7nm高性能智能駕艙芯片算力與架構設計場景分析

Release Time:2021-03-23 Author:芯擎科技

2021年3月19日,由ATC汽車技術平臺旗下的ATC會議舉辦的「2021汽車車載芯片技術峰會」在上海順利召開。作為業內技術最為密集、討論話題最為前沿的汽車技術交流會,ATC汽車技術會議特邀合作伙伴芯擎科技產品管理高級總監蔣漢平博士,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設計場景分析》。蔣博士系統的闡述了作為高端數字駕艙車規芯片所應具備的五個必選項。
7nm工藝制程是高性能智能駕艙車規芯片的必選項

  1. 相對于10+nm, 7nm的工藝節點會帶來顯著的優點:
    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,節約了晶圓成本和封裝成本,進一步節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品功能更多,速度更快。

  2. 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. 3. 響應速度更快。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。

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針對10+nm的工藝節點,比對了7nm的優勢: 相比起10+nm節點工藝,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功耗(>90%),這樣才能真正發揮各個計算單元(CPU、GPU等等)有效算力,同時降低靜態功耗,減少漏電效應,提供高效的熱管理。所以針對高性能的數字駕艙SOC,7nm車規是必選項性。

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

他特別強調:7nm的設計難度更大,對芯片設計公司而言也是機會,為何設計難度大是優點呢?難度高,增加了電子行業的馬太效應,強者越強,弱者恒弱。護城河加大,行業壁壘增高,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經驗在業界都是領先的,這樣無疑為高性能的智能駕艙芯片的量產提供經驗和能力保證。

功能安全和信息安全是車規芯片的必選項
汽車電子系統愈加復雜,由電氣、電子系統故障導致的風險也越來越高,區別與移動終端芯片的架構,如何量化評估汽車功能是否安全,如何減少、規避風險,如何做到汽車功能安全和信息安全等問題變得十分突出。


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芯擎公司擁有一個專門的功能安全工程師團隊,涵蓋組織內的所有功能安全項目,我們有一些傳統的設計,比如架構設計中某些部分的內存保護和監視器,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,評估系統中元件故障的臨界點。比如,根據 ISO26262標準規定,儀表盤的關鍵數據和代碼與娛樂信息系統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, 通過與各個子系統及接口的配合,保護車內儀表盤屏幕顯示的特定部分達到ASIL-B,從而實現性能和安全性之間的平衡。

數字駕艙通過MCU/ECU等進行通信,使數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網公司和電信企業之前的密切合作來保證云端數據和車身數據的安全。芯擎采用了信息安全島(Security Island)的設計加強對個人和車輛的數據保護,芯片支持SM2/SM3/SM4國密算法。

軟硬件解耦是電子電氣架構演進和軟件定義汽車的必選項

進入2020年汽車的變革呈現出加速激變的現象,整個行業面臨著新的挑戰,自動駕駛,智能網聯,軟件定義汽車,應對這個挑戰主要需要三個方面的準備:

  1. 1. 電子電氣架構

  2. 2. 芯片

  3. 3. 軟件生態


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汽車軟件復雜度的發展趨勢,基本上呈現出指數增長的趨勢,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。分布式架構的軟硬件是耦合在一起的,由不同供應商提供,升級很難,中央計算架構下軟硬件分離,便于更新升級,集中化架構處理跨域功能主要由中央計算單元處理,架構和管理要簡單很多。

高性能的數字駕艙芯片采用異構計算架構,系統計算資源多樣化,至少包括CPU/GPU/ISP/DPU/NPU/DSP等等,還包括大量的車內高速接口,虛擬機管理的概念被引入智能座艙操作系統,但是Hypervisor在車內軟硬件適配過程中還是一個新生事物,缺乏豐富開發經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鍵。

芯擎科技的架構師根據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,芯片架構和軟件架構完全相同,通過簡單明晰的配置就可以規避Hypervisor成熟過程中引入的不確定性,提升生態適配能力與量產時間。

企引領需求導入是提升芯片量產時間的必選項
此前智能座艙的各功能都需要不同專用芯片實現,如此一來不僅提升了車企產品研發的復雜度和研發投入,后期想要在已有系統上進一步擴展功能,也比較困難。目前,智能座艙已成為各路玩家的新戰場,無論是新勢力造車力量和傳統車企已經主動打破邊界,由被動的接受通用芯片和生態提供的解決方案,轉變到親自下場制定芯片的規格和量產車型。智能座艙在國內車企的參與下快速滲透,他們積極尋找智能網聯、自動駕駛的轉型升級;同時意圖將對數據的閉環控制和算法的閉環優化完全掌控在自己手上,所以真正“完美”的數字駕艙方案一定是與整車緊密耦合的,這個與目前互聯網大廠自己制定芯片規格,并搭建數據服務平臺如出一轍,那些僅僅借某一領域的能力結合生態系統去駕馭數字駕艙和自動駕駛的芯片設計公司,很難高效的適配快速的技術演進與需求膨脹。
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蔣博士從芯擎數字駕艙芯片規格制定和架構設計過程中,明顯感到車企比如吉利集團和億咖通發揮的巨大作用:吉利集團提供了目前和未來先進的電子電氣架構及整車生態,芯擎芯片在規格指定時就針對未來幾年的量產車型的關鍵應用進行SOC架構設計;在工程階段,所有的參考設計、軟硬件系統架構、成本模型都按照指定車型進行計劃;在量產階段,直接將已經量產的生態系統平移到新的平臺上,所有的研發和生產路徑都圍繞芯片量產上車這個環節展開,數據和算法按照車企的整體規劃進行定制和管理,不存在所謂生態系統里“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的數字駕艙芯片信心十足的關鍵所在!
精準高效的算力匹配是支持電子電氣架構變革的必選項

芯片是電子電氣架構變革的基石,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埋能力提升也很明顯,而且呈現出加速增長的趨勢。

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我們總結了一下從2010年起量產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的芯片算力已經在向手機系統看齊了;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。駕駛員監控是歐盟新車安全評鑒協會(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,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,車內娛樂芯片市場的傳統廠商由瑞薩、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車載芯片設計公司,強勢入局智能駕艙市場,蔣博士初步揭示了即將量產并提供參考設計的SE1000場景規格。

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SE1000是采用業界領先的7納米工藝制程設計的新一代高性能、低功耗車規級智能座艙芯片,賦能日益豐富的車載信息娛樂系統。高性能定制CPU集群,通過面向異構計算而精心設計的SOC系統,可以為用戶提供卓越的性能體驗。內置高性能嵌入式AI神經網絡處理單元,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,可以動態根據負載進行資源分配;一機多屏多系統,支持多個高分辨率屏幕同時輸出;內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”設計,滿足ISO26262車規認證,確保汽車功能安全;專業的硬件加/解密引擎為車載應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。

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圖注:從左往右第三位系湖北芯擎科技有限公司產品管理高級總監 蔣漢平博士
作為本屆汽車車載芯片應用技術峰會的重要環節,蔣漢平博士受邀作為訪談嘉賓參與本屆的圓桌論壇,現場與多位業內領袖以及汽車領域從業者進行深度交流,并展開了精彩的頭腦碰撞,共同探討汽車芯片行業發展的熱點難點技術問題,他認為,目前芯片行業處于變革時間,國內的芯片設計企業應該盡快的抓住行業的契機,把握好方向,發展重點行業,解決芯片“卡脖子”問題,進而縮小與先進國家的差距,完成中國芯片設計公司的使命與責任。

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