本文作者：Ann Mutschler，Semiconductor Engineering高級執(zhí)行編輯

關(guān)鍵要點(diǎn)

輔助駕駛和自動駕駛需要來自更多傳感器的更多數(shù)據(jù)，并且需要對其中部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行更快速的處理。

向軟件定義汽車和集中式智能的轉(zhuǎn)變，使得更容易識別出哪些地方需要最先進(jìn)的處理器和存儲器，哪些地方可以部署更老、更廉價的技術(shù)。

汽車以太網(wǎng)和LPDDR等過去很大程度上被忽視的技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展到突然被大量需求的程度。

來自輔助駕駛和自動駕駛傳感器的數(shù)據(jù)爆炸式增長，以及基于這些數(shù)據(jù)做出實(shí)時決策的需求，正對汽車中的存儲器和存儲子系統(tǒng)提出前所未有的要求。

隨著越來越多的機(jī)械功能被電子器件取代，以及汽車智能化程度的提高，汽車領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)正與大型數(shù)據(jù)中心遇到的挑戰(zhàn)趨同。對于自動剎車、車道保持、倒車影像處理和懸架調(diào)節(jié)等關(guān)鍵功能而言，處理單元和存儲器內(nèi)部及之間的數(shù)據(jù)傳輸必須極其迅速，以便優(yōu)先保障這些關(guān)鍵功能。

與此同時，這些車輛還包含了各種重要程度不同的功能。例如，信息娛樂系統(tǒng)雖部分功能對提醒駕駛員至關(guān)重要，但其他功能則并非如此。這里的挑戰(zhàn)在于，既要將車輛作為一個單一系統(tǒng)來管理，又要將其視為一個由多個系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)，其中某些功能優(yōu)先于其他功能。而最佳的解決方法是增加帶寬、減少延遲，并更精細(xì)地確定在何處、使用哪種制造工藝以及以何種成本部署哪些組件。

“當(dāng)我們討論具有服務(wù)質(zhì)量的10千兆汽車以太網(wǎng)之類的東西時，傳統(tǒng)的汽車工程師會問：‘我怎么保證這個信號能在100毫秒內(nèi)實(shí)際傳到剎車？’”西門子EDA混合物理與虛擬系統(tǒng)、汽車及航空航天/國防部門副總裁David Fritz表示。“我的回答是，‘你看到兩個街區(qū)外的那棟樓了嗎？如果你拿一根雙絞以太網(wǎng)線，繞過那棟樓，再一直拉回這里，延遲可能也就幾微秒，而你擔(dān)心的卻是毫秒?！@是因?yàn)閭鬏斔俾史浅８?。即使發(fā)生沖突處理，你也有充足的時間來解決。因此，過去那種擔(dān)心系統(tǒng)繁忙時數(shù)據(jù)能否足夠快地從A點(diǎn)傳到B點(diǎn)的顧慮基本消失了。那種關(guān)于如何劃分我那1.5兆比特每秒的CAN總線以確保數(shù)據(jù)送達(dá)的擔(dān)憂也煙消云散了。這就是兆比特和千兆比特的區(qū)別。”

這對汽車設(shè)計產(chǎn)生了巨大影響?！叭绻阏谕ㄟ^網(wǎng)絡(luò)將高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包從A點(diǎn)發(fā)送到B點(diǎn)，而網(wǎng)絡(luò)因?yàn)檎趥鬏斠曨l幀而非常繁忙——而且由于現(xiàn)在一些原始設(shè)備制造商在車外裝了16到20個攝像頭，我根本不知道網(wǎng)絡(luò)上還有什么——你希望盡可能在車輛邊緣處理掉盡可能多的數(shù)據(jù)，”Fritz說?！斑@降低了對帶寬的要求。中國的主機(jī)廠明白，如果他們一次性從20個高清攝像頭發(fā)送數(shù)據(jù)，即使發(fā)生碰撞，他們?nèi)匀豢梢蕴幚磉@些數(shù)據(jù)，存儲幀，并用AI處理這些幀。他們可以快速地將數(shù)據(jù)送入AI算法，因?yàn)楝F(xiàn)在他們使用的SoC延遲只有納秒和皮秒級別，而競爭對手有幾個ECU，如果運(yùn)氣好，這些獨(dú)立的ECU之間有幾個兆比特的通信通道。歸根結(jié)底，這就像設(shè)計SoC一樣來設(shè)計汽車?！?/span>

這也使得汽車制造商能夠使用各種處理單元和存儲器，專注于哪里需要最高性能、哪里可以縮減規(guī)模、不同功能需要多少能耗，以及這一切的總成本。

“傳統(tǒng)上，這些功能依賴于MPU或DSP，但現(xiàn)在人們越來越有興趣利用GPU來執(zhí)行其中一些任務(wù)，”Imagination Technologies高級產(chǎn)品經(jīng)理Amir Kia表示?！袄?，在座艙信息娛樂和駕駛顯示屏方面，許多公司已經(jīng)在使用GPU。開發(fā)者認(rèn)識到GPU的靈活性使其能夠高效地同時處理計算和圖形任務(wù)。與其集成額外的加速器，他們認(rèn)為擴(kuò)展現(xiàn)有GPU的能力來管理信息娛樂和增強(qiáng)計算性能更有價值，從而減少系統(tǒng)開銷。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DSP的依賴開辟了機(jī)會?！?/span>

邁向軟件定義汽車

這些變革中的許多都是汽車制造商的基礎(chǔ)性轉(zhuǎn)變，他們直到過去十年才開始將重點(diǎn)從ECU轉(zhuǎn)向軟件定義的方法。其好處在于，不同的系統(tǒng)和子系統(tǒng)可以像SoC中的模塊一樣被設(shè)計，然后在任何合適的地方以任何合適的方式進(jìn)行融合。這反過來又使得判斷以下問題變得更加容易：何處需要多少帶寬、需要多大的存儲容量、哪種類型的存儲器在什么地方效果最佳，以及哪些數(shù)據(jù)具有最高優(yōu)先級。

“每個人都在試圖轉(zhuǎn)向更集中的架構(gòu)，”Kia說。“我們使用了大量分布式ECU，我們想要轉(zhuǎn)向更集中的基礎(chǔ)架構(gòu)。一些客戶的平臺計算負(fù)載很重，需要處理來自傳感器和顯示器的海量實(shí)時數(shù)據(jù)。一個客戶有6個攝像頭，另一個有8到12個攝像頭，都在同時傳輸數(shù)據(jù)流。因此，系統(tǒng)內(nèi)部需要快速交換大量數(shù)據(jù)，他們正試圖將所有功能整合到一個SoC中來處理這些數(shù)據(jù)?！?/span>

軟件定義汽車與一系列功能特定的ECU截然不同。雖然不同的系統(tǒng)必須按要求執(zhí)行其功能，但這些車輛中的中央邏輯也能夠做出涉及多個系統(tǒng)的實(shí)時決策。然而，要做到這一點(diǎn)，必須提供正確的數(shù)據(jù)以便采取行動。

“高分辨率傳感器、AI加速器和安全關(guān)鍵型工作負(fù)載都匯聚到共享的存儲器和存儲子系統(tǒng)上，如果沒有足夠的帶寬，這些子系統(tǒng)很快就會成為性能瓶頸，”Rambus Silicon IP業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Adiel Bahrouch說。“如果存儲器無法足夠快地為計算引擎提供數(shù)據(jù)，芯片利用率就會下降，延遲就會增加，直接影響安全和用戶體驗(yàn)。分層式存儲器和存儲體系——從超快的片上存儲器到大容量持久性存儲——確保了每個工作負(fù)載都能在帶寬、延遲、容量和成本之間取得恰當(dāng)?shù)钠胶?，最終實(shí)現(xiàn)安全、響應(yīng)迅速且功能豐富的車輛。”

隨著這些架構(gòu)上的轉(zhuǎn)變重塑汽車領(lǐng)域，存儲器技術(shù)的選擇變得越來越重要。“從L3級向L4級及更高級別演進(jìn)時，模型的復(fù)雜性、精煉度和效率仍然是主機(jī)廠關(guān)注的焦點(diǎn)，”美光科技產(chǎn)品和系統(tǒng)副總裁Michael Basca指出?！拔覀兌家娺^一些自動駕駛出租車在交通中陷入某些困境的情況，所以很明顯，我們還沒有達(dá)到模型可以處理所有各種極端邊緣情況的程度。即使在更高級別，在存儲方面，模型在變得更高效之前，很可能在一段時間內(nèi)仍然會變得更大。”

在更微觀的層面上，電動化車輛中部署的存儲器類型取決于響應(yīng)時間的關(guān)鍵程度、目標(biāo)細(xì)分市場以及車輛的動力來源。對于純電動汽車而言，更長的續(xù)航里程是一種競爭優(yōu)勢，而用于移動數(shù)據(jù)的功耗越少，車輛的續(xù)航里程就越長。因此，雖然GDDR容量更大，但LPDDR6對于特定功能可能就足夠了。

“LPDDR存儲器最初流行是因?yàn)樗峁┝吮菵DR更高的帶寬，”Cadence硅解決方案集團(tuán)總監(jiān)Frank Ferro說，“最初的LPDDR4大約為4 Gb/s。但到了LPDDR6，我們達(dá)到了高達(dá)14.4 Gb/s的存儲帶寬。這是第一個重要優(yōu)勢。你獲得了大量帶寬。低功耗當(dāng)然也很重要。另一個優(yōu)點(diǎn)是它提供了稍大的存儲容量。LPDDR6的容量不如DDR，但在汽車應(yīng)用中，隨著我們進(jìn)入ADAS和AI推理，容量變得非常重要。LPDDR6在存儲容量和存儲帶寬之間取得了平衡，似乎滿足了許多汽車應(yīng)用的要求?！?/span>

然而，L4級和L5級自動駕駛為此帶來了新的變數(shù)?！盀橄冗M(jìn)功能增加片上存儲容量和帶寬的主要權(quán)衡在于芯片面積和功耗的增加，這會影響熱管理和可靠性，”新思科技嵌入式存儲IP產(chǎn)品管理總監(jiān)Daryl Seitzer說?！霸O(shè)計人員必須在性能要求與功耗和面積限制之間取得平衡，通常會利用低電壓操作和架構(gòu)優(yōu)化。”

圖1：ADAS帶寬需求。來源：美光科技

此外，隨著語言模型在汽車中變得越來越復(fù)雜，用戶發(fā)現(xiàn)他們需要更大的存儲容量和帶寬，并正嘗試在成本之間取得平衡?！耙?a href="http://m.sdkjxy.cn/tags/特斯拉/" target="_blank">特斯拉為例，你可能會發(fā)現(xiàn)車上用了四顆LPDDR存儲器，”Ferro說。“他們曾想，‘我們可以用更少的GDDR’，但現(xiàn)在他們?yōu)榱巳萘渴褂昧讼嗤瑪?shù)量的LPDDR，因此很多客戶都開始轉(zhuǎn)向LPDDR6，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在需要那樣的容量（加上LPDDR的其他優(yōu)勢）。”

高帶寬存儲器（通過硅通孔連接的堆疊式DRAM）由于涉及TSV和振動相關(guān)的可靠性問題，目前尚不能用于汽車領(lǐng)域。但由于對高性能存儲器的需求不斷增長，它肯定已經(jīng)進(jìn)入了一些公司的視野——在某些情況下，這甚至?xí)誀奚杀靖偷拇鎯Ψ桨笧榇鷥r。

“存儲器行業(yè)高度集中，少數(shù)幾家頭部廠商占據(jù)壟斷地位，其產(chǎn)能與所有其他行業(yè)共享，”Yole Group首席半導(dǎo)體分析師Yu Yang表示?！耙虼?，對于有志于轉(zhuǎn)型的主機(jī)廠來說，了解存儲器行業(yè)相當(dāng)關(guān)鍵。一個很近的例子就是，由于AI需求、產(chǎn)能轉(zhuǎn)移以及/或者分銷渠道的投機(jī)行為，DDR4存儲器的價格在過去幾個月里飛漲?！?/span>

根據(jù)Yole Group的數(shù)據(jù)，當(dāng)前汽車應(yīng)用中存儲器類型和用途的細(xì)分包括：

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

NAND 閃存；

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

NVMe SSD：用于新興的 L3級以上自動駕駛計算和 EDR/DSSAD 存儲；

SLC NAND：用于遠(yuǎn)程信息處理、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 中的啟動和安全代碼；

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

一個常用的經(jīng)驗(yàn)法則是：DRAM用于計算，NAND用于數(shù)據(jù)，NOR用于代碼。

其他存儲器類型

DRAM正變得越來越快，而SRAM仍然是追求最高性能時的首選存儲器。然而，其他類型的存儲器也開始悄然進(jìn)入汽車應(yīng)用。

“SRAM支持實(shí)時計算任務(wù)，而MRAM和RRAM提供高密度、低功耗和持久存儲，使其非常適合無線更新、數(shù)據(jù)記錄和配置保留，”新思科技的Seitzer說?！斑@些存儲器選擇滿足了汽車行業(yè)對最優(yōu)能效、性能和可靠性的需求?！?/span>

此外，一些數(shù)據(jù)可以在車輛中進(jìn)行預(yù)處理并本地存儲，然后再發(fā)送到云端處理那些對時間要求較低的任務(wù)，例如分析車輛行為或車隊中的地圖變化?！皵?shù)據(jù)不會立即上傳到云端，而是存儲幾個小時或最多一天，具體取決于使用了哪個云服務(wù)商（AWS、Microsoft Azure、Google Cloud），”Cadence Tensilica產(chǎn)品集團(tuán)汽車產(chǎn)品營銷與管理總監(jiān)Amit Kumar說。“這些類型的數(shù)據(jù)流通常先在汽車內(nèi)部積累，然后在數(shù)據(jù)倉庫中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析?！?/span>

閃存在這方面特別有用?！伴W存（非易失性、長期存儲）在ECU和中央控制器中仍然很常見，”Seitzer說?！胺且资源鎯ζ骺稍谲囕v整個生命周期內(nèi)保留數(shù)據(jù)，為固件、日志和安全資產(chǎn)提供持久存儲。對外部芯片數(shù)據(jù)的訪問利用eMMC和UFS等接口，對于高帶寬應(yīng)用則使用PCIe。通過加密、認(rèn)證和遵守汽車安全標(biāo)準(zhǔn)來確保安全性?！?/span>

每個主機(jī)廠都會根據(jù)廣泛的選擇和目標(biāo)市場來決定自己的存儲器和存儲架構(gòu)。

“來自外部攝像頭的錄像，以及（如果啟用的話）來自座艙攝像頭的錄像，可用于‘車隊學(xué)習(xí)’，以改進(jìn)自動駕駛和全自動駕駛功能——這些通常是捕捉與碰撞或氣囊彈出等安全事件相關(guān)的短片，”Keysight EDA SDV產(chǎn)品線經(jīng)理Carrie Browen說?！袄?，特斯拉描述了不同的類別，如‘自動駕駛分析與改進(jìn)’和‘路段數(shù)據(jù)分析’，用于訓(xùn)練和完善駕駛輔助及導(dǎo)航功能。一些數(shù)據(jù)，如行車記錄儀錄像和哨兵模式存儲（用于監(jiān)控停車周圍威脅），除非你明確允許分享，否則是在車上本地處理的。實(shí)際上，數(shù)據(jù)一部分存在于車輛上，一部分存在于支持AI訓(xùn)練、服務(wù)和運(yùn)營的特斯拉控制的數(shù)據(jù)中心（及合作伙伴設(shè)施）中?！?/span>

如今，高速DRAM通常用于近計算存儲，而閃存和其他非易失性存儲選項則提供數(shù)據(jù)備份和冗余。但這些界限正開始變得模糊。

“未來的架構(gòu)將通過使用更多的混合存儲層級來獲得更大的靈活性，這些層級將傳統(tǒng)的DRAM和閃存集成在單個模塊或封裝內(nèi)，”Browen說?！皩τ谟糜贏I改進(jìn)的攝像頭和傳感器數(shù)據(jù)，標(biāo)注和審查工具允許授權(quán)員工和承包商查看短片和圖像，以對物體和駕駛場景進(jìn)行注釋。關(guān)于過去標(biāo)注操作的媒體報道描述了此類界面，但沒有披露其確切的技術(shù)棧?！?/span>

結(jié)論

汽車正變得越來越復(fù)雜，成為集成了越來越多存儲器類型和處理單元的“系統(tǒng)的系統(tǒng)”，并需要更新更好的數(shù)據(jù)傳輸和存儲方式。

“包括信息娛樂和ADAS在內(nèi)的車載計算需求，對存儲帶寬和容量的要求越來越高，”Keysight EDA存儲解決方案項目經(jīng)理Randy White說?！盎谲囕d推理（而非云端）的低延遲確保了實(shí)時處理和對任務(wù)關(guān)鍵型時序的要求。”

這些都是通往全自動駕駛道路上的墊腳石。考慮到這項技術(shù)的發(fā)展軌跡，全自動駕駛很可能在不久的將來實(shí)現(xiàn)。

作者介紹

Ann Mutschler是Semiconductor Engineering的高級執(zhí)行編輯

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