用于自動(dòng)駕駛汽車和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的復(fù)雜芯片(SoC)的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證是一片雷區(qū)，無(wú)論是車內(nèi)還是無(wú)法預(yù)知的道路條件，都構(gòu)成了一個(gè)難點(diǎn)。芯片設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在完成錯(cuò)綜復(fù)雜的汽車芯片設(shè)計(jì)之后，又意識(shí)到他們必須回頭重新編寫(xiě)，有時(shí)甚至需要不停地重復(fù)，直到得到滿意的結(jié)果。但是稍不注意，就會(huì)觸雷。

用于自動(dòng)駕駛汽車和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的復(fù)雜芯片(SoC)的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證是一片雷區(qū)，稍不注意，就會(huì)觸雷。

每一個(gè)可預(yù)期或不可預(yù)期的微小變量，無(wú)論是車內(nèi)還是無(wú)法預(yù)知的道路條件，都構(gòu)成了一個(gè)難點(diǎn)。芯片設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在完成錯(cuò)綜復(fù)雜的汽車芯片設(shè)計(jì)之后，又意識(shí)到他們必須回頭重新編寫(xiě)，有時(shí)甚至需要不停地重復(fù)，直到得到滿意的結(jié)果。

這種迭代設(shè)計(jì)的過(guò)程，是每個(gè)芯片設(shè)計(jì)師最可怕的夢(mèng)魘。

“在開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證汽車芯片時(shí)，”西門子公司的自動(dòng)駕駛與ADAS全球技術(shù)經(jīng)理David Fritz解釋說(shuō)，“設(shè)計(jì)師要應(yīng)對(duì)的輸入是‘整個(gè)世界’，包括車輛可能遭遇的任何天氣狀況和任何道路狀況。而輸出則是保證他們的新芯片(新車)不會(huì)輾過(guò)任何人?！?/p>

換句話說(shuō)，太多東西需要吸收和消化，而結(jié)果是至關(guān)重要的安全。

硅前驗(yàn)證

在此背景之下，西門子此前公布了一款名為PAVE360的硅前自主驗(yàn)證環(huán)境平臺(tái)。

西門子的Fritz稱PAVE360是設(shè)計(jì)AV/ADAS車輛的“第一個(gè)允許多部門、多企業(yè)合作的項(xiàng)目平臺(tái)”。該平臺(tái)允許多個(gè)汽車組件、軟件和子系統(tǒng)供應(yīng)商在設(shè)計(jì)高度自動(dòng)化汽車時(shí)進(jìn)行協(xié)作。

Tirias Research首席分析師Jim McGregor告訴我們，“目前業(yè)界已經(jīng)可以在仿真環(huán)境中設(shè)計(jì)一顆定制芯片，但還是不能達(dá)到PAVE360的水平。”

PAVE360 (圖片來(lái)源: 西門子)

他解釋說(shuō)，通過(guò)PAVE360，“你可以設(shè)計(jì)和測(cè)試一輛虛擬汽車，其中的虛擬芯片由虛擬零部件構(gòu)成，而這個(gè)虛擬汽車在虛擬環(huán)境條件下在虛擬城市中行駛?！彼赋觯癙AVE360可以實(shí)現(xiàn)在汽車操作的整個(gè)流程中設(shè)計(jì)和測(cè)試芯片。并且可以更換汽車零件、修改設(shè)計(jì)或操作條件，在必要時(shí)近乎實(shí)時(shí)地測(cè)試甚至重新設(shè)計(jì)芯片?！?/p>

VSI實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人兼首席顧問(wèn)Phil Magney解釋了汽車芯片設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)：“你面對(duì)的是各種數(shù)據(jù)轟炸，包括來(lái)自各種環(huán)境傳感器的大量數(shù)據(jù)，以及來(lái)自其他ECU的大量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)最終將影響汽車性能。

Magney稱PAVE360是“非常獨(dú)特”的，他說(shuō)，“我還沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)如此完整的仿真環(huán)境?！蔽鏖T子的PAVE360平臺(tái)基于“數(shù)字孿生(digital twin)”這個(gè)概念，數(shù)字孿生是真實(shí)世界的復(fù)制(仿真)版本。Magney說(shuō)，“對(duì)于汽車或零部件的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這意味著他們可以完全仿真其目標(biāo)，無(wú)論是芯片、軟件能力、ECU還是整車。

McGregor還補(bǔ)充道，“如果我在通用動(dòng)力公司從事火箭制造時(shí)就有這個(gè)工具，我會(huì)不惜一切得到它?！?/p>

智能手機(jī)應(yīng)用處理器 vs. 汽車芯片

粗看之下，智能手機(jī)應(yīng)用程序處理器和汽車芯片是兩種截然不同的東西，它們?cè)谛酒瑥?fù)雜性、所需的計(jì)算能力、尺寸和功耗方面都完全不同。

而對(duì)功能安全性的嚴(yán)格要求，更是給汽車芯片設(shè)計(jì)人員帶來(lái)額外的壓力。他們?cè)O(shè)計(jì)的汽車芯片必須完全準(zhǔn)確，因?yàn)槠囆酒霈F(xiàn)的問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致人的死亡。而用于智能手機(jī)的應(yīng)用程序處理器則不會(huì)造成這種危險(xiǎn)。

但奇怪的是，雖然汽車芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于智能手機(jī)應(yīng)用處理器的設(shè)計(jì)規(guī)格，但目前汽車行業(yè)常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法卻不如智能手機(jī)行業(yè)那么精致。

曾在高通和英偉達(dá)(Nvidia)工作過(guò)的Fritz為我們提供了改變這種情況的方法。

汽車設(shè)計(jì)工程師一般會(huì)首先分析ADAS或AV SoC的需求并將其分解為各項(xiàng)功能，為每個(gè)功能塊設(shè)置驗(yàn)證。然而最大的挑戰(zhàn)在于變數(shù)越來(lái)越多。也許每個(gè)功能塊已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以正常工作了，但當(dāng)合并某些ADAS功能時(shí)，或者部署一個(gè)不同的傳感器組合時(shí)，甚或插入一個(gè)不同供應(yīng)商的ECU時(shí)，一切預(yù)設(shè)都會(huì)被推翻。汽車可能會(huì)突然出現(xiàn)一種全新的行為模式。這種根本性的變化可能會(huì)使汽車芯片設(shè)計(jì)人員陷入一種惡性循環(huán)，不斷重新校驗(yàn)、重新驗(yàn)證和重新編寫(xiě)他們的SoC。

Fritz回顧他在高通擔(dān)任高級(jí)總監(jiān)時(shí)，智能手機(jī)芯片的開(kāi)發(fā)環(huán)境完全不同。在智能手機(jī)領(lǐng)域，除非確信將X公司的硅方案放入Y公司的手機(jī)中能夠滿足所有需求，否則應(yīng)用程序處理器的設(shè)計(jì)人員不會(huì)開(kāi)始設(shè)計(jì)芯片。而這些需求的范圍從基準(zhǔn)測(cè)試直到功耗，它們不能超過(guò)設(shè)定的閾值，而且必須滿足供應(yīng)商所謂的“用例證據(jù)點(diǎn)(use-case proof points)”。

所有東西，包括由軟件團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證的軟件，必須在芯片開(kāi)始開(kāi)發(fā)之前完成。而這保證了在智能手機(jī)中工作的芯片的高度準(zhǔn)確性。

在Fritz看來(lái)，要模仿智能手機(jī)芯片的設(shè)計(jì)環(huán)境，汽車AV/ADAS SoC設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)能讓他們進(jìn)行“嚴(yán)格硅前驗(yàn)證”的平臺(tái)。而PAVE360就是這個(gè)平臺(tái)，他說(shuō)。

124億美元投資

西門子之所以能夠開(kāi)發(fā)出這個(gè)完整的仿真平臺(tái)，源于其多次戰(zhàn)略性的收購(gòu)。它將新購(gòu)置的工具與現(xiàn)有的仿真模型拼接起來(lái)，使之協(xié)同工作，形成一個(gè)完整的平臺(tái)。

在西門子于2017年收購(gòu)Mentor Graphics之前，這家德國(guó)公司還收購(gòu)了測(cè)試和機(jī)電一體化仿真軟件供應(yīng)商LMS International。之后又收購(gòu)了一家全球仿真軟件供應(yīng)商TASS International，除了仿真軟件，該公司還為汽車行業(yè)提供工程與測(cè)試服務(wù)。

“據(jù)我們所知，沒(méi)有其他公司進(jìn)行過(guò)這么多的投資(總計(jì)124億美元，包括收購(gòu)Mentor)，以建立像PAVE360這樣的全方位仿真平臺(tái)，”Fritz聲稱。

汽車OEM可以開(kāi)發(fā)自己的AV SoC？

上個(gè)月，特斯拉推出了自己的自動(dòng)駕駛芯片，稱其為“全自動(dòng)駕駛”計(jì)算機(jī)。

當(dāng)被問(wèn)及其他汽車OEM是否也在設(shè)計(jì)他們自己的自動(dòng)駕駛芯片時(shí)，F(xiàn)ritz肯定“特斯拉并不是唯一一個(gè)。”他指出，“當(dāng)消費(fèi)者認(rèn)為，未來(lái)的汽車價(jià)值都體現(xiàn)在AI、算法、軟件和芯片中時(shí)，汽車OEM們沒(méi)有理由不想自己把握未來(lái)?！?/p>

McGregor證實(shí)，許多汽車OEM正在考慮“定制芯片設(shè)計(jì)”。但他補(bǔ)充道，“并非所有人都計(jì)劃與特斯拉走同一條路，即自己招募一個(gè)SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。許多公司選擇與現(xiàn)有的半導(dǎo)體供應(yīng)商和/或設(shè)計(jì)公司合作。”

他說(shuō)，“但這并不意味著一定會(huì)找英偉達(dá)、恩智浦(NXP)、瑞薩(Renesas)、英特爾(Intel)或其他知名公司合作，就像智能手機(jī)、游戲機(jī)和云服務(wù)提供商一樣，汽車OEM正在考慮根據(jù)其應(yīng)用和工作負(fù)載量身定制芯片解決方案?！?/p>

Magney也對(duì)此表示贊同?！氨M管許多人發(fā)現(xiàn)加速計(jì)算解決方案具有優(yōu)異的性能，但很多開(kāi)發(fā)人員正試圖通過(guò)將他們的算法，與處理器緊密結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)指令集的優(yōu)化?！比欢琈agney提醒道，“這對(duì)很多人來(lái)說(shuō)可能不太實(shí)際。除非你真有些與眾不同的東西，否則沒(méi)有必要浪費(fèi)時(shí)間做無(wú)用功?！?/p>

對(duì)于汽車OEM來(lái)說(shuō)，PAVE360可能是非常有效的。例如當(dāng)他們決定將其最滿意的ECU與新的ADAS SoC結(jié)合用于制動(dòng)控制時(shí)，使用開(kāi)放式接口，OEM可以將該ECU插入PAVE360并模擬ADAS SoC在車輛中的性能。

如何驗(yàn)證AI？

西門子稱，PAVE360“能夠?qū)λ凶詣?dòng)駕駛系統(tǒng)核心的傳感/決策/執(zhí)行范例進(jìn)行全面的閉環(huán)驗(yàn)證?！痹撛瓌t同時(shí)適用于確定性(基于規(guī)則)和非確定性(基于AI)方法的驗(yàn)證。

但是，當(dāng)設(shè)計(jì)師甚至不知道部署在汽車中的AI算法如何決策采取某種行動(dòng)時(shí)，他們?nèi)绾悟?yàn)證這是一個(gè)正確的選擇呢？

Fritz解釋說(shuō)，自動(dòng)駕駛芯片的輸入不應(yīng)該是1和0這樣的“信號(hào)”，而應(yīng)該是“場(chǎng)景” ——道路輪廓、天氣條件和地理環(huán)境中的其他因素。至于結(jié)果，“你只能在整車背景下驗(yàn)證AI的決策?！彼赋?。