來(lái)源：由半導(dǎo)體行業(yè)觀察編譯自semiengineering

數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，以及各種性能需求的不斷變化，正在促使人們從上到下重新思考什么才是最適合在什么情況下運(yùn)行的。

輔助駕駛和自動(dòng)駕駛需要來(lái)自更多傳感器的更多數(shù)據(jù)，并且需要更快地處理其中的一些數(shù)據(jù)。

向軟件定義車(chē)輛和集中式智能的轉(zhuǎn)變，使得更容易確定哪些地方需要最先進(jìn)的處理器和存儲(chǔ)器，以及哪些地方可以部署較舊、成本較低的技術(shù)。

過(guò)去被人們忽視的技術(shù)，例如汽車(chē)以太網(wǎng)和LPDDR，已經(jīng)發(fā)展到突然變得需求旺盛的程度。

輔助駕駛和自動(dòng)駕駛的傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈爆炸式增長(zhǎng)，并且需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出實(shí)時(shí)決策，這對(duì)車(chē)輛中的內(nèi)存和存儲(chǔ)子系統(tǒng)提出了前所未有的要求。

隨著越來(lái)越多的機(jī)械功能被電子元件取代，以及車(chē)輛智能化程度的不斷提高，汽車(chē)行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)與大型數(shù)據(jù)中心面臨的挑戰(zhàn)頗為相似。為了確保自動(dòng)剎車(chē)、車(chē)道居中保持、倒車(chē)影像處理和懸架調(diào)節(jié)等關(guān)鍵功能的正常運(yùn)行，處理單元和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸必須極其快速。

與此同時(shí)，這些車(chē)輛還包含各種功能，其重要性各不相同。例如，信息娛樂(lè)系統(tǒng)的某些部分對(duì)于提醒駕駛員至關(guān)重要，而其他部分則并非如此。這里的挑戰(zhàn)在于如何管理車(chē)輛，既要將其視為一個(gè)單一系統(tǒng)，又要將其視為一個(gè)系統(tǒng)集合，其中某些功能比其他功能更具優(yōu)先級(jí)。而解決這一問(wèn)題的最佳方法是提高帶寬、降低延遲，并更精細(xì)地確定哪些組件需要在何處使用、采用何種制造工藝以及成本如何。

“當(dāng)我們討論像10Gbps汽車(chē)以太網(wǎng)這樣的技術(shù)，并考慮服務(wù)質(zhì)量時(shí)，傳統(tǒng)的汽車(chē)工程師會(huì)問(wèn)：‘我如何保證信號(hào)能在100毫秒內(nèi)到達(dá)剎車(chē)系統(tǒng)？’”西門(mén)子EDA汽車(chē)及軍工/航空混合物理和虛擬系統(tǒng)副總裁David Fritz說(shuō)道。 “我的回答是：‘你看到兩個(gè)街區(qū)外的那棟樓了嗎？如果你用一根雙絞線以太網(wǎng)線繞著那棟樓走一圈，然后再回到這里，延遲可能只有幾微秒，而你卻在擔(dān)心幾毫秒的延遲?！边@是因?yàn)閭鬏斔俾史浅８?。即使出現(xiàn)某種仲裁，你也有充足的時(shí)間來(lái)解決。因此，系統(tǒng)繁忙時(shí)數(shù)據(jù)能否足夠快地從 A 點(diǎn)傳輸?shù)?B 點(diǎn)的擔(dān)憂基本消失了。如何劃分 1.5 兆比特/秒的 CAN 總線以確保數(shù)據(jù)到達(dá)目的地的擔(dān)憂也迎刃而解。這就是兆比特和千兆比特之間的區(qū)別。”

這對(duì)車(chē)輛設(shè)計(jì)有著重大影響?！叭绻阋獜腁點(diǎn)向B點(diǎn)發(fā)送一個(gè)高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包，而網(wǎng)絡(luò)又非常繁忙，因?yàn)樗且粋€(gè)視頻幀——而且網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)量也難以預(yù)料，因?yàn)楝F(xiàn)在有些汽車(chē)制造商會(huì)在車(chē)外安裝16個(gè)甚至20個(gè)攝像頭——那么你就需要盡可能在車(chē)輛邊緣附近處理這些數(shù)據(jù)，”弗里茨說(shuō)道?！斑@樣可以降低帶寬需求。中國(guó)汽車(chē)制造商明白，如果他們同時(shí)發(fā)送20個(gè)攝像頭的高分辨率數(shù)據(jù)，即使發(fā)生碰撞，他們?nèi)匀豢梢蕴幚磉@些數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)幀，并使用人工智能進(jìn)行處理。他們可以快速地將數(shù)據(jù)輸入人工智能算法，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在擁有許多納秒級(jí)和皮秒級(jí)延遲的片上系統(tǒng)（SoC），而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手只有幾個(gè)電子控制單元（ECU），如果運(yùn)氣好的話，這些ECU之間也只有幾兆比特的通信通道。歸根結(jié)底，設(shè)計(jì)汽車(chē)就像設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)一樣?！?/span>

這也使得汽車(chē)制造商能夠使用各種處理元件和存儲(chǔ)器，專注于哪些方面需要最高性能，哪些方面可以縮小規(guī)模，不同功能需要多少能量，以及所有這些的總成本是多少。

“傳統(tǒng)上，這些功能依賴于微處理器（MPU）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），但現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越關(guān)注利用圖形處理器（GPU）來(lái)完成其中一些任務(wù)，”Imagination Technologies的高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理 Amir Kia 表示?！袄?，在車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)和駕駛顯示方面，許多公司已經(jīng)在使用 GPU。開(kāi)發(fā)人員認(rèn)識(shí)到，GPU 的靈活性使其能夠高效地處理計(jì)算和圖形任務(wù)。他們沒(méi)有選擇集成額外的加速器，而是看到了擴(kuò)展現(xiàn)有 GPU 的功能來(lái)管理信息娛樂(lè)系統(tǒng)和提升計(jì)算性能的價(jià)值，從而降低了系統(tǒng)開(kāi)銷。這種轉(zhuǎn)變也為在這些系統(tǒng)中使用更小的 MPU 或最大限度地減少對(duì) DSP 的依賴提供了機(jī)會(huì)。”

邁向軟件定義汽車(chē)

許多此類轉(zhuǎn)變對(duì)汽車(chē)制造商而言至關(guān)重要，他們直到近十年才開(kāi)始將重心從電子控制單元 (ECU) 轉(zhuǎn)向軟件定義方法。其優(yōu)勢(shì)在于，不同的系統(tǒng)和子系統(tǒng)可以像片上系統(tǒng) (SoC) 中的模塊一樣進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后根據(jù)需要以任何方式進(jìn)行融合。這反過(guò)來(lái)又使得確定所需的帶寬及其應(yīng)用位置、所需的內(nèi)存容量、哪些類型的內(nèi)存最適合哪些應(yīng)用場(chǎng)景以及哪些數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)最高變得更加容易。

起亞表示：“大家都在嘗試向更集中的架構(gòu)轉(zhuǎn)型。我們目前大量使用分布式ECU，但我們希望轉(zhuǎn)向更集中的基礎(chǔ)設(shè)施。一些客戶的平臺(tái)計(jì)算量非常大，因此會(huì)從傳感器和顯示器獲取大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。例如，一位客戶有6個(gè)攝像頭，另一位客戶有8到12個(gè)攝像頭，所有攝像頭都在同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)內(nèi)部需要進(jìn)行大量的快速數(shù)據(jù)交換，他們正試圖將所有數(shù)據(jù)整合到一個(gè)SoC中來(lái)處理這些數(shù)據(jù)?！?/span>

SDV（智能驅(qū)動(dòng)車(chē)輛）與一系列功能特定的ECU（電子控制單元）截然不同。雖然不同的系統(tǒng)必須按需執(zhí)行各項(xiàng)功能，但這些車(chē)輛的中央邏輯也能夠做出涉及多個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)決策。然而，要做到這一點(diǎn)，必須先獲取正確的數(shù)據(jù)才能采取行動(dòng)。

Rambus硅芯片業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Adiel Bahrouch 表示：“高分辨率傳感器、人工智能加速器和安全關(guān)鍵型工作負(fù)載都依賴于共享內(nèi)存和存儲(chǔ)子系統(tǒng)，如果帶寬不足，這些子系統(tǒng)很快就會(huì)成為性能瓶頸。如果內(nèi)存無(wú)法足夠快地為計(jì)算引擎提供數(shù)據(jù)，芯片利用率就會(huì)下降，延遲就會(huì)上升，直接影響安全性和用戶體驗(yàn)。從超高速片上內(nèi)存到高容量持久存儲(chǔ)，分層式內(nèi)存和存儲(chǔ)架構(gòu)能夠確保每個(gè)工作負(fù)載都能獲得帶寬、延遲、容量和成本之間的最佳平衡，最終實(shí)現(xiàn)安全、響應(yīng)迅速且功能豐富的車(chē)輛?！?/span>

隨著這些架構(gòu)變革重塑汽車(chē)行業(yè)格局，存儲(chǔ)技術(shù)的選擇變得愈發(fā)重要?！皬腖3級(jí)到L4級(jí)及更高級(jí)別，模型的復(fù)雜性、精細(xì)度和效率始終是OEM廠商關(guān)注的重點(diǎn)，”美光科技產(chǎn)品與系統(tǒng)副總裁Michael Basca指出。“我們都見(jiàn)過(guò)一些無(wú)人駕駛出租車(chē)在交通擁堵時(shí)遇到困難，顯然，我們目前的模型還無(wú)法應(yīng)對(duì)所有極端情況。事實(shí)上，在更高級(jí)別的應(yīng)用中，模型的體積可能還會(huì)繼續(xù)增大一段時(shí)間，直到存儲(chǔ)效率在未來(lái)得到提升。”

更具體地說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)中使用的內(nèi)存類型取決于響應(yīng)時(shí)間的關(guān)鍵程度、目標(biāo)市場(chǎng)細(xì)分以及車(chē)輛的電源來(lái)源。對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 而言，續(xù)航里程是一項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而減少數(shù)據(jù)傳輸消耗可以延長(zhǎng)車(chē)輛的續(xù)航里程。因此，雖然 GDDR 的容量更大，但對(duì)于某些特定功能而言，LPDDR6 可能就足夠了。

“LPDDR內(nèi)存最初流行是因?yàn)樗菵DR內(nèi)存擁有更高的帶寬，” Cadence公司硅解決方案事業(yè)部總監(jiān)Frank Ferro表示?！白畛醯腖PDDR4內(nèi)存帶寬約為4 Gb/s。但LPDDR6的內(nèi)存帶寬高達(dá)14.4 Gb/s。這是最重要的一點(diǎn)，它提供了巨大的帶寬。低功耗當(dāng)然也很重要。此外，它還提供了更大的內(nèi)存容量。LPDDR6的容量雖然不如DDR，但在汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，隨著ADAS和AI推理技術(shù)的普及，內(nèi)存容量變得至關(guān)重要。LPDDR6在內(nèi)存容量和內(nèi)存帶寬之間取得了平衡，似乎能夠滿足汽車(chē)行業(yè)的諸多需求?！?/span>

不過(guò)，4級(jí)和5級(jí)自主性給這個(gè)等式增添了一些新的復(fù)雜性?！疤嵘蟽?nèi)存容量和帶寬以實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能的主要權(quán)衡之處在于芯片面積和功耗的增加，這會(huì)影響散熱管理和可靠性，” Synopsys嵌入式內(nèi)存IP首席產(chǎn)品經(jīng)理Daryl Seitzer表示?！霸O(shè)計(jì)人員必須在性能需求與能耗和面積限制之間取得平衡，通常會(huì)利用低電壓運(yùn)行和架構(gòu)優(yōu)化。”

此外，隨著車(chē)輛中語(yǔ)言模型的日益復(fù)雜，用戶發(fā)現(xiàn)他們需要更大的內(nèi)存容量和帶寬，并且他們正在努力平衡成本?！耙?a href="http://m.sdkjxy.cn/tags/特斯拉/" target="_blank">特斯拉為例，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)他們使用了四塊LPDDR內(nèi)存，”費(fèi)羅說(shuō)道。“他們之前想的是，‘我們可以減少GDDR的使用量’，但現(xiàn)在他們?yōu)榱诉_(dá)到相同的容量，使用了相同的GDDR內(nèi)存，因此很多客戶都在考慮升級(jí)到LPDDR6，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在需要更大的容量[以及LPDDR的其他優(yōu)勢(shì)]?！?/span>

高帶寬內(nèi)存（由堆疊式DRAM通過(guò)硅通孔連接而成）目前由于硅通孔（TSV）和振動(dòng)方面的可靠性問(wèn)題，在汽車(chē)行業(yè)尚屬次要。但隨著高性能內(nèi)存需求的不斷增長(zhǎng)，一些公司已開(kāi)始關(guān)注這種內(nèi)存技術(shù)，甚至不惜犧牲低成本內(nèi)存方案。

“存儲(chǔ)器行業(yè)高度集中，少數(shù)幾家領(lǐng)先企業(yè)占據(jù)壟斷地位，產(chǎn)能與其他所有行業(yè)共享，”優(yōu)樂(lè)集團(tuán)汽車(chē)半導(dǎo)體首席分析師余陽(yáng)表示?！耙虼?，對(duì)于那些渴望轉(zhuǎn)型升級(jí)的OEM廠商來(lái)說(shuō)，了解存儲(chǔ)器行業(yè)至關(guān)重要。最近的一個(gè)例子是，由于人工智能需求、產(chǎn)能轉(zhuǎn)移和/或分銷渠道的投機(jī)行為，DDR4內(nèi)存價(jià)格在過(guò)去幾個(gè)月里飆升。”

據(jù) Yole Group 的數(shù)據(jù)顯示，目前汽車(chē)應(yīng)用中存儲(chǔ)器的類型和用途主要包括：

DRAM（LPDDR4/5、GDDR6），用于ADAS域控制器、中央計(jì)算、智能傳感器和數(shù)字座艙SoC；

NAND閃存；

eMMC/UFS，用于信息娛樂(lè)、遠(yuǎn)程信息處理、ADAS軟件存儲(chǔ)；

NVMe SSD，適用于新興的 Level 3+ 自主計(jì)算和 EDR/DSSAD 存儲(chǔ)；

SLC NAND，適用于車(chē)載信息系統(tǒng)、射頻模塊和高耐久性日志；

NOR閃存，用于ADAS傳感器、網(wǎng)關(guān)、區(qū)域控制器和MCU中的啟動(dòng)和安全代碼，以及

其他非易失性存儲(chǔ)器（EEPROM、FRAM、nvSRAM），用于存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、配置參數(shù)和低密度事件日志。

一般而言，DRAM 用于計(jì)算，NAND 用于數(shù)據(jù)，NOR 用于代碼。

其他類型的存儲(chǔ)器

例如DRAM，速度正在大幅提升，而SRAM仍然是追求最高性能的首選存儲(chǔ)器。然而，其他類型的存儲(chǔ)器也開(kāi)始逐漸應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域。

Synopsys公司的塞策表示：“SRAM支持實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)，而MRAM和RRAM則提供高密度、低功耗和持久性存儲(chǔ)，使其非常適合空中升級(jí)、數(shù)據(jù)記錄和配置保留。這些存儲(chǔ)器選擇能夠滿足汽車(chē)行業(yè)對(duì)最佳能效、性能和可靠性的需求?！?/span>

此外，對(duì)于一些對(duì)時(shí)間要求不高的任務(wù)，例如分析車(chē)輛行為或繪制車(chē)隊(duì)變化圖，部分?jǐn)?shù)據(jù)可以在車(chē)輛內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理并存儲(chǔ)在本地，然后再發(fā)送到云端?！皵?shù)據(jù)不會(huì)立即上傳到云端，而是會(huì)存儲(chǔ)幾個(gè)小時(shí)到一天，具體取決于所使用的云服務(wù)提供商（AWS、Microsoft Azure、Google Cloud）?！盋adence旗下Tensilica產(chǎn)品集團(tuán)汽車(chē)產(chǎn)品營(yíng)銷與管理總監(jiān)Amit Kumar表示，“這類數(shù)據(jù)流通常在車(chē)輛內(nèi)部累積，然后在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析。”

閃存在這方面尤其有用?！伴W存（非易失性、長(zhǎng)期存儲(chǔ)）在ECU和中央控制器中仍然很常見(jiàn)，”塞策爾說(shuō)?！胺且资源鎯?chǔ)器可在車(chē)輛的整個(gè)生命周期內(nèi)保存數(shù)據(jù)，支持固件、日志和安全資產(chǎn)的持久存儲(chǔ)。對(duì)片外數(shù)據(jù)的訪問(wèn)利用了諸如eMMC和UFS等接口，并結(jié)合PCIe，以滿足高帶寬應(yīng)用的需求。安全性通過(guò)加密、身份驗(yàn)證和符合汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證。”

每個(gè)OEM廠商都會(huì)根據(jù)各種選項(xiàng)和目標(biāo)市場(chǎng)來(lái)確定自己的內(nèi)存和存儲(chǔ)架構(gòu)。

Keysight EDA 的 SDV 業(yè)務(wù)線產(chǎn)品經(jīng)理 Carrie Browen 表示：“外部攝像頭以及（如果已啟用）車(chē)內(nèi)攝像頭的錄像可用于‘車(chē)隊(duì)學(xué)習(xí)’，以改進(jìn)自動(dòng)駕駛和完全自動(dòng)駕駛功能。這些錄像通常是與碰撞或安全氣囊彈出等安全事件相關(guān)的短片。例如，特斯拉將數(shù)據(jù)分為不同的類別，例如自動(dòng)駕駛分析與改進(jìn)和路段數(shù)據(jù)分析，用于訓(xùn)練和改進(jìn)駕駛輔助和導(dǎo)航功能。某些數(shù)據(jù)，例如行車(chē)記錄儀視頻和哨兵模式存儲(chǔ)（用于監(jiān)控停放車(chē)輛周?chē)耐{），除非您明確啟用共享，否則會(huì)在車(chē)輛本地進(jìn)行處理。實(shí)際上，部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在車(chē)輛上，部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在特斯拉控制的數(shù)據(jù)中心（以及合作伙伴的設(shè)施）中，這些數(shù)據(jù)中心支持人工智能訓(xùn)練、服務(wù)和支持運(yùn)營(yíng)?！?/span>

如今，高速DRAM通常用于近計(jì)算內(nèi)存，而閃存和其他非易失性存儲(chǔ)方案則提供數(shù)據(jù)備份和冗余。但這些界限正開(kāi)始變得模糊。

布朗表示：“未來(lái)的架構(gòu)將通過(guò)使用更多混合內(nèi)存層來(lái)提高靈活性，這些混合內(nèi)存層將傳統(tǒng)的DRAM和閃存集成到單個(gè)模塊或封裝中。對(duì)于用于人工智能改進(jìn)的攝像頭和傳感器數(shù)據(jù)，標(biāo)注和審核工具允許授權(quán)員工和承包商查看短視頻和圖像，以便對(duì)物體和駕駛場(chǎng)景進(jìn)行標(biāo)注。媒體對(duì)過(guò)去標(biāo)注操作的報(bào)道描述了此類界面，但并未披露其確切的技術(shù)棧?！?/span>

結(jié)論

車(chē)輛正變得越來(lái)越復(fù)雜，其系統(tǒng)集成了越來(lái)越多的存儲(chǔ)器和處理元件，以及新的、更好的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)方式。

Keysight EDA 的內(nèi)存解決方案項(xiàng)目經(jīng)理 Randy White 表示：“車(chē)載計(jì)算需求，包括信息娛樂(lè)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)，對(duì)內(nèi)存帶寬和容量的要求越來(lái)越高。與基于云的計(jì)算相比，車(chē)載推理的低延遲特性可確保實(shí)時(shí)處理和關(guān)鍵任務(wù)的時(shí)序控制?！?/span>

這些都是通往完全自主化道路上的墊腳石。鑒于這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展軌跡，這很可能在不久的將來(lái)就會(huì)實(shí)現(xiàn)。

參考鏈接

https://semiengineering.com/new-automotive-architectures-are-shaking-up-processors-and-memory-choices/