【導讀】ADAS和AD加上用戶(hù)對信息娛樂(lè )和個(gè)性化的期望不斷提高,意味著(zhù)汽車(chē)正在逐漸演變成為移動(dòng)數據中心。因此,軟件定義汽車(chē)(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(yíng)至關(guān)重要。事實(shí)上,現在有些汽車(chē)已經(jīng)包含超過(guò)1億行代碼,而Straits Research預計到2030年汽車(chē)軟件市場(chǎng)的規模將達到近580億美元,復合年增長(cháng)率為14.8%。
在設計需要低延時(shí)和高能效的可擴展系統和應用時(shí),汽車(chē)制造商可以從數據中心那里獲益良多
納入高級駕駛輔助系統(ADAS)功能如今已成為汽車(chē)設計提高安全性和易用性的一個(gè)重要方面。制造商正在尋求打造具有更高自動(dòng)化水平的汽車(chē),并最終實(shí)現完全自動(dòng)駕駛(AD)。
ADAS和AD加上用戶(hù)對信息娛樂(lè )和個(gè)性化的期望不斷提高,意味著(zhù)汽車(chē)正在逐漸演變成為移動(dòng)數據中心。因此,軟件定義汽車(chē)(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(yíng)至關(guān)重要。事實(shí)上,現在有些汽車(chē)已經(jīng)包含超過(guò)1億行代碼,而Straits Research預計到2030年汽車(chē)軟件市場(chǎng)的規模將達到近580億美元,復合年增長(cháng)率為14.8%。
軟件充滿(mǎn)了復雜性以及實(shí)時(shí)處理來(lái)自各種視覺(jué)系統傳感器(如攝像頭、雷達、激光雷達和超聲波)的大量數據帶來(lái)了不小的挑戰。例如,圖1表明汽車(chē)行業(yè)使用的傳統通信基礎設施和標準已經(jīng)達到極限。以太網(wǎng)和控制器局域網(wǎng)(CAN)總線(xiàn)在未來(lái)的汽車(chē)架構中仍會(huì )占有一席之地,但必須進(jìn)行補充以滿(mǎn)足高性能計算平臺(HPC)在A(yíng)DAS和AD中嵌入人工智能(AI)和機器學(xué)習(ML)的需求。
圖1——汽車(chē)正在成為車(chē)輪上的數據中心,因為ADAS必須實(shí)時(shí)處理來(lái)自不同類(lèi)型傳感器的大量數據
[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(wèn)世,旨在滿(mǎn)足計算行業(yè)的需求?,F在,PCIe已部署在航空航天和汽車(chē)領(lǐng)域,被用于在必須符合DO-254標準的固件中實(shí)施安全關(guān)鍵型應用。
PCIe是一種點(diǎn)對點(diǎn)雙向總線(xiàn),作為一種混合串行總線(xiàn),它可以在單通道或2、4、8或16條并行通道中實(shí)施,以實(shí)現更大的帶寬。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。
圖2——PCIe?的性能演變
PCIe已經(jīng)在一些汽車(chē)應用中得到使用,它大約是在第4.0代投入使用。隨著(zhù)第6.0代技術(shù)的性能提升,其數據傳輸速率為64 GTps,如果使用16個(gè)通道,則總帶寬可達到128 GBps?,F在正是采用PCIe的大好時(shí)機,值得注意的是,PCIe還提供了向后兼容性。
汽車(chē)正在成為車(chē)輪上的數據中心,我們來(lái)考慮在這樣一個(gè)前提下為什么將PCIe用于陸基數據中心。
高性能、低功耗
數據中心由一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器和外設組成,其中包括存儲設備、網(wǎng)絡(luò )組件和I/O,以支持云中的HPC。PCIe于當今的高性能處理器中發(fā)揮作用,成為在服務(wù)器與外設之間建立低延時(shí)、高速連接的理想總線(xiàn)。
例如,非易失性存儲器標準(NVMe)專(zhuān)門(mén)設計用于通過(guò)PCIe接口與閃存配合使用?;赑CIe的NVMe固態(tài)硬盤(pán)(SSD)比使用SATA接口的SSD提供更快的讀/寫(xiě)速度。確實(shí),所有的存儲系統,無(wú)論是SSD還是機械硬盤(pán),都無(wú)法提供復雜的AI和ML應用所需的性能。
通過(guò)PCIe在服務(wù)器中運行的應用程序之間提供低延時(shí),這對云性能的提升有直接幫助。這意味著(zhù)PCIe將被嵌入到處理器和NVMe SSD以外的組件當中。它還與許多組件一起,為云與訪(fǎng)問(wèn)云的系統之間提供網(wǎng)關(guān)。要注意的是,雖然汽車(chē)本身正在成為移動(dòng)數據中心,但它們也將成為“智慧城市”之間移動(dòng)的節點(diǎn)。
從功耗角度來(lái)看,NVMe在數據中心的使用也備受青睞。例如,美國能源部估計一個(gè)大型數據中心(擁有數萬(wàn)臺設備)需要超過(guò)100 MW的電力,而這足以供8萬(wàn)戶(hù)家庭的電力使用。而與同等規模的SATA SSD相比,NVMe SSD消耗的電量不到其三分之一。
在汽車(chē)領(lǐng)域,功耗無(wú)疑是一個(gè)重要因素,尤其是對于電動(dòng)汽車(chē)(EV),會(huì )直接影響到續航里程。事實(shí)上,汽車(chē)工程師(尤其是電動(dòng)汽車(chē)設計師),越來(lái)越關(guān)注尺寸、重量和功耗(SWaP)問(wèn)題。鑒于未來(lái)實(shí)施ADAS可能需要高達1 kW的功率,而且還需要液冷系統來(lái)進(jìn)行熱管理,所以這并不奇怪。
但同樣,我們有機會(huì )借鑒其他領(lǐng)域的經(jīng)驗。幾十年來(lái),航空航天工業(yè)一直在設計滿(mǎn)足嚴格的SWaP和成本(SwaP-C)要求的產(chǎn)品,并且電源等液冷線(xiàn)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(kāi)始?
多年以來(lái),數據中心一直在發(fā)揮PCIe硬件的優(yōu)勢,因為它們希望針對不同的工作負載來(lái)優(yōu)化系統。它們還擅長(cháng)開(kāi)發(fā)采用不同協(xié)議的互連系統;例如,將PCIe用于對時(shí)間要求不高的通信(如以太網(wǎng)用于地理上分散的系統)。
在汽車(chē)環(huán)境中,那些“對時(shí)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,但在執行實(shí)時(shí)處理且相距僅幾厘米的IC之間,需要使用PCIe來(lái)進(jìn)行短距離、更高數據量的通信。因此,優(yōu)化的ADAS/AD系統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(chē)PCIe標準,但這并沒(méi)有限制其近年來(lái)在汽車(chē)應用中的使用。同樣,航空航天PCIe標準的缺失也沒(méi)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(jìn)行優(yōu)化,PCIe也在逐漸成為汽車(chē)行業(yè)首選的計算機互連解決方案,為CPU和專(zhuān)用加速器設備提供超低延時(shí)和低功耗的帶寬可擴展性。雖然還沒(méi)有出臺特定的汽車(chē)PCIe標準,但半導體供應商正在努力讓PCIe進(jìn)一步在嚴苛的汽車(chē)環(huán)境中大放光彩。
2 https://www.eia.gov/outlooks/aeo/
圖 3——低延時(shí)、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(chē)級PCIe交換芯片。這些交換芯片被稱(chēng)為Switchtec? PFX、PSX和PAX,可提供ADAS架構中分布式、實(shí)時(shí)、安全關(guān)鍵型數據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驅動(dòng)器、重定時(shí)器、重驅動(dòng)器和定時(shí)解決方案,以及基于閃存的FPGA和SoC。
最后,汽車(chē)行業(yè)必須考慮的另一件事是數據中心將資本支出視為一種對未來(lái)年金進(jìn)行投資的方式。到目前為止,大多數汽車(chē)OEM一直認為資本支出具有一次性回報(在購買(mǎi)時(shí)),這對于硬件來(lái)說(shuō)行之有效。誠然,大多數OEM會(huì )不時(shí)對軟件更新收費,但SDV的商業(yè)模式需要全盤(pán)重新考慮。單純關(guān)注硬件的物料清單成本已不合時(shí)宜。
總結
為了提高汽車(chē)的自動(dòng)化水平,汽車(chē)需要成為一個(gè)高性能計算的“車(chē)輪上的數據中心”,處理來(lái)自各種傳感器的大量數據。慶幸的是,HPC已然成熟,成為高頻交易(HFT)和云的AI/ML應用程序的核心。經(jīng)過(guò)驗證的硬件架構和通信協(xié)議(如PCIe)就擺在面前。這意味著(zhù)汽車(chē)制造商可以從數據中心的HPC實(shí)施方式中受益匪淺。
由于A(yíng)WS、Google和其他云服務(wù)提供商多年來(lái)一直在開(kāi)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(shí)信手拈來(lái)。汽車(chē)制造商可以坐享這些現有的HPC架構,而不用重新發(fā)明,從零開(kāi)始來(lái)打造解決方案。
參考資料
https://straitsresearch.com/report/automotive-software-market
(來(lái)源:Microchip ,USB和網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)部產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理,Daniel Leih)
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