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

關(guān)鍵要點(diǎn)

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)，并且需要對(duì)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(shí)別出哪些地方需要最先進(jìn)的處理器和存儲(chǔ)器，哪些地方可以部署更老、更廉價(jià)的技術(shù)。

汽車以太網(wǎng)和LPDDR等過(guò)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(lái)自輔助駕駛和自動(dòng)駕駛傳感器的數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)，以及基于這些數(shù)據(jù)做出實(shí)時(shí)決策的需求，正對(duì)汽車中的存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)子系統(tǒng)提出前所未有的要求。

隨著越來(lái)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(duì)于自動(dòng)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(chǔ)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(shí)，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(lè)系統(tǒng)雖部分功能對(duì)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(gè)單一系統(tǒng)來(lái)管理，又要將其視為一個(gè)由多個(gè)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(shí)，傳統(tǒng)的汽車工程師會(huì)問(wèn)：‘我怎么保證這個(gè)信號(hào)能在100毫秒內(nèi)實(shí)際傳到剎車？’”西門(mén)子EDA混合物理與虛擬系統(tǒng)、汽車及航空航天/國(guó)防部門(mén)副總裁David Fritz表示。“我的回答是，‘你看到兩個(gè)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(guò)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(shí)間來(lái)解決。因此，過(guò)去那種擔(dān)心系統(tǒng)繁忙時(shí)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?！?/span>

這對(duì)汽車設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大影響。“如果你正在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將高優(yōu)先級(jí)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(gè)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(shuō)?！斑@降低了對(duì)帶寬的要求。中國(guó)的主機(jī)廠明白，如果他們一次性從20個(gè)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(chǔ)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(jí)別，而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有幾個(gè)ECU，如果運(yùn)氣好，這些獨(dú)立的ECU之間有幾個(gè)兆比特的通信通道。歸根結(jié)底，這就像設(shè)計(jì)SoC一樣來(lái)設(shè)計(jì)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(chǔ)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?cè)絹?lái)越有興趣利用GPU來(lái)執(zhí)行其中一些任務(wù)，”Imagination Technologies高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Amir Kia表示?！袄?，在座艙信息娛樂(lè)和駕駛顯示屏方面，許多公司已經(jīng)在使用GPU。開(kāi)發(fā)者認(rèn)識(shí)到GPU的靈活性使其能夠高效地同時(shí)處理計(jì)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(lái)管理信息娛樂(lè)和增強(qiáng)計(jì)算性能更有價(jià)值，從而減少系統(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的依賴開(kāi)辟了機(jī)會(huì)?！?/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(guò)去十年才開(kāi)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(jì)，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(guò)來(lái)又使得判斷以下問(wèn)題變得更加容易：何處需要多少帶寬、需要多大的存儲(chǔ)容量、哪種類型的存儲(chǔ)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(jí)。

“每個(gè)人都在試圖轉(zhuǎn)向更集中的架構(gòu)，”Kia說(shuō)?！拔覀兪褂昧舜罅糠植际紼CU，我們想要轉(zhuǎn)向更集中的基礎(chǔ)架構(gòu)。一些客戶的平臺(tái)計(jì)算負(fù)載很重，需要處理來(lái)自傳感器和顯示器的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。一個(gè)客戶有6個(gè)攝像頭，另一個(gè)有8到12個(gè)攝像頭，都在同時(shí)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(gè)SoC中來(lái)處理這些數(shù)據(jù)。”

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(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dòng)。

“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(chǔ)器和存儲(chǔ)子系統(tǒng)上，如果沒(méi)有足夠的帶寬，這些子系統(tǒng)很快就會(huì)成為性能瓶頸，”Rambus Silicon IP業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Adiel Bahrouch說(shuō)?！叭绻鎯?chǔ)器無(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)增加，直接影響安全和用戶體驗(yàn)。分層式存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)體系——從超快的片上存儲(chǔ)器到大容量持久性存儲(chǔ)——確保了每個(gè)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?！?/span>

隨著這些架構(gòu)上的轉(zhuǎn)變重塑汽車領(lǐng)域，存儲(chǔ)器技術(shù)的選擇變得越來(lái)越重要?！皬腖3級(jí)向L4級(jí)及更高級(jí)別演進(jìn)時(shí)，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?jiàn)過(guò)一些自動(dòng)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(méi)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(jí)別，在存儲(chǔ)方面，模型在變得更高效之前，很可能在一段時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)變得更大?！?/span>

在更微觀的層面上，電動(dòng)化車輛中部署的存儲(chǔ)器類型取決于響應(yīng)時(shí)間的關(guān)鍵程度、目標(biāo)細(xì)分市場(chǎng)以及車輛的動(dòng)力來(lái)源。對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，更長(zhǎng)的續(xù)航里程是一種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而用于移動(dòng)數(shù)據(jù)的功耗越少，車輛的續(xù)航里程就越長(zhǎng)。因此，雖然GDDR容量更大，但LPDDR6對(duì)于特定功能可能就足夠了。

“LPDDR存儲(chǔ)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(shuō)，“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(chǔ)帶寬。這是第一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。你獲得了大量帶寬。低功耗當(dāng)然也很重要。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它提供了稍大的存儲(chǔ)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(chǔ)容量和存儲(chǔ)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(jí)和L5級(jí)自動(dòng)駕駛為此帶來(lái)了新的變數(shù)?！盀橄冗M(jìn)功能增加片上存儲(chǔ)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(huì)影響熱管理和可靠性，”新思科技嵌入式存儲(chǔ)IP產(chǎn)品管理總監(jiān)Daryl Seitzer說(shuō)?！霸O(shè)計(jì)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(huì)利用低電壓操作和架構(gòu)優(yōu)化?！?/span>

圖1：ADAS帶寬需求。來(lái)源：美光科技

此外，隨著語(yǔ)言模型在汽車中變得越來(lái)越復(fù)雜，用戶發(fā)現(xiàn)他們需要更大的存儲(chǔ)容量和帶寬，并正嘗試在成本之間取得平衡?！耙?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/特斯拉/" target="_blank">特斯拉為例，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)車上用了四顆LPDDR存儲(chǔ)器，”Ferro說(shuō)?！八麄?cè)?，‘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(kāi)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(shì)）。”

高帶寬存儲(chǔ)器（通過(guò)硅通孔連接的堆疊式DRAM）由于涉及TSV和振動(dòng)相關(guān)的可靠性問(wèn)題，目前尚不能用于汽車領(lǐng)域。但由于對(duì)高性能存儲(chǔ)器的需求不斷增長(zhǎng)，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?chǔ)方案為代價(jià)。

“存儲(chǔ)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(duì)于有志于轉(zhuǎn)型的主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，了解存儲(chǔ)器行業(yè)相當(dāng)關(guān)鍵。一個(gè)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(chǔ)器的價(jià)格在過(guò)去幾個(gè)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(chǔ)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(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：用于新興的 L3級(jí)以上自動(dòng)駕駛計(jì)算和 EDR/DSSAD 存儲(chǔ)；

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(dòng)和安全代碼；

其他非易失性存儲(chǔ)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(gè)常用的經(jīng)驗(yàn)法則是：DRAM用于計(jì)算，NAND用于數(shù)據(jù)，NOR用于代碼。

其他存儲(chǔ)器類型

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

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

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(chǔ)，然后再發(fā)送到云端處理那些對(duì)時(shí)間要求較低的任務(wù)，例如分析車輛行為或車隊(duì)中的地圖變化?！皵?shù)據(jù)不會(huì)立即上傳到云端，而是存儲(chǔ)幾個(gè)小時(shí)或最多一天，具體取決于使用了哪個(gè)云服務(wù)商（AWS、Microsoft Azure、Google Cloud），”Cadence Tensilica產(chǎn)品集團(tuán)汽車產(chǎn)品營(yíng)銷與管理總監(jiān)Amit Kumar說(shuō)?！斑@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(cāng)庫(kù)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(zhǎng)期存儲(chǔ)）在ECU和中央控制器中仍然很常見(jiàn)，”Seitzer說(shuō)?！胺且资源鎯?chǔ)器可在車輛整個(gè)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(chǔ)。對(duì)外部芯片數(shù)據(jù)的訪問(wèn)利用eMMC和UFS等接口，對(duì)于高帶寬應(yīng)用則使用PCIe。通過(guò)加密、認(rèn)證和遵守汽車安全標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保安全性?！?/span>

每個(gè)主機(jī)廠都會(huì)根據(jù)廣泛的選擇和目標(biāo)市場(chǎng)來(lái)決定自己的存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)架構(gòu)。

“來(lái)自外部攝像頭的錄像，以及（如果啟用的話）來(lái)自座艙攝像頭的錄像，可用于‘車隊(duì)學(xué)習(xí)’，以改進(jìn)自動(dòng)駕駛和全自動(dòng)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(shuō)?！袄?，特斯拉描述了不同的類別，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(chǔ)（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(yíng)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(jì)算存儲(chǔ)，而閃存和其他非易失性存儲(chǔ)選項(xiàng)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。

“未來(lái)的架構(gòu)將通過(guò)使用更多的混合存儲(chǔ)層級(jí)來(lái)獲得更大的靈活性，這些層級(jí)將傳統(tǒng)的DRAM和閃存集成在單個(gè)模塊或封裝內(nèi)，”Browen說(shuō)?！皩?duì)于用于AI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(duì)物體和駕駛場(chǎng)景進(jìn)行注釋。關(guān)于過(guò)去標(biāo)注操作的媒體報(bào)道描述了此類界面，但沒(méi)有披露其確切的技術(shù)棧?！?/span>

結(jié)論

汽車正變得越來(lái)越復(fù)雜，成為集成了越來(lái)越多存儲(chǔ)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(chǔ)方式。

“包括信息娛樂(lè)和ADAS在內(nèi)的車載計(jì)算需求，對(duì)存儲(chǔ)帶寬和容量的要求越來(lái)越高，”Keysight EDA存儲(chǔ)解決方案項(xiàng)目經(jīng)理Randy White說(shuō)?！盎谲囕d推理（而非云端）的低延遲確保了實(shí)時(shí)處理和對(duì)任務(wù)關(guān)鍵型時(shí)序的要求?！?/span>

這些都是通往全自動(dòng)駕駛道路上的墊腳石?？紤]到這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展軌跡，全自動(dòng)駕駛很可能在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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

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