日前，由ATC汽車技術(shù)平臺旗下的ATC會議舉辦的「2021汽車車載芯片技術(shù)峰會」在上海順利召開。作為業(yè)內(nèi)技術(shù)最為密集、討論話題最為前沿的汽車技術(shù)交流會，ATC汽車技術(shù)會議特邀合作伙伴芯擎科技產(chǎn)品管理高級總監(jiān)蔣漢平博士，作為本屆芯片峰會的演講嘉賓分享《7nm高性能智能駕艙芯片算力與架構(gòu)設(shè)計場景分析》。蔣博士系統(tǒng)的闡述了作為高端數(shù)字駕艙車規(guī)芯片所應(yīng)具備的五個必選項。
 

　　7nm工藝制程是高性能智能駕艙車規(guī)芯片的必選項
 

　　相對于10+nm, 7nm的工藝節(jié)點會帶來顯著的優(yōu)點：
 

　　1、芯片集成度更高。單位面積的晶圓上可以放置更多的邏輯門，同時封裝面積變小，節(jié)約了晶圓成本和封裝成本，進一步節(jié)約了成品芯片在單板上所占的面積，使得相同大小的電子產(chǎn)品功能更多，速度更快。
 

　　2、芯片耗電量更低。同樣大小的邏輯電路做出來，用更先進的工藝會導致耗電量更低，進而導致功耗變低。
 

　　3、響應(yīng)速度更快。單管開斷速度更快，同樣的邏輯電路能夠跑到的主頻更高，性能大幅提升。
 

　　針對10+nm的工藝節(jié)點,比對了7nm的優(yōu)勢: 相比起10+nm節(jié)點工藝，7nm平均晶體管密度接近100MTr/mm2，是10+nm工藝的3.3倍，在同等功耗上提供35~40%的速度提升或者可以降低65%的功耗；同時7nm相對10+nm，提供更高占比的動態(tài)功耗(>90%)，這樣才能真正發(fā)揮各個計算單元(CPU、GPU等等)有效算力,同時降低靜態(tài)功耗，減少漏電效應(yīng)，提供高效的熱管理。所以針對高性能的數(shù)字駕艙SOC，7nm車規(guī)是必選項性。
 

　　蔣博士說，工藝和設(shè)計是相輔相成的。代工廠(Fab)和芯片設(shè)計公司(fabless)的合作模式需要相向而行：設(shè)計公司拿自己設(shè)計的芯片來投產(chǎn)，然后進行出廠檢測；代工廠進行代工生產(chǎn)和工藝改進，中間會出現(xiàn)各種各樣的問題。比如:良率低了到底是設(shè)計的時序余量不足，還是工藝波動；性能差了是設(shè)計的環(huán)路穩(wěn)定性不夠，還是工藝參數(shù)設(shè)置錯誤？工藝參數(shù)的提取，仿真模型的構(gòu)建與修改,同一芯片不同工藝下的參數(shù)對照，最終都是要Fab和Fabless共同努力的結(jié)果。針對不同工藝，芯片設(shè)計要做的工作也不盡相同，冗余電路、備份設(shè)計都是需要在芯片設(shè)計階段增加的內(nèi)容, 這些都是先進工藝才會出現(xiàn)并考慮的問題,需要長期合作積累經(jīng)驗才能完成最終的量產(chǎn)，沒有捷徑可走。
 

　　他特別強調(diào)：7nm的設(shè)計難度更大,對芯片設(shè)計公司而言也是機會，為何設(shè)計難度大是優(yōu)點呢？難度高，增加了電子行業(yè)的馬太效應(yīng)，強者越強，弱者恒弱。護城河加大，行業(yè)壁壘增高，后來者難以攀登, 和10+nm半導體工藝的百花齊放相比，很多在10+nm大放異彩的半導體公司都在7nm制程處遭遇到了苦頭。芯擎的工程師團隊在10nm及更先進工藝制程上積累的量產(chǎn)經(jīng)驗在業(yè)界都是領(lǐng)先的,這樣無疑為高性能的智能駕艙芯片的量產(chǎn)提供經(jīng)驗和能力保證。
 

　　功能安全和信息安全是車規(guī)芯片的必選項
 

　　汽車電子系統(tǒng)愈加復雜，由電氣、電子系統(tǒng)故障導致的風險也越來越高，區(qū)別與移動終端芯片的架構(gòu)，如何量化評估汽車功能是否安全，如何減少、規(guī)避風險，如何做到汽車功能安全和信息安全等問題變得十分突出。
 

　　芯擎公司擁有一個專門的功能安全工程師團隊，涵蓋組織內(nèi)的所有功能安全項目，我們有一些傳統(tǒng)的設(shè)計，比如架構(gòu)設(shè)計中某些部分的內(nèi)存保護和監(jiān)視器，同時也采取了針對汽車駕駛場景的安全保證措施，而不僅僅是對硬件組件負責，評估系統(tǒng)中元件故障的臨界點。比如，根據(jù) ISO26262標準規(guī)定，儀表盤的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和代碼與娛樂信息系統(tǒng)屬于不同功能安全等級，我們芯片上安全島(Safety island)的安全等級達到ASIL-D, 通過與各個子系統(tǒng)及接口的配合，保護車內(nèi)儀表盤屏幕顯示的特定部分達到ASIL-B，從而實現(xiàn)性能和安全性之間的平衡。
 

　　數(shù)字駕艙通過MCU/ECU等進行通信，使數(shù)字座艙能提供的信息和反饋越來越實時和高效。為保證安全就需要廠商與各大互聯(lián)網(wǎng)公司和電信企業(yè)之前的密切合作來保證云端數(shù)據(jù)和車身數(shù)據(jù)的安全。芯擎采用了信息安全島(Security Island)的設(shè)計加強對個人和車輛的數(shù)據(jù)保護，芯片支持SM2/SM3/SM4國密算法。
 

　　軟硬件解耦是電子電氣架構(gòu)演進和軟件定義汽車的必選項
 

　　進入2020年汽車的變革呈現(xiàn)出加速激變的現(xiàn)象，整個行業(yè)面臨著新的挑戰(zhàn)，自動駕駛，智能網(wǎng)聯(lián)，軟件定義汽車，應(yīng)對這個挑戰(zhàn)主要需要三個方面的準備：
 

　　1、電子電氣架構(gòu)
 

　　2、芯片
 

　　3、軟件生態(tài)
 

　　汽車軟件復雜度的發(fā)展趨勢，基本上呈現(xiàn)出指數(shù)增長的趨勢，這個趨勢其實可以反映出汽車對芯片計算能力的需求趨勢，也反映出汽車電子電子系統(tǒng)的變化趨勢。第一個階段是分布式，功能擴展階段，對新功能的需求持續(xù)做加法，但是一直做加法會遇到瓶頸，這種模式難以為繼；第二個階段，也就是域融合/集中化階段，逐漸由軟件來定義功能，整個過程是計算逐漸集中化和算力迅速增長的過程。分布式架構(gòu)的軟硬件是耦合在一起的，由不同供應(yīng)商提供，升級很難，中央計算架構(gòu)下軟硬件分離，便于更新升級，集中化架構(gòu)處理跨域功能主要由中央計算單元處理，架構(gòu)和管理要簡單很多。
 

　　高性能的數(shù)字駕艙芯片采用異構(gòu)計算架構(gòu)，系統(tǒng)計算資源多樣化，至少包括CPU/GPU/ISP/DPU/NPU/DSP等等，還包括大量的車內(nèi)高速接口，虛擬機管理的概念被引入智能座艙操作系統(tǒng)，但是Hypervisor在車內(nèi)軟硬件適配過程中還是一個新生事物，缺乏豐富開發(fā)經(jīng)驗的軟件人員和成熟高效的硬件適配方案，不完全依托Hypervisor實現(xiàn)不同功能安全等級OS共存成為快速推進軟件一體化聚合的關(guān)鍵。
 

　　芯擎科技的架構(gòu)師根據(jù)功能安全不同要求將主要計算引擎分成算力大小不同的域,在單一芯片架構(gòu)上形成了硬件隔離方案，不同的硬件域可以分別支持實時性要求高，具有功能安全的OS和計算密集型的OS;隨著Hypervisor方案的成熟，后期可以平滑過渡到在算力較大的域上支持Hypervisor，從而差異化分布不同要求的OS，在這個演進過程中，芯片架構(gòu)和軟件架構(gòu)完全相同，通過簡單明晰的配置就可以規(guī)避Hypervisor成熟過程中引入的不確定性，提升生態(tài)適配能力與量產(chǎn)時間。
 

　　車企引領(lǐng)需求導入是提升芯片量產(chǎn)時間的必選項
 

　　此前智能座艙的各功能都需要不同專用芯片實現(xiàn)，如此一來不僅提升了車企產(chǎn)品研發(fā)的復雜度和研發(fā)投入，后期想要在已有系統(tǒng)上進一步擴展功能，也比較困難。目前，智能座艙已成為各路玩家的新戰(zhàn)場，無論是新勢力造車力量和傳統(tǒng)車企已經(jīng)主動打破邊界，由被動的接受通用芯片和生態(tài)提供的解決方案，轉(zhuǎn)變到親自下場制定芯片的規(guī)格和量產(chǎn)車型。智能座艙在國內(nèi)車企的參與下快速滲透，他們積極尋找智能網(wǎng)聯(lián)、自動駕駛的轉(zhuǎn)型升級；同時意圖將對數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制和算法的閉環(huán)優(yōu)化完全掌控在自己手上，所以真正“完美”的數(shù)字駕艙方案一定是與整車緊密耦合的，這個與目前互聯(lián)網(wǎng)大廠自己制定芯片規(guī)格，并搭建數(shù)據(jù)服務(wù)平臺如出一轍，那些僅僅借某一領(lǐng)域的能力結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)去駕馭數(shù)字駕艙和自動駕駛的芯片設(shè)計公司，很難高效的適配快速的技術(shù)演進與需求膨脹。
 

　　蔣博士從芯擎數(shù)字駕艙芯片規(guī)格制定和架構(gòu)設(shè)計過程中，明顯感到車企比如吉利集團和億咖通發(fā)揮的巨大作用：吉利集團提供了目前和未來先進的電子電氣架構(gòu)及整車生態(tài)，芯擎芯片在規(guī)格指定時就針對未來幾年的量產(chǎn)車型的關(guān)鍵應(yīng)用進行SOC架構(gòu)設(shè)計；在工程階段，所有的參考設(shè)計、軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)、成本模型都按照指定車型進行計劃；在量產(chǎn)階段，直接將已經(jīng)量產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)平移到新的平臺上，所有的研發(fā)和生產(chǎn)路徑都圍繞芯片量產(chǎn)上車這個環(huán)節(jié)展開，數(shù)據(jù)和算法按照車企的整體規(guī)劃進行定制和管理，不存在所謂生態(tài)系統(tǒng)里“大海撈針”，這樣需求的準確性和時效性得到了最大程度的保障。這也是芯擎公司對即將量產(chǎn)的數(shù)字駕艙芯片信心十足的關(guān)鍵所在！
 

　　精準高效的算力匹配是支持電子電氣架構(gòu)變革的必選項
 

　　芯片是電子電氣架構(gòu)變革的基石，為了配合域融合/中央計算的趨勢，芯片算力的變化趨勢和預(yù)埋能力提升也很明顯，而且呈現(xiàn)出加速增長的趨勢。
 

　　我們總結(jié)了一下從2010年起量產(chǎn)車型中典型的娛樂域芯片的算力趨勢。CPU在2010年車機上的娛樂系統(tǒng)芯片和手機芯片算力的差距并不，都在10K DMIPS的量級，隨后手機芯片算力平均每年要增長25%以上，十年下來增長了十倍,目前在研的車機系統(tǒng)的芯片算力已經(jīng)在向手機系統(tǒng)看齊了;GPU方面，汽車上的高清屏幕越來越多，甚至可以玩3D游戲，GPU的增長趨勢更陡峭，提升了幾十倍; NPU是加速人工智能應(yīng)用的計算單元，兩年之后的NPU的算力會迅速增長，大約會在4T到10T左右，智能語音要在本地處理語音識別，自然語言理解，語音合成，基本上業(yè)界采用的是CPU+語音DSP+NPU的做法，算力一般在200GOPS以上。駕駛員監(jiān)控是歐盟新車安全評鑒協(xié)會(Euro NCAP)2022年的強制標準，包括人臉識別，疲勞檢測，分心檢測，抽煙檢測，打電話檢測等等，大部分檢測的延遲要求都在30ms以內(nèi)，這里我們給出的2TOPS是個典型需求。車外攝像頭的InfoADAS算法需要的算力更高，交通標志識別，車道線識別，雨量識別等等，包括環(huán)視4個攝像頭的目標識別，對實時性和算力的要求很高，至少需要4TOPS左右的算力才能同時應(yīng)付這些需求。綜合在一起基本NPU的算力需求在6TOPS左右。
 

　　過去，車內(nèi)娛樂芯片市場的傳統(tǒng)廠商由瑞薩、恩智浦、TI、英飛凌等汽車芯片巨頭壟斷。芯擎科技作為高端國產(chǎn)車載芯片設(shè)計公司，強勢入局智能駕艙市場，蔣博士初步揭示了即將量產(chǎn)并提供參考設(shè)計的SE1000場景規(guī)格。
 

　　SE1000是采用業(yè)界領(lǐng)先的7納米工藝制程設(shè)計的新一代高性能、低功耗車規(guī)級智能座艙芯片，賦能日益豐富的車載信息娛樂系統(tǒng)。高性能定制CPU集群，通過面向異構(gòu)計算而精心設(shè)計的SOC系統(tǒng)，可以為用戶提供卓越的性能體驗。內(nèi)置高性能嵌入式AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元，提供更多個性化的智能語音、機器視覺及輔助自動駕駛體驗。新一代多核心的圖形處理單元，可以動態(tài)根據(jù)負載進行資源分配；一機多屏多系統(tǒng)，支持多個高分辨率屏幕同時輸出；內(nèi)置高性能音頻信號處理單元及豐富的音頻接口，為用戶提供豐富超凡的音視頻娛樂體驗。具備高安全等級的“安全島”設(shè)計，滿足ISO26262車規(guī)認證，確保汽車功能安全；專業(yè)的硬件加/解密引擎為車載應(yīng)用提供了安全信保證。同時，提供豐富的高性能通信及外圍接口支持能力。
 

　　作為本屆汽車車載芯片應(yīng)用技術(shù)峰會的重要環(huán)節(jié)，蔣漢平博士受邀作為訪談嘉賓參與本屆的圓桌論壇，現(xiàn)場與多位業(yè)內(nèi)領(lǐng)袖以及汽車領(lǐng)域從業(yè)者進行深度交流，并展開了精彩的頭腦碰撞，共同探討汽車芯片行業(yè)發(fā)展的熱點難點技術(shù)問題，他認為，目前芯片行業(yè)處于變革時間，國內(nèi)的芯片設(shè)計企業(yè)應(yīng)該盡快的抓住行業(yè)的契機，把握好方向，發(fā)展重點行業(yè)，解決芯片“卡脖子”問題，進而縮小與先進國家的差距，完成中國芯片設(shè)計公司的使命與責任。
 

　　(原標題：7nm高性能智能駕艙芯片算力與架構(gòu)設(shè)計場景分析)