算力车(che)(che)规芯(xin)(xin)片的必然趋势(shi)?国内(nei)首(shou)款7nm工艺制程高端智(zhi)能座舱芯(xin)(xin)片将具(ju)备哪些独(du)特性(xing)能?

在近期由盖(gai)世汽车主(zhu)办的“2021首届(jie)智能(neng)汽车域控制器创新峰会”上,芯擎科技产品规划管(guan)理部总经理蒋汉(han)平博士(shi)发表(biao)主(zhu)题(ti)演(yan)讲(jiang),与(yu)线上线下(xia)二十多万名与(yu)会者(zhe)共同探讨7nm高性(xing)能(neng)车规芯片算力(li)趋势。


车企新模式驱动芯片算力创新高

蒋博士系统地阐述了作为(wei)高(gao)性能(neng)智(zhi)能(neng)车(che)规芯片(pian)的算力趋势。他认为(wei):芯片算力不断创新(xin)高,很大程度上是源于车(che)企对新(xin)商业模式的思考。车企现在产生了一(yi)个新(xin)模式,即在车内进行硬件预埋后,通过(guo)OTA软件(jian)升级来适(shi)配多样(yang)化的(de)用户(hu)场景和(he)不同(tong)安全等(deng)级辅助驾(jia)驶(shi)与(yu)自动(dong)驾(jia)驶(shi)功能的(de)逐步(bu)迭代,车企不再把算(suan)力(li)与(yu)不同(tong)价位的(de)车型进行硬件(jian)平台(tai)的(de)分级分步(bu)实施,而是先把算(suan)力(li)预埋进去,之后(hou)再去升级它(ta)的(de)功能。同(tong)时,车企对(dui)算(suan)力(li)的(de)要(yao)求(qiu)比J9九游会AG 想(xiang)象(xiang)的(de)迭代还(hai)要(yao)快,也就是在这样(yang)背景下,为了满足(zu)现(xian)有车企客户(hu)越(yue)来越(yue)旺盛、越(yue)来越(yue)急迫(po)对(dui)算(suan)力(li)要(yao)求(qiu),高(gao)算(suan)力(li)芯片已经(jing)成(cheng)为汽车“新四化”(电动(dong)化、网联化、智(zhi)能化、共(gong)享化)的(de)核心驱动(dong)力(li)。


通(tong)过(guo)算力预(yu)埋的(de)(de)(de)方(fang)式,车企(qi)通(tong)过(guo)不断的(de)(de)(de)软件(jian)升级(ji),使用(yong)户获得更好的(de)(de)(de)使用(yong)体验,诸如更高级(ji)别的(de)(de)(de)自(zi)动驾驶(shi)功能,即便当下(xia)不能实现,但通(tong)过(guo)硬(ying)件(jian)预(yu)埋部署冗余算力,车企(qi)能够为持续的(de)(de)(de)OTA升级提供(gong)更多可(ke)能性(xing)。这(zhei)就是软件(jian)定义汽车(che)所(suo)带来的巨大潜力(li),与(yu)此同时,这(zhei)背(bei)后(hou)又离不开超(chao)强算力(li)的支撑。

高算(suan)力车规芯片是电(dian)子电(dian)气架构(gou)快速演变的(de)主赛道

电子电气架(jia)构和算力的增长趋(qu)势如(ru)上图所示。电子电气架(jia)构也就是J9九游会AG 常说的E/E架构,实际上定义了车(che)内ECU之间的连(lian)接关(guan)系和网(wang)络(luo)拓扑(pu)结构(gou)。左图是(shi)博世(shi)公司对(dui)汽车电子电气(qi)架构(gou)趋势(shi)的研(yan)判,这已成为电子电气(qi)架构(gou)演变的行业(ye)共(gong)识。

最(zui)下面一层是经典(dian)的分布式(shi)架构——每个ECU对应一个(ge)或者多个(ge)功能,各自(zi)运行一套(tao)独立的软件(jian)。这个(ge)阶段每个(ge)ECU的控(kong)制(zhi)和(he)计(ji)算单(dan)元(yuan)基(ji)本都是MCU,微控制器,从单一功能(neng)MCU到多(duo)功能MCU,算力基(ji)本(ben)在几(ji)十到几(ji)百(bai)DMIPS的量级。完全分(fen)布式的架构在(zai)应对复杂功能也就(jiu)是需(xu)要多个ECU协同的时(shi)候会比较复杂(za),越(yue)多(duo)的ECU参与,会成倍增加ECU之间的交互,每个ECU可能(neng)分属不(bu)同的(de)供应商,运行不(bu)同的(de)软件(jian)栈,协同和联调的(de)工作非常繁(fan)复,所以在传统汽车上增加一个复杂功(gong)能(neng)是(shi)一个非常漫长(zhang)的(de)过程。为了缓解这(zhei)种问题,E/E架构(gou)(gou)引(yin)入了“域”的(de)概念,也(ye)就是第(di)二层所(suo)展示的(de)架构(gou)(gou),“域”把(ba)相近功能的(de)ECU统一(yi)在同一(yi)个(ge)(ge)域控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)底(di)下,这(zhei)(zhei)(zhei)个(ge)(ge)域内的(de)(de)(de)(de)交互(hu)和决策由这(zhei)(zhei)(zhei)个(ge)(ge)域控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)来完成,这(zhei)(zhei)(zhei)相当于第一(yi)个(ge)(ge)阶段的(de)(de)(de)(de)计算(suan)(suan)集中化。今天的(de)(de)(de)(de)很多汽(qi)车都采用的(de)(de)(de)(de)是这(zhei)(zhei)(zhei)种(zhong)架构(gou),随着汽(qi)车行业以及电(dian)子行业的(de)(de)(de)(de)发(fa)展,出现了相近(jin)域的(de)(de)(de)(de)融合(he),比如底(di)盘和动(dong)力域,这(zhei)(zhei)(zhei)两个(ge)(ge)域对(dui)功(gong)能安全和信息安全的(de)(de)(de)(de)要求相近(jin)。域控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)对(dui)算(suan)(suan)力的(de)(de)(de)(de)要求相对(dui)更高,在这(zhei)(zhei)(zhei)个(ge)(ge)阶段域控(kong)(kong)制(zhi)器(qi)也从MCU进化到了CPU,算力(li)基本在1K到小几十K DMIPS的量级。

再上(shang)一层是中央计算(suan)的架构,这个架构中的(de)中央计算(suan)单元会成为(wei)全车的(de)最高决策(ce)中心(xin),算(suan)力(li)进一步集中,基本在几十(shi)到几百(bai)K DMIPS的量(liang)级。另外,无(wu)论是娱乐域(yu)还是ADAS域(yu)(yu),智能化的(de)需(xu)求都(dou)需(xu)要配合不同的(de)硬件加(jia)速单元,去做计算密集型的(de)任(ren)务。比如,娱(yu)乐域(yu)(yu)需(xu)要强大的(de)GPU做(zuo)图(tu)形图(tu)像的渲染,3D建模(mo)等。再比如自动驾驶需要人工智(zhi)能的(de)深(shen)度学习算法,算力的(de)膨胀(zhang)速(su)度非常惊(jing)人,即便(bian)是L3以下级别的辅助(zhu)驾驶也需要(yao)数T到数十TOPS的(de)算力匹(pi)配(pei),L3及以上级别的自动驾驶算力需求(qiu)基本都在上百TOPS

最上层的云(yun)计算架(jia)构,需要整(zheng)个(ge)交通基础设施,5G以及车(che)联网(wang)生(sheng)态成熟之(zhi)后才能(neng)慢慢实现(xian),是个非常庞大的(de)系统(tong)工程,即便在云(yun)(yun)计算的(de)架(jia)构下一些实时性(xing)高(gao)的(de)计算也需要本地算力(li)的(de)支撑,并不(bu)能(neng)完全依赖云(yun)(yun)端(duan),本地算力(li)依然还是增长(zhang)的(de)趋(qu)势(shi)。


车规芯片算力的差异化实现提高算力预埋的效率


蒋(jiang)博士同(tong)时强调:高算(suan)力的(de)预埋(mai)需要针对数据类型、应用场景和算(suan)法(fa)优化(hua),提(ti)供差异化(hua)的(de)算(suan)力实现单元的(de)SOC实(shi)现。在典型的SoC中异构计(ji)算(suan)包含(han)CPUGPUDSPNPU。在处理智(zhi)能任(ren)务(wu)时,他们擅长的任(ren)务(wu)也各不相同(tong)。CPU擅长逻辑控制和通用(yong)计算(suan),在智能(neng)任务(wu)方面可(ke)以(yi)用(yong)来做图(tu)像(xiang)的(de)前(qian)后处理(li),多传感(gan)器的(de)感(gan)知融合,以(yi)及(ji)最终的(de)决(jue)策(ce)。GPU拥(yong)有非常多的(de)计(ji)算(suan)单元(yuan),擅长(zhang)做(zuo)并(bing)行(xing)计(ji)算(suan)、图(tu)形渲染,也可(ke)以用(yong)来做(zuo)图(tu)像的(de)前后处(chu)理。DSP擅长信号处理,针对(dui)不(bu)同(tong)的(de)场景有音频(pin)或者视觉的(de)DSP,可(ke)以做语音和(he)视(shi)觉的前后处(chu)理(li),也可(ke)以做雷达信号处(chu)理(li)。NPU主要擅(shan)长(zhang)做(zuo)大量的矩阵运(yun)算,适合用于深(shen)度学(xue)习比较擅(shan)长(zhang)的领域,比如语音(yin)识别、自然语言处理(li)、视(shi)觉(jue)感(gan)知,此外,雷(lei)达信号处理(li)现在也出现了很多深(shen)度学(xue)习的算法。


7nm车规制程是高算力车规芯片的必然趋势


7nm工(gong)艺的(de)成熟速度是有史以来最快的(de),技术的(de)亮点更加在于对良率的(de)控(kong)制(zhi),7nm工艺纷(fen)纷(fen)被高算力(li)应用(yong)领域所使用(yong),相比起16nm节点工艺,7nm可以提供3.3倍的门电路密度,在(zai)同(tong)等功耗上提供(gong)35~40%的速(su)度(du)提升或者可以降低65%的(de)(de)功耗,成本的(de)(de)优势随着生产能力与(yu)良(liang)率的(de)(de)提升正(zheng)在快速呈现。

蒋博(bo)士(shi)给出了(le)主流高算力应用场(chang)景的芯片制程演进趋势,并(bing)总结了(le)7nm 工艺节点的四(si)大优势:

1、芯片集成度更高。单(dan)位面积的晶圆(yuan)上可以放置更多的逻(luo)辑门(men)。同时封(feng)装面积变小(xiao),节约了晶圆(yuan)成(cheng)本和封(feng)装成(cheng)本。进一(yi)步节约了成(cheng)品(pin)芯(xin)片在单(dan)板上所占的面积。使(shi)得相同大小(xiao)的电子产品(pin)功能更多,速度更快。

2、芯片(pian)耗电量(liang)更低。同样大(da)小的逻辑电(dian)路做(zuo)出(chu)来,用更先进(jin)的工艺会导(dao)致耗电(dian)量(liang)更低。

3、响(xiang)应速度更快。单管开(kai)断速(su)度更快,同样(yang)的逻辑电路(lu)能够(gou)跑到的主频更高,主频高,性(xing)能肯定会(hui)大幅提升。

4、设计难度更(geng)大。为何设(she)计难度(du)大(da)是优点呢?难度(du)高,增加了电子(zi)行(xing)业(ye)(ye)的“马太效(xiao)应”,强者越强,弱者恒弱。护(hu)城(cheng)河加大(da),行(xing)业(ye)(ye)壁垒增高,后来者难以攀登。

SE1000:国内首款(kuan)7nm工艺制程高端智能座舱(cang)芯片

蒋博士还重点介(jie)绍(shao)了(le)芯擎在(zai)研的车规智能座(zuo)舱芯(xin)片SE1000的规格:SE1000是(shi)国内首款7纳米工艺制程高(gao)端智能座舱芯(xin)片,是采用业界领(ling)先的(de)7纳米(mi)工(gong)艺制(zhi)程(cheng)设计的新一代高性能(neng)(neng)(neng)、低功耗车规级智能(neng)(neng)(neng)座舱芯片,赋能(neng)(neng)(neng)日益丰富(fu)的车载信息娱乐系统(tong)。高性能定制CPU集(ji)群,通(tong)过(guo)面(mian)向异构计算而精(jing)心设计的SOC系统,可以为用(yong)户(hu)提供卓越的性能体验(yan)。内置高性能嵌入(ru)式AI神经网络处(chu)理单元,提供更多(duo)个(ge)性化的(de)智能语(yu)音(yin)、机器视觉及(ji)辅助自动驾驶体验(yan)。新一代多(duo)核心的图形(xing)处理(li)单(dan)元,可(ke)以动态(tai)根据负载进行(xing)资(zi)源分配;一机多屏多系(xi)统,支(zhi)持多高(gao)分辨率屏幕同时输出;内(nei)置高(gao)性能音频信(xin)号处理单元及丰富(fu)的音频接口,为用户提(ti)供丰富(fu)超凡的音视频娱乐体验。


安全性是汽车产品(pin)的生命线。芯(xin)擎(qing)自主开发(fa)实现了(le)汽车(che)功能安全(quan)SAFETY)和信(xin)息安全体系SECURITY),并(bing)准备通(tong)过ISO26262标准认证。该款产(chan)品独特(te)的(de)安全孤岛核心SAFETY ISLAND)为系(xi)统提供了冗余和实时(shi)的(de)保护,满足(zu)汽车(che)芯片(pian)对功(gong)能安全(quan)和信息(xi)安全(quan)更加严(yan)格的(de)标准的(de)要求,为(wei)车载应用(yong)提供了安全(quan)保(bao)证(zheng)。

SE1000还具备丰富的高性能通信(xin)及外(wai)围接口支持(chi)能力,芯(xin)擎为(wei)该智能座舱芯(xin)片(pian)提供完(wan)整的软硬件平台(tai)和应用,集(ji)成开发(fa)了特定(ding)操作系统、硬件(jian)支持软(ruan)件(jian)包、及软(ruan)件(jian)开发(fa)包,能有(you)效对接市场、有(you)效缩短客(ke)户的(de)开发(fa)过程(cheng)、并助力客(ke)户早日推(tui)出产品,使(shi)该(gai)款产品具备优秀(xiu)的(de)产品化底蕴。

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