智能驾驶域控芯片外部架构与性能影响

近年来，汽车新四化的脚步已势无法挡，也给汽车电子带来了深入的改革，逐渐过渡到软件定义汽车的时代，汽车的软件代码量和复杂度都在极速增长。毫无不懂稳固牢靠的软件运转肯定依托足够弱小的整车配件作为撑持，而配件的中心就是汽车芯片。智能汽车产业的开展越来越须要性能微弱的芯片来推进。 智能驾驶芯片，实质上是一种蕴含处置器和控制器的高算力配置芯片，目前已量产商用的智能驾驶芯片基本处于初级驾驶辅佐系统阶段，可成功L1-L2级辅佐驾驶，通常这类智能驾驶域控制器所驳回的芯片不须要太高的AI算力，更多的是运行逻辑算力启动相应的逻辑运算。为了满足和未来的系统架构开展和整车配置需求的迸发式增长，IT技术的浸透联合逐渐放慢了多核大算力处置器的开展，本文将对无关智能驾驶芯片外部结构做较为详细的剖析，旨在为智能驾驶中央域控制器设计环节中须要思索的疑问提供撑持。

CPU逻辑运算核 未来智能汽车电子电器架构和整车配置越来越复杂，须要计算才干更弱小的配件来支持越来越复杂的软件配置，这些软件配置须要更多并行计算才干，相反时期片内支持运转多个义务的串行计算，系统优化照应才干，协调资源分配。 这一系列配置性能需求就越来越须要多核处置器的支持，多核处置器从内核架构上关键分为：同构和异构处置器两类。在对功耗要求很严厉的车载域控制器中，通常驳回的多核SoC是由CPU内核和其它内核集成的异构多核架构。

普通地，关于未来智能汽车域控单元的芯片SoC而言，要求适配下一代智能网联汽车架构设计，须要更多实用于生成多个线程的运行，或是口头流媒体数据处置的运行。并且由于在处置流媒体数据时，肯定成功流水线的并行处置，处置独立数据时，肯定应用多个线程口头。以上这些需求就肯定开展为集成多个同类型CPU内核和其它减速器内核的架构。由于GPU内核长于浮点运算，可以用于图形渲染处置，不只可用作的矢量处置器，也可以驳回GPU内核来补偿CPU内核的毛病，用它来处置CPU内核所不长于的那些上班。但GPU的毛病也很显著，即无法独自上班，肯定由CPU启动控制调用才干上班。严厉意义上说，GPU是一种高性能的CPU运算单元。 关于车载芯片选型而言，须要重点关注与CPU逻辑运算相关的几个目的。

CPU的逻辑算力与CPU的中心的个数，中心的频率，中心单时钟周期的才干三个要素有间接相关。关于多核异构CPU而言，其全体算力可看成是多个核算力的总和。 CPU的逻辑算力将间接影响SOC芯片的感知处置才干，总体体现为关于前端感知的原始目的（图像、激光点云等）的前融合处置（这里不蕴含AI感知运算）。而全体来讲，前融合所消耗的逻辑算力可以占据整个逻辑算力的50%以上。因此，确保前端AI芯片有具有足够算力的CPU内核是极为关键的。由于关于后端MCU启动的规控来说，基本上都是驳回的比拟少的逻辑算力的芯片启动布局控制、决策口头的处置环节。这里须要指出一点，很多tier1提供的处置打算是针对逻辑或AI算力不短缺的状况下是不时参与同类型的AI芯片来成功算力扩大，实则齐全没有必要，这里不只老本参与，且功耗也会随着参与的芯片而增大。因此，咱们在启动域控制器设计中不只须要思索到前端SOC的AI算力能否足够，也须要充沛思索其逻辑算力能否满足需求，判定在架构下AI算力已满足性能需求，然而逻辑算力不够，可经过独自扩大相应的逻辑算力减速芯片作为补充。

也叫时钟频率，单位是MHz（或GHz），用来示意CPU的运算、处置数据的速度。基本上可以以为主频就很大水平上选择着CPU的运转速度，进一步地选择着关于逻辑运算单元的处置效率。在芯片选型中，咱们须要充沛思索到关于CPU运算效率的需求，尽量选择主频较高的CPU。

缓存是用来存储一些罕用或行将用到的数据或指令，其结构和大小对CPU速度的影响十分大，就当须要这些数据或指令的时刻间接从缓存中读取，这样比到内存甚至硬盘中读取要快得多，能够大幅度优化CPU的处置速度。

CPU的上班电压间接影响着其运转时的功耗大小，CPU所分担的功耗间接影响着整个SOC的功耗大小。 TPU/NPU/BPU AI运算核 关于域控制器AI运算而言，实践更多的触及计算机视觉中的神经网络、深度学习等相关的运算机制。这里咱们须要指出的是AI运算核是没有一致叫法的，不同的公司开发的AI运算单元名字叫法是不分歧的。大体上可以分为如下三种干流的叫法。

BPU算法训练一旦构成，就不支持在线编程，且肯定由CPU启动调用和控制下才干高效运转。

上方将以其中一种AI运算核BPU启动详细的原理说明。

地平线的BPU内承载了启动神经网络运算的积攒加运算（英语：Multiply Accumulate, MAC）单元。经过运行MAC 指令，可以使 的乘加运算用一个指令成功。而许多运算（例如卷积运算、点积运算、矩阵运算、数字滤波器运算、乃至少项式的求值运算）都可以合成为数个MAC 指令，因此可以提高上述运算的效率。 同时，地平线的BPU驳回双核的结构，同时在其控制单元里跑两套相反的程序，并对对方运算结果启动相互校验，由审核器模块对比两个BPU运行程序的口头输入，在输入结果分歧的状况下，由审核器模块发生终止，将两个BPU形态以审核点文件的方式保留到存储器上，在输入结果不分歧的状况下，由审核器模块发生终止，两个CPU处置器调取最近一次性保留的审核点文件实施回卷以复原系统启动从新计算。这一环节相似于成功了BPU内的锁步配置，这样可以很大水平上优化其运算结果的准确性，确保其SOC的配置安保性能。 配置安保岛 高性能智能驾驶芯片须要在多核架构上承载配置安保拆解的配置目的值，其中包括在软失误出现后，可以及时的启动失误纠正，将系统复原到安保形态。这就要求在多核系统上成功肯定的软配件的配置安保设计目的。通常状况下，各个芯片厂家会偏差于归入配置安保岛来作为成功芯片配置安保的机制。从原理上剖析，配置安保岛可划分为配件锁步，软件分区的方式来启动配置安保目的优化。如下将区分启动引见。

所谓配件锁步，就是在芯片设计中同时搭载两套配件内核，每个内核区分承载两套相反的软件模型，当输入源相反时，则成功了两个配件内核的相反运算机制，同时该环节须要坚持两个运算核的独立性，其运算的结果将会在每个周期都启动一次性比拟，当出现差异时，生成一个trap，该trap触发一个终止，将两个锁步核中运转形态以文件行驶保留在存储器上，并调用最近一次性保留的文件回卷以复原系统从新启动计算。整个环节相当于不时启动自检与互检的环节。

所谓软件分区，其目的是确保程序的并行运转和安保计算才干。其环节是依据软件的可并行性核相关安保架构，将下层软件模块分配给AUTOSAR中定义的操作系统运行程序口头相应的作业Task，且该环节须要确保ECU在运转时不会惹起外部区域之间的相互搅扰。 片上网络 由于SOC中的处置器驳回了多MIPS 处置中心，每个中心领有私有的指令缓存（I-Cache）和数据缓存（D-Cache）。片上网络，实质上是为了处置片上多核系统中不同的中心之间，中心与非中心（Un-Core）配件单元之间数据传输疑问的一种“片上通讯”打算。

图像/视频处置单元 SOC芯片上的图像处置单元关键包括几个部分配置：数字图像信号处置、图像宰割（Pyramid）、图像拼接（Stitch）、图像渲染（GDC）以及视频编解码配置。 ISP模块接纳感光元件（Sensor）的原始信号数据，并处置图像传感器输入的图像信号，对图像品质起着十分关键的作用。ISP外部蕴含多个图像算法处置模块，其中关键蕴含如下几种： - 经过扣暗电流去掉底电流噪声； - 经过线性化处置数据非线性疑问； - 处置镜头带来的亮度衰减与颜色变动； - 经过去坏点，剔除sensor中坏点数据）； - 经过数字图像滤波启动图像去噪； - 经过感光半导体处置将原始环境光源数据转为RGB数据； - 智能白平衡，智能对焦，智能曝光； - 亮度映射曲线，优化部分与全体对比度；

此外，ISP的处置环节还包括如下几个部分：即旋转（角度变动），锐化（调整锐度），缩放（加大增加），色调空间转换（转换到不同色调空间进处置），颜色增强（可选，调整颜色），肤色增强（可选，优化肤色体现）等。

图像宰割真实神经网络处置逻辑之行启动便捷的场景宰割，将环境中显著可表白的语义启动区分输入。图像拼接是针对有肯定overlap的图像启动全场景范围拼接，拼接的结果关键用于流媒体显示。

此外，图像处置单元一版还会额外搭载一些视频编解码核，普通可运行HEVC的方式启动编解码。更为弱小的图像/视频处置单元会有才干启动3D图像渲染。这一部分或者会用到GPU的相关计算才干。这里须要说明一下的是，在咱们设计域控制器的时刻，很多状况下，咱们选择的SOC芯片是不具有足够的3D渲染才干的，这时，从整个先进的显示打算需求登程，咱们就须要驳回额外的处置器启动渲染。这里有两种打算：其一，是驳回驾驶域控制器的芯片扩慷慨案，即在智能驾驶域控制器AI芯片中心在参与相应的GPU芯片启动集成，两者可经过PCIe启动图像传输。其二，是驳回座舱域控制器芯片扩慷慨案，即在智能座舱控制器芯片中集成GPU处置才干的芯片间接做渲染和显示。

总结智能驾驶芯片除了如上一些关键设计要素会影响域控制器的设计选型外，还包括了如下一些非关建要素，然而却还是比拟关键的方面。其一，是接口外设。关于智能驾驶芯片来讲，足够多且有效的接口外设是必无法少的，由于关于下一代智能网联域控制器来说，其架构所带来的传感器数据量的变动是成指数级参与，因此，芯片外部预设足够的接口是十分必要的。基本上，咱们须要SOC具有多路CANFD、PCIe、ethernet、GPIO、MIPI、UART、I2C、I2S等接口。详细状况须要依据架构来指定选择哪几路。其二，是附加存储控制。选择适合的存储器处置打算是满足目的系统对车载控制器芯片的配置和性能要求的关键，协助设计人员处置其目的片上系统 （SoC） 的功耗、性能和面积要求。同时，附加存储控制关键可以扩大SOC芯片由于外部存储资源不短缺所发生的存储数据溢出。通常附件存储可作为暂时作为操作系统、数据驱动的资源池，大大降落了程序调用的难度，优化了运转效率。其三，是消息安保监控。关键蕴含数字身份认证、看门狗程序、底层安保驱动、加密引擎等几个方面。其目的是在系统运转时期成功系统的安保、认证启动或服务器监测。