FPGA在汽車行業(yè)中的價值體現(xiàn)

當前，全球汽車業(yè)正在步入以智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化、共享化為代表的“新四化”時代。IHS Markit的數(shù)據(jù)顯示，到2023年，汽車電子系統(tǒng)總額將高達1800億美元，平均每輛汽車會使用500美元以上的半導體器件，增幅最大的應用分別來自高級駕駛輔助系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和車載娛樂信息系統(tǒng)。

新變化帶來新要求

目前汽車行業(yè)的技術和架構都正在經(jīng)歷一個快速演變的過程，這一現(xiàn)象背后很重要的推手之一，就在于整車廠越來越意識到來自不同tier 1廠商的ECU之間彼此缺乏關聯(lián)，他們不得不投入大量時間和資金加以整合，使得整合ECU成為一件“極為辛苦的工作”。但網(wǎng)聯(lián)汽車和自動駕駛的快速發(fā)展正在改變這一現(xiàn)狀——在今后的設計中，傳統(tǒng)的分布式方案將被集成式方案取代，包括ECU、傳感器在內的硬件會得到高度整合；汽車OEM會更關注客戶在接口軟件層面上的創(chuàng)新，以及為終端客戶提供差異化產(chǎn)品的能力。

在智能座艙領域，以特斯拉為代表的造車新勢力正通過將儀表板、信息娛樂系統(tǒng)和屏幕顯示進行高度集成，使得一塊屏幕上需要展示的內容日趨豐富，加之不同品牌車型間的顯示器尺寸并不統(tǒng)一，從而對圖像的分區(qū)切割顯示和多元化融合提出了較高要求。但這對低功耗FPGA產(chǎn)品而言并非難事，很多車廠目前都在利用其可編程、并行處理能力強、功耗低、散熱少的特點，加速引入相關FPGA平臺。

同時，隨著車載顯示大屏化、多屏化、高清化和多形態(tài)化趨勢日趨明顯。很多新車搭載的屏幕數(shù)量均突破了2塊，部分車型甚至達到了4-5塊。隨著車內顯示屏數(shù)量和尺寸的增加，人們對顯示質量提出了新的要求，希望能夠獲得更高的色域，更高的對比度等等。特別是為了緩解里程焦慮，如何提升大尺寸屏幕效率，使之更省電，會是未來幾年行業(yè)面臨的共同課題。

車載視覺系統(tǒng)和人工智能技術現(xiàn)在也被大量應用于駕駛員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(DMS)、車艙內監(jiān)控系統(tǒng)(IMS)中，包括：監(jiān)測駕駛員的疲勞、注意力渙散或損傷；監(jiān)控乘客，確保兒童/寵物不會被無意中鎖在車內，或是包、手機和錢包等物品不會無意中遺忘在車內。

因此，ISP圖像增強會是極具前景的應用之一。例如，對目前在汽車中大量使用的LCD屏幕，F(xiàn)PGA可以作定制的背光優(yōu)化，以提升視覺效果和節(jié)約能耗。同時，為了支持車載4K顯示，F(xiàn)PGA對高速數(shù)據(jù)處理、接口也進行了廣泛的支持，包括1.5G-2.5GbpsMIPI、HDMI、DisplayPort等。

而在高級駕駛輔助系統(tǒng)應用中，最新數(shù)據(jù)顯示，一輛L3級別的自動駕駛車輛將至少配置16個以上的各型傳感器，由于主處理器需要連接不同的傳感器接口進行數(shù)據(jù)處理，而且汽車接口也尚未實現(xiàn)真正標準化，所以利用FPGA的可編程特性對不同傳感器進行聚合/橋接，或是實現(xiàn)I/O接口擴展，也是新趨勢之一。同時，考慮到汽車平臺的開發(fā)可能需要5-10年的時間，方案是否具備可拓展性也左右著用戶的選型決心。

另一個值得關注的領域來自電動汽車，尤其是伴隨著碳化硅等寬禁帶半導體的廣泛使用，傳統(tǒng)DSP甚至多核DSP控制的精度越來越難以滿足汽車行業(yè)對驅動控制的時效和正確度要求的提升，而FPGA作為替代方案正在被大量使用。

安全性同樣需要引起高度關注。越來越多傳感器、自動控制和網(wǎng)絡連接的出現(xiàn)，在給汽車帶來智能化、便捷化、舒適化體驗的同時，也讓系統(tǒng)更加容易遭受惡意攻擊。OEM廠商必須要能夠即時檢測到漏洞并防止網(wǎng)絡攻擊，還需要電子系統(tǒng)能夠在嚴酷的環(huán)境中穩(wěn)定安全運行。對半導體器件來說，增加硬件安全引擎，使之能夠在遭到未經(jīng)授權的訪問時對固件進行保護、檢測和恢復，就顯得更為關鍵。

加速開發(fā)下一代汽車應用

CertusPro-NX汽車級FPGA系列產(chǎn)品，是萊迪思日前面向車載信息娛樂(IVI)系統(tǒng)高速視頻互連、5GbE車載網(wǎng)絡(IVN)和ADAS傳感器數(shù)據(jù)處理等應用，推出的擁有領先的低功耗、高性能以及同類產(chǎn)品最小尺寸的FPGA新品。

但這并不是萊迪思在汽車領域的首次嘗試。事實上，面向汽車照明、信息娛樂系統(tǒng)和遠程信息處理等通用需求、高速視頻和傳感器、汽車設計中的平臺管理和安全應用三大方向，萊迪思依次布局了ECP/Certus系列、CrossLink系列和MachXO系列模塊化硬件平臺，并與Radiant、DIAMOND、Propel設計環(huán)境、以及mVision、Automate和sensAI解決方案集合一起，構建起了完整的“模塊化硬件平臺+參考設計+神經(jīng)網(wǎng)絡IP核+定制設計服務”矩陣，用以加速并簡化汽車相關系統(tǒng)設計流程和上市時間。

作為Nexus家族的第四款產(chǎn)品系列，CertusPro-NX主要是為了滿足智能系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)協(xié)同處理、5G通信基礎設施中的高帶寬信號橋接、以及ADAS系統(tǒng)中的傳感器接口橋接等創(chuàng)新應用需要而推出的，并在功耗設計、系統(tǒng)帶寬、邊緣處理、可靠性、封裝多樣性等多個方面得到了進一步提升。

之所以選擇這樣的設計思路，是因為從當前的行業(yè)發(fā)展趨勢來看，網(wǎng)絡邊緣設備的智能化程度正在大幅提高，它們一方面需要更高的接口帶寬以便于快速傳輸數(shù)據(jù)，另一方面又需要更多小尺寸的系統(tǒng)集成和便于優(yōu)化散熱管理的低功耗方案。

與競品相比，CertusPro-NX汽車級器件不僅擁有行業(yè)領先的能耗效率和可靠性，還在超小的封裝尺寸中提供了行業(yè)最佳的系統(tǒng)帶寬，且是同類產(chǎn)品中唯一支持LPDDR4外部存儲器的FPGA產(chǎn)品。CertusPro-NX汽車級器件支持高達8.1Gbps的SERDES、高達96k的邏輯單元，擁有同類產(chǎn)品中最多的片上存儲器資源，從而實現(xiàn)的高效處理。

憑借對高速SERDES的支持，CertusPro-NX汽車級產(chǎn)品還增加了很多獨特的功能，支持橋接信息娛樂系統(tǒng)SoC的視頻輸入以及圖像質量增強功能，包括局部調光，F(xiàn)PGA直接視頻處理，支持嵌入式顯示端口。該系列器件可以分擔系統(tǒng)的視頻增強功能，同時添加更多連接功能(如下圖所示)。

通過利用萊迪思在FPGA架構方面的創(chuàng)新和28nm低功耗FD-SOI制造工藝，CertusPro-NX器件的功耗比同類競品FPGA低四倍。通過改變基底的偏壓，開發(fā)人員可以自由選擇采用高性能(HP)還是低功耗(LP)模式運行。

CertusPro-NX FPGA支持多達8個可編程SERDES通道，速度高達8.1Gbps，提供同類產(chǎn)品中最高的系統(tǒng)帶寬(是同類競品FPGA的兩倍之多)，并支持主流的通信和顯示接口，如10Gigabit Ethernet、PCI Express、SLVS-EC、CoaXPress和DisplayPort。

CertusPro-NX FPGA的設計面積僅為81mm2，比競品器件小6.5倍，例如擁有相同邏輯單元的Xilinx Artix-7 100K LC的尺寸面積為529mm2，是CertusPro-NX的6.5倍；而尺寸面積為121mm2的Intel Cyclone V GT 77K LC，邏輯單元僅有77K。這樣的小尺寸設計對于汽車、工業(yè)攝像頭或通信系統(tǒng)中使用SFP模塊的開發(fā)人員來說，是一個關鍵的設計考慮因素。

此外，考慮到汽車、工業(yè)和通信領域的關鍵型應用必須有高的可靠性，實現(xiàn)可預測的性能并確保用戶安全，萊迪思將CertusPro-NX器件抗軟錯誤能力提高了100倍，并可在-40℃至125℃的結溫范圍內正常工作。同時，為了保護其位流免于未經(jīng)授權的訪問，CertusPro-NXFPGA還支持AES-256加密和橢圓曲線數(shù)字簽名算法(ECDSA)位流身份驗證。這意味著，CertusPro-NX FPGA能夠以合理的商業(yè)成本為下一代通信、嵌入式、工業(yè)和汽車應用帶來極高的可靠性，幫助系統(tǒng)時刻保持在線，保障最終用戶的安全。

CertusPro-NX FPGA的上述特性和優(yōu)勢現(xiàn)已通過AEC-Q100認證，可供汽車制造商使用。首發(fā)器件CPNX-100K擁有96K的邏輯單元數(shù)量，EBR(嵌入式memory)和大型RAM分別達到3.7Mb和3.6Mb，18×18 DSP與PLL數(shù)量最高可達156個和4個，并支持10GE PCS、PCIeGen 3、SGMII CDR、ADC等硬核模塊，預計將于2023年Q1實現(xiàn)量產(chǎn)。