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| 本文作者： 包永剛 | 2024-09-20 15:57 |
汽車行業(yè)正快速朝著智能化的方向發(fā)展。汽車的智能化將驅(qū)動汽車架構(gòu)轉(zhuǎn)向中央計算架構(gòu)。
中央計算能在降低成本的同時提高通信效率，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程升級（OTA），讓智能汽車也能像智能手機(jī)一樣持續(xù)升級，擁有更好的智能化體驗。既然是中央計算，芯片的安全性和性能都尤為重要。
“隨著自動駕駛接管車輛的時間越來越長，汽車芯片的功能安全將無法忽視。”Imagination Technologies車載GPU產(chǎn)品線的產(chǎn)品總監(jiān)章政指出，“在車上用消費級芯片只是短期過渡。”
目前大量的智能汽車雖符合國家的法規(guī)要求，但考慮成本等多方面的因素，滿足的是系統(tǒng)級安全，整車符合汽車安全要求，但使用了一些消費級芯片，而非高等級的功能安全芯片，這是為什么？
最核心的原因還是因為成本，傳統(tǒng)方式要實現(xiàn)功能安全，會帶來成倍的成本增加，阻礙了高功能安全等級的汽車芯片普及。
近期Imagination發(fā)布了業(yè)界高等級功能安全和最高性能的汽車GPU IP DXS。
通過創(chuàng)新的分布式安全機(jī)制，Imagination DXS GPU對性能的影響幾乎為零，芯片面積的代價估計僅為10%，實現(xiàn)了ASIL-B功能安全等級。
并且Imagination DXS GPU IP，峰值性能比Imagination上一代汽車GPU提高了50%，可擴(kuò)展至192 GPixel/s、6 TFLOPS和 24 TOPS，AI性能更是有高達(dá)10倍的提升。
Imagination的全新產(chǎn)品無疑將推動高功能安全等級車載芯片在智能汽車中的普及。
用10%的芯片面積代價，實現(xiàn)高等級功能安全
所謂功能安全，指的是確保芯片按照設(shè)計的功能運(yùn)行。如果芯片不能按照汽車設(shè)計的功能執(zhí)行，可能會威脅到駕駛員、乘客、路人的安全。
要達(dá)到功能安全，就要付出一定的成本，比如招聘有經(jīng)驗的設(shè)計人員，執(zhí)行嚴(yán)格的功能安全研發(fā)流程，進(jìn)行安全認(rèn)證等。
對于芯片來說，實現(xiàn)功能安全最重要的成本來自增加的芯片面積，因為所有新功能的實現(xiàn)，都需要增加芯片面積。
實現(xiàn)汽車芯片功能安全有兩種常見的方式，一種雙核鎖步法，另一種是工作負(fù)載重復(fù)法。
雙核鎖步法用兩個相同的邏輯單元實現(xiàn)同一個功能，同時執(zhí)行任務(wù)比較結(jié)果是否一致，如果一致說明邏輯運(yùn)行正確。通過雙核鎖步法實現(xiàn)功能安全的代價是多一倍的芯片面積。
工作負(fù)載重復(fù)法，就是把同一個工作執(zhí)行兩次，對比兩次的結(jié)果是否一致，這種方法可以避免隨機(jī)錯誤，但難以避免長期錯誤，并且因為要進(jìn)行兩次重復(fù)的工作，相當(dāng)于性能降低為二分之一。
無論是雙核鎖步法增加一倍的芯片面積，還是工作負(fù)載重復(fù)法相同的芯片面積性能降低一半，實現(xiàn)功能安全的代價都是十分高昂，自然難以普及。
自動駕駛逐步普及之后，汽車芯片的功能安全就難以被忽略。如何才能用最小成本實現(xiàn)高等級功能安全？
Imagination DXS開創(chuàng)性地實現(xiàn)了僅增加10%的芯片面積，對GPU的性能幾乎零影響，通過分布式安全機(jī)制實現(xiàn)了ASIL-B功能安全。
根據(jù)ISO 26262汽車安全完整性等級（ASIL）體系，ASIL-A等級的要求最低，ASIL-D等級的要求最全面。
“今天我們可以輕松達(dá)到ASIL-B，這個等級基本可以滿足L2級自動駕駛的需求。如果需要更高功能安全等級，可以通過2個ASIL-B系統(tǒng)交叉確認(rèn)實現(xiàn)。未來我們會進(jìn)一步提高安全等級。”章政告訴雷峰網(wǎng)(公眾號：雷峰網(wǎng))。
Imagination DXS能夠以足夠小的代價，實現(xiàn)足夠高的功能安全等級的核心是利用了處理器固有的并行性，以及任何線程都不會被完全利用的事實。
也就是說，DXS會利用一個GPU線程等待的時間，插入安全測試，使用相同的安全測試在另一個線程等待時插入，執(zhí)行完成后對比結(jié)果是否一致。
這是DXS實現(xiàn)高等級功能安全邏輯模塊的功能安全，也是實現(xiàn)整個功能安全的難點所在，需要能夠迅速在模塊中定位錯誤，這只是實現(xiàn)功能安全的其中一半。
DXS另一半的功能安全是內(nèi)存，包括Cache或SRAM。章政介紹Imagination會通過ECC、parity或者CRC校驗，保證內(nèi)存的功能正確。
Imagination通過獨特的分布式安全機(jī)制（DMS），利用空閑時不停發(fā)送很小的測試向量，在ASIL標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的時間范圍內(nèi)識別故障，實現(xiàn)高等級功能安全。
DXS在執(zhí)行安全相關(guān)的任務(wù)時，效率是同級別競品的2倍，再借助分布式功能安全機(jī)制，DXS的優(yōu)勢還能翻倍。
Imagination已經(jīng)為這個機(jī)制申請了專利。章政說，“DSM機(jī)制不僅可以用于車載電子，對于功能安全要求高的其它的領(lǐng)域，比如航空、醫(yī)療和工業(yè)，也都適用。”
AI性能的數(shù)量級提升
對于自動駕駛汽車芯片，與功能安全同樣重要的是高性能。因為自動駕駛?cè)栽诓粩喟l(fā)展，智能化功能在不斷擴(kuò)展，高性能和可擴(kuò)展性都非常重要。
得益于增加了一個新的SPU單元，使用5nm節(jié)點，算力可從單核0.25 TFLOPS的配置，擴(kuò)展到1.5 TFLOPS的處理能力，DXS的性能相比上一代XS整體提升了50%。
Imagination為SPU做了很多優(yōu)化工作，比如增加了2D雙速紋理處理（2D dual-rate texturing），更新了固件處理器（firmware processor），新增了可變分辨率渲染（fragment shading rate）。
整體而言，對于渲染類任務(wù)，DXS單位面積的性能高出競品2倍。對于以計算為中心的圖形處理任務(wù)，DXS單位面積性能高出競品28%左右。
自動駕駛芯片的AI性能也值得單獨關(guān)注，這是實現(xiàn)更高級別自動駕駛的關(guān)鍵所在。
4核配置的DXS，用于FP16半精度浮點計算時，DXS能提供12 TFLOPS的性能；用于int8計算時，DXS能提供254TOPS。
“這是運(yùn)行在1GHz主頻上的數(shù)據(jù)，如果芯片設(shè)計公司后端能力夠強(qiáng)，DXS可以運(yùn)行在1.2GHz甚至1.5GHz的主頻，其性能將更高。”章政表示，“我們研究發(fā)現(xiàn)，大部分AI負(fù)載FP16的精度就足夠滿足要求，FP32確實有更高精度，但帶寬會增加一倍，系統(tǒng)可能沒辦法提供這么高的帶寬。當(dāng)然我們的DXS也支持FP32。”
帶寬也是限制汽車ADAS實現(xiàn)的重要原因， Imagination DXS增加了片上存儲，盡量把所有計算都控制在一個GPU內(nèi)，大幅降低系統(tǒng)的帶寬需求。
不過對于發(fā)揮芯片的AI性能，上層的軟件同樣關(guān)鍵。
由于GPU的人才相對匱乏，為了讓開發(fā)者充分利用GPU的性能，Imagination開發(fā)了一系列庫，比如幾何庫、BLAS庫（imgBLAS），專門的CNN 庫（imgNN），還有專門處理車載工作的庫，如處理雷達(dá)數(shù)據(jù)需要的FFT庫（imgFFT）。
Imagination的目標(biāo)是幫助軟件開發(fā)人員實現(xiàn)高達(dá)80%的GPU利用率。
這些庫與新的參考工具包oneAPI和TVM相結(jié)合，構(gòu)成了一個基于開放標(biāo)準(zhǔn)的實用軟件棧，軟件開發(fā)人員可以利用該軟件棧輕松地將其計算應(yīng)用移植到基于Imagination IP的硬件上，并最大限度地提高其性能。
DXS AI性能的提升相比上一代高達(dá)近10倍。其中，硬件性能大概提升了50%，所以更大的的提升來自軟件的支持和協(xié)同。
“計算庫提升了2-4倍的性能，采用雙速率FP16帶來了3倍提升，所以DXS在典型工作負(fù)載上帶來了6-12倍的性能提升。”章政表示，“DXS大模型、路況視覺觀察、駕駛員行為監(jiān)測、激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理等方面已經(jīng)具備了商用能力。DXS覆蓋從座艙到L2/L3自動駕駛的需求，DXS 8-256 MC1主要用于低成本的HMI應(yīng)用，最高端的IMG DXS-48-1536 MC4滿足ADAS的這個需求。”
不同的公司可以根據(jù)產(chǎn)品定位，靈活選擇合適的配置，甚至可以在下一代產(chǎn)品更新時增加一個新的GPU模塊。
這就離不開DXS硬件和軟件的靈活性。
為了應(yīng)對高端制程大芯片良率越來越低的挑戰(zhàn)，DXS原生支持小芯片（Chiplet）封裝，這得益于Imagination內(nèi)核之間的低帶寬總線和對隔離的支持。
軟件層面，基于硬件的虛擬化技術(shù)使Imagination GPU能夠同時運(yùn)行8個操作系統(tǒng)，并通過完全的內(nèi)存隔離，實現(xiàn)完全安全的GPU多任務(wù)處理。
目前Imagination的汽車GPU支持OpenGL ES、Vulkan、OpenGL和OpenCL。它們可運(yùn)行流行的汽車操作系統(tǒng)，如QNX和Green Hills軟件公司的INTEGRITY RTOS，以及Linux和Android。
隨著高安全等級且高性能DXS的發(fā)布，高功能安全的汽車芯片的普及將掃清障礙。
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