【導讀】根據中國國家應急管理部門(mén)統計，2022年第一季度，智能汽車(chē)發(fā)生自燃的事故一共發(fā)生了640起，平均1天有7輛電動(dòng)車(chē)發(fā)生自燃。電動(dòng)車(chē)起火的原因主要是以下幾點(diǎn)：電池過(guò)熱、電池老化、電池遭受碰撞、高負荷運行等等。其中，電池的高負荷運行是最嚴重的原因之一。
ADAS高功耗、低效率所帶來(lái)的能源危機
新能源車(chē)發(fā)熱和能耗問(wèn)題
根據中國國家應急管理部門(mén)統計，2022年第一季度，智能汽車(chē)發(fā)生自燃的事故一共發(fā)生了640起，平均1天有7輛電動(dòng)車(chē)發(fā)生自燃。電動(dòng)車(chē)起火的原因主要是以下幾點(diǎn)：電池過(guò)熱、電池老化、電池遭受碰撞、高負荷運行等等。其中，電池的高負荷運行是最嚴重的原因之一。
視覺(jué)算法算力的高功耗和低效率
隨著(zhù)特斯拉通過(guò)視覺(jué)算法來(lái)實(shí)現自動(dòng)駕駛。各大Tier 1大廠(chǎng)紛紛進(jìn)入算力的軍備競賽，算力不斷加大，較大的算力需要消耗較高的功耗。
圖1 視覺(jué)算法引發(fā)功率消耗問(wèn)題
ADAS的多傳感器融合策略
實(shí)際上自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，變化的區域占整個(gè)圖像的很小一部分，大部分視覺(jué)數據是無(wú)用數據。傳統的視覺(jué)處理花費了大量精力來(lái)處理這些無(wú)用的背景，這浪費了大量的算力和時(shí)間。采用事件處理系統，通過(guò)時(shí)間系統觸發(fā)判斷方式，可以提高100-1000倍的處理速度，減少運算量。
圖2 多傳感器融合技術(shù)策略
事件相機無(wú)法提供深度信息，目前依靠相機的計算方式還屬于簡(jiǎn)單的蠻力計算。采用事件相機結合激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達等方式就可以實(shí)現完美的3D感知。同時(shí)，也可以避免依靠海量數據和海量算力造成的資源浪費。
ADAS域架構多傳感器融合技術(shù)
多傳感器同步問(wèn)題
圖像事件系統能解決視覺(jué)識別的大部分算法，但是，它也存在一些局限性。除了傳統的圖像算法，激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達也越來(lái)越多地被用于A(yíng)DAS。隨著(zhù)ADAS的智能化要求的不斷提高，自動(dòng)駕駛系統需要采用多個(gè)不同類(lèi)型的傳感器協(xié)同處理的方式實(shí)現。
圖3 多傳感器融合面臨時(shí)間延遲的挑戰
各傳感器采集數據，然后通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送給域控制器，存在一定程度的延時(shí)，并且，各傳感器延時(shí)的時(shí)長(cháng)不固定。為了提高自動(dòng)駕駛的傳感器之間的深度融合、決策規劃和融合定位等性能，自動(dòng)駕駛高級域控制器與其關(guān)聯(lián)的傳感器均需要做時(shí)間同步。
常用的時(shí)間同步主要包括：GPS同步、SyncE、NTP和PTP（IEEE 1588）時(shí)間同步。對于A(yíng)DAS來(lái)說(shuō)，主要采用的是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )TSN（Time Sensitive Network）技術(shù)。
圖4 時(shí)間敏網(wǎng)絡(luò )技術(shù)TSN原理
TSN最初來(lái)源于音視頻領(lǐng)域Ethernet AVB的應用需求，用于解決音視頻網(wǎng)絡(luò )的高帶寬、高實(shí)時(shí)性、和高傳輸質(zhì)量的需求。TSN的核心原理是基于時(shí)間流量調度和管理，通過(guò)TSN網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)間感知整形器TAS（Time Aware Shaper）的調度來(lái)實(shí)現的。
圖5 采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現時(shí)鐘頻率相位鎖定
TSN可以比較精確的計算出傳輸線(xiàn)的時(shí)延問(wèn)題。但是，如果主從設備采用自己獨立的時(shí)鐘，還會(huì )存在頻偏問(wèn)題，這就需要采用精度非常高的晶振來(lái)實(shí)現傳輸功能?；诔杀镜染C合考慮，通常采用OCXO/VCXO+PLL的方式實(shí)現從設備時(shí)鐘的頻率鎖定，與主時(shí)鐘實(shí)現頻率同步。
在A(yíng)DAS應用中，采用TSN結合OCXO+鎖相環(huán)的方式，就可以實(shí)現各傳感單元和GPU/FPGA的時(shí)間同步，消除累計誤差，實(shí)現時(shí)鐘源的統一和多傳感器完全融合。
傳感器高速數據交換問(wèn)題
圖像事件系統含有海量數據，要滿(mǎn)足多傳感器深度融合，這些數據就必須要在極短時(shí)間完成信息交換。受流線(xiàn)型處理器啟發(fā)，人們一直采用獨立于處理器的32位或64位局部總線(xiàn)。該總線(xiàn)最高工作頻率為33MHz/66MHz，峰值速度達533MB/s。這種總線(xiàn)被稱(chēng)為外設互聯(lián)標準總線(xiàn)（PCI總線(xiàn)）。
圖6 PCI總線(xiàn)架構框圖
后來(lái)，在PCI總線(xiàn)的基礎上，又衍生出PCI-X總線(xiàn)協(xié)議，其工作頻率提高到133MHz，峰值帶寬達到1064MB/s。再后來(lái)，又發(fā)展到PCI-X 2.0。
PCI總線(xiàn)在發(fā)展到PCI-X 2.0之后，傳輸速率很難做進(jìn)一步的提升。這是因為，時(shí)鐘和數據信號之間的傳輸線(xiàn)寄生電感形成串擾，嚴重影響數據信號的波形，很容易對采樣信號形成誤判，影響通信效率。
圖7 高速數字信號引發(fā)的碼間干擾
數字信號在高速傳輸的時(shí)候，很容易產(chǎn)生天線(xiàn)效應，向周?chē)椛?，產(chǎn)生電磁感應，形成碼間干擾。碼間干擾，包括感染源信號和被干擾信號。這導致傳輸信號判決門(mén)檻的不斷提高。為了提高抗碼間干擾問(wèn)題，有人提出采用差分傳輸模型。
圖8 差分信號消除碼間干擾
這種差分信號傳輸方法，后來(lái)經(jīng)過(guò)一系列演變和改進(jìn)，發(fā)展成后來(lái)的USB和PCIe傳輸總線(xiàn)，PCIe總線(xiàn)經(jīng)過(guò)迭代，現在已經(jīng)演進(jìn)到現在都PCIe5.0，根據最新消息，PCIe剛剛已經(jīng)發(fā)布PCIe6.0和PCIe7.0規范。
圖9 PCIe總線(xiàn)技術(shù)提升傳輸速率
不同技術(shù)算力的功耗對比
基于SRAM工藝的動(dòng)態(tài)功耗
目前，市面上大部分視覺(jué)算法處理系統都是基于GPU和FPGA實(shí)現的，這些處理器大部分都是基于靜態(tài)隨機存儲器工藝為核心單元。
圖10 SRAM單元內部架構
SRAM單元用六只N溝道CMOS管組成，其中四個(gè)CMOS管組成基本RS觸發(fā)器，用于記憶二進(jìn)制代碼，另外兩個(gè)做門(mén)控開(kāi)關(guān)，控制觸發(fā)器和位線(xiàn)。
圖11 SRAM架構動(dòng)態(tài)功耗
由于SRAM的上管和下管都是工作在深度飽和狀態(tài)。所以，CMOS反相器從一種穩定工作狀態(tài)轉變到另一種穩定工作狀態(tài)時(shí)，會(huì )出現上下管同時(shí)導通的情況。此時(shí)，CMOS的內阻非常小，此時(shí)對應的電流會(huì )非常大，所以，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗非常大。
基于Flash工藝的動(dòng)態(tài)功耗
除了基于CMOS的SRAM處理器之外，Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu介紹了Microchip推出的一種基于疊柵MOS的Flash架構FPGA處理器。
圖12 Flash架構FPGA與SRAM架構FPGA的差別
Flash架構的FPGA最大的一個(gè)特點(diǎn)，工作點(diǎn)是靜態(tài)的，動(dòng)態(tài)切換也不會(huì )出現大的電流波動(dòng)，可以節約高達50%的功率損耗。Wolfe表示Microchip最新PolarFire與同類(lèi)器件28nm產(chǎn)品相比，其算力能做到其他器件2.6 倍GOPS/W。
Microchip基于A(yíng)DAS技術(shù)一攬子解決方案
在政策、互聯(lián)網(wǎng)跨界競爭、消費者內在需求等因素驅動(dòng)下，ADAS滲透率將快速提升。也有一些低端車(chē)型，也開(kāi)始搭載部分ADAS功能，提升賣(mài)點(diǎn)。
Microchip基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )解決方案
Microchip推出LAN937X系列TSN交換器件。作為業(yè)界符合IEEE 802.1AS標準的功能的交換解決方案，可實(shí)現更低延遲的數據流量和更高的時(shí)鐘精度。下一步，Microchip還會(huì )推出集成1000 BASE TI PHY的LAN969X系列產(chǎn)品。
TSN可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )傳輸延遲，但是，由于時(shí)鐘晶體存在頻偏差異，可能引發(fā)不同節點(diǎn)之間的頻率誤差，為了解決頻偏問(wèn)題，人們通常會(huì )在節點(diǎn)中，采用PLL鎖相環(huán)和VCXO來(lái)鎖定時(shí)鐘頻率。同時(shí)，為了更進(jìn)一步同步GPS的1PPS時(shí)鐘，還需要同步1PPS時(shí)鐘。Microchip的ZL307XX系列集成5個(gè)PLL ，支持1PPS，SYNCE。滿(mǎn)足大部分以太網(wǎng)時(shí)間同步要求。目前，Microchip已經(jīng)和部分車(chē)企展開(kāi)合作，開(kāi)始評估Microchip的時(shí)鐘解決方案。
圖13 Microchip TSN解決方案
LAN93XX搭配1000BASE-T1 PHY LAN887X，配合同步數字鎖相環(huán) ZL307XX的精確計時(shí)的IEEE 1588v2和IEEE 802.1AS-2020、用于多傳感器時(shí)間同步，符合IEEE P802.1Qci、IEEE P802.1Qav等，可以滿(mǎn)足ADAS實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)的需求。針對低端市場(chǎng)，Microchip的LAN937X配合100BASE-T1 LAN8770，也可以滿(mǎn)足客戶(hù)需求。
Microchip首款車(chē)用PCIe交換機介紹
2022年2月，Microchip宣布推出市場(chǎng)上首款汽車(chē)級認證的PCIe交換機PM430XX/PM440XX。新發(fā)布的PFX、PSX和PAX交換機解決方案為ADAS提供了尖端的計算互連能力，第4代PCIe交換機提供高速互連，支持ADAS架構中的分布式實(shí)時(shí)安全關(guān)鍵數據處理。
圖14 Microchip PCIe SWITCH解決方案
Microchip基于FLASH工藝的低功耗FPGA介紹
因為Microchip所采用Flash工藝這一獨特的工藝制程，其功耗最多只有相同制式的FPGA的50%。
在A(yíng)DAS機器視覺(jué)算法應用中，采用Microchip的FPGA做攝像頭前端采樣、預處理，圖像拼接等應用中，有著(zhù)很好的表現。
Microchip帶功能安全的PolarFire FPGA系列內置安全加密認證、可以保護設計、數據、網(wǎng)絡(luò )不受攻擊，Flash自帶SEU免疫性能的FPGA，是數據中心、工業(yè)、汽車(chē)和航空航天應用的理想之選。
圖15 Microchip基于Flash工藝FPGA與友商的功耗比較
除此之外，Microchip集成功能安全的MCU、DCDC、USB HUB、AES加密芯片，以及諸如CAN、LIN總線(xiàn)等，也是ADAS和汽車(chē)行業(yè)應用的主流方案。針對Microchip基于A(yíng)DAS技術(shù)一攬子解決方案，Excelpoint世健都提供相應的技術(shù)支持和指導，降低視覺(jué)算法算力的功耗，提高效率，助力自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展。
（作者：世?。?/p>
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