自動駕駛無疑是現(xiàn)今汽車領(lǐng)域最熱門的話題之一，無論是歷史悠久的汽車制造商或產(chǎn)業(yè)新星，皆在研發(fā)具有自動駕駛功能的汽車。拜摩爾定律（Moore’s Law）之賜，這些自動駕駛功能的開發(fā)者不僅大幅提升處理能力及改善傳感器技術(shù)，還降低了成本。

「自動駕駛」這個詞語涵蓋眾多功能的復(fù)雜技術(shù)領(lǐng)域，其中包含從「全自動駕駛」到「與駕駛共享控制權(quán)」。為利于分辨不同的自動駕駛能力，美國汽車工程師協(xié)會（Society of Automotive Engineers；SAE）便制訂如表1的自動駕駛分級標準。

表1 SAE 自動駕駛等級定義

隨著自動駕駛等級的提高，車輛也需要更妥善地掌握周圍環(huán)境并能安全行駛，為達到此需求，車輛需要采用包含超聲波傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、雷達（RADAR）、攝像頭和激光雷達（LiDAR）等多種類型的傳感器，以及具備相關(guān)的處理能力。

每種類型的傳感器都能提供汽車整體環(huán)境的相關(guān)信息，而自動駕駛汽車則需將這些元素融合在一起，才能構(gòu)成一幅完整的影像。根據(jù)執(zhí)行的自動駕駛等級，將改變傳感器的部署和類型，例如，攝像頭將用于車道維持輔助、盲點檢測和交通號志辨識等應(yīng)用；而頻率調(diào)變連續(xù)波（FMCW）雷達則用于確定與目標物體間的距離。對于2級以上的自動駕駛等級而言，充分理解汽車所處的環(huán)境十分重要，這樣，汽車才能辨識自身位置和周圍障礙物，進而落實安全行駛，其可透過攝像頭、雷達、激光雷達，以及GPS信息來完成對所處環(huán)境的掌握。但只參考GPS信息并不可靠，因為其精準度會改變，且訊號易受建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施阻隔影響。

能夠掌握所在環(huán)境并采取行動，是達到自動駕駛功能的關(guān)鍵條件，因此不論是SAE 6個等級中的哪一級，只要出現(xiàn)意外的運作或行動，生命與環(huán)境皆會受到威脅。所以自動駕駛功能的開發(fā)必須限定在一個框架內(nèi)，以確保設(shè)計和所有要素的安全性，嚴格遵守ISO 26262標準是開發(fā)自動駕駛汽車的必要條件，若能實施該標準提供的框架，將有助于確保安全性，及定義多個車輛安全完整性等級(ASIL)與容許范圍內(nèi)的失誤率。部署自動駕駛解決方案后，也將受到來自世界各市場的嚴苛環(huán)境考驗，為了確保系統(tǒng)在這些環(huán)境中能夠正常運行，汽車級元件需通過被廣泛認可的 AEC-Q100 或更高等級的資格認證。

架構(gòu)執(zhí)行自動駕駛功能的關(guān)鍵核心是中央處理模組。為了成功執(zhí)行自駕功能，中央處理模組必須包含以下功能：- 信息整合、預(yù)處理和分配(DAPD)：能連接不同類型傳感器，并在處理單元內(nèi)的各個處理單元與加速器之間，執(zhí)行基本的信息處理、路由和交換。- 高效能連續(xù)處理：高效能處理單元用于執(zhí)行信息萃取和傳感器融合，并根據(jù)其輸入的資訊進行高階決策制定。在某些應(yīng)用中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會在高效能連續(xù)處理中運行。

- 安全處理：依據(jù)「DAPD元件預(yù)處理的環(huán)境信息」與「來自神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速與高效能連續(xù)處理單元的結(jié)果」進行即時處理與車輛控制。

創(chuàng)建中央處理模組時，設(shè)計人員會面對接口、擴展性、合規(guī)性和效能等多方面的挑戰(zhàn)，若部署于功耗和散熱受限的環(huán)境中，還要解決傳統(tǒng)的尺寸、重量，以及功耗成本（Size, Weight and Power-Cost，SWaP-C）的難題，而在設(shè)計DAPD和安全處理器時，SWaP-C的難題尤為明顯。

解決挑戰(zhàn)使用單個元件是解決這些挑戰(zhàn)的方案之一，此方法不僅能在同一個芯片中提供DAPD的接口、預(yù)處理和路由功能，還具備安全處理甚至是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速功能。這種高度整合的方法，打造了非常有利于解決SWaP-C的緊密整合解決方案。賽靈思(Xilinx)車規(guī)級Zynq UltraScale+ MPSoC異質(zhì)單芯片系統(tǒng)，可用來運作這類高度整合解決方案，該元件提供四個高效能Arm Cortex-A53核心的可編程邏輯，來構(gòu)成緊密整合的處理單元。此外，針對即時控制，異質(zhì)單芯片系統(tǒng)還提供包含鎖步(Lockstep)雙Arm Cortex-5處理器的即時處理單元(RPU)，不僅可執(zhí)行高達ASIL C等級的安全功能，還可用于安全關(guān)鍵型應(yīng)用。為了提供必要的功能安全性，RPU經(jīng)過精心設(shè)計，具有減少、檢測和緩解單個隨機故障(包括由硬件和單個事件觸發(fā))的能力，這些元件能有效地在處理器系統(tǒng)資源與可編程邏輯之間進行功能區(qū)分。

DAPD帶來的主要挑戰(zhàn)在于如何在采用不同接口標準的眾多類型傳感器間建立連接。典型的解決方案是連接采用高速接口的多種傳感器，如MIPI、JESD204B、LVDS和GigE，來達到攝像頭、雷達和激光雷達這樣的高頻寬接口。但除此之外，DAPD還需要連接較慢的接口，如CAN、SPI、I2C和UART。若使用異質(zhì)單芯片系統(tǒng)的處理系統(tǒng)(PS)和可編程邏輯(PL)，便可支持多種業(yè)界標準接口，包括SPI、I2C、UART和GigE；同時，PL IO的高靈活性能讓MIPI、LVDS和十億位元串列連結(jié)直接連接，允許在PL中(通常使用IP核心)運作更高階的協(xié)定。

此外，在 PL中執(zhí)行協(xié)定還能帶來其他優(yōu)勢，例如輕松引入標準修訂，以及能靈活設(shè)定解決方案所支持的具體傳感器接口數(shù)量。而且，只要硬件設(shè)計提供正確的PHY，PL便可運作任意接口，真正落實任意到任意的接口功能。車規(guī)級Zynq UltraScale+ MPSoC的PL還能加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于PL具有平行特性，因此相較于傳統(tǒng)采用CPU/GPU的方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行更具回應(yīng)性和確定性，因其消除了不同等級之間傳統(tǒng)的外部存儲器瓶頸。透過使用C、C++和OpenCL等這類高級語言，能在系統(tǒng)最佳化編譯器SDSoC中運作這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進而將功能從處理器系統(tǒng)無縫遷移到可編程邏輯內(nèi)。另一大挑戰(zhàn)是如何運作安全處理器，其必須依照從DAPD和高效能連續(xù)處理所接收到的命令進行操作，這些命令能確保車輛在所處環(huán)境中安全行駛，因此，安全處理器需要與汽車控制系統(tǒng)(如轉(zhuǎn)向、加速和剎車)直接進行互動，這是自動駕駛功能的一大關(guān)鍵層面，因為任何錯誤將會導(dǎo)致生命的喪失和環(huán)境的破壞。異質(zhì)單芯片系統(tǒng)在RPU中包含鎖步雙Arm Cortex-R5核心，可用于運作安全處理。

圖2 即時處理單元架構(gòu)

RPU 核心不僅具有鎖步功能，還能執(zhí)行多個附加的緩解功能。其中包括用于將 RPU 與存儲器和快取存儲器緊密耦合的糾錯碼(Error Correction Code)，以及用于保護DDR存儲器的雙錯誤檢測單個錯誤校正代碼。在快取存儲器和存儲器中加入ECC功能，可確保執(zhí)行自動駕駛汽車控制所需的應(yīng)用程序和信息的完整性。此外，為了確保運作前底層硬件沒有故障，還有提供啟動時的內(nèi)建自檢測(BIST)功能，也可在運作過程中按照使用者的需求執(zhí)行附加的BIST操作。此外，異質(zhì)單芯片系統(tǒng)的架構(gòu)還能在元件中隔離存儲器和周邊的功能。異質(zhì)單芯片系統(tǒng)導(dǎo)入的這些功能，讓同一芯片中能夠落實安全處理、DAPD、甚至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速。為了確保擁有業(yè)界領(lǐng)先的元件品質(zhì)，賽靈思收集了產(chǎn)業(yè)需求并將其融入到名為Beyond-AEC-Q100的內(nèi)部品質(zhì)控制計劃中。此外，這款異質(zhì)單芯片框架中，將大部分的測試要求加倍，以確保達到汽車級元件的安全限度，不僅如此，更高整合度還能降低最終解決方案所需的PCB設(shè)計和互連的復(fù)雜性，同時達到更低功耗。

總結(jié)

提供自動駕駛功能需要運作中央處理模組，該模組面臨SWaP-C的挑戰(zhàn)，因此采用針對DAPD、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器和安全處理器的車規(guī)級高整合度解決方案，能夠落實更小巧、更輕便、更低功耗的解決方案。