汽车芯片迈入3.0时代

2020年05月29日 17:05 稿源:高工智能汽车

对于当下的汽车制造商来说,最大的挑战是面对新技术、新供应商以及新的整车电子架构驱动的研发体系变革。

这意味着,他们不仅要适应和开发新技术,还要在行业向自主、互联、电动和共享“新四化”变革过程中重新评估商业模式。

这其中三个主要驱动因素之一,就是汽车正在成为计算和操作系统的智能化平台,核心是芯片,软件是关键。

然而,未来的汽车仍然需要安全、舒适、高效的使用和按照最高质量标准制造。 这也是为什么从传统汽车芯片的1.0时代追求安全、高效,到进入2.0时代追求AI+算力,一方面解决了一部分芯片性能的瓶颈(深度学习算法验证),但仍然存在不小的车规级量产争议。


芯驰科技CEO仇雨菁


“传统半导体通常采用3个维度来评价:Performance(性能),Power(功耗),Price(价格),而对于车规芯片来讲,还有三个维度是安全性、可靠性和长效性。”芯驰科技CEO仇雨菁表示。

作为一家拥有全球车规级芯片量产设计经验的整建制团队,芯驰科技希望打造高可靠、高性能车规处理器,成为最受信赖的汽车半导体公司。

“所有再美好的想法,最后还是要靠硬件来实现的,再优秀的软件、算法,最后还是要靠芯片来实现,所以芯片才是根本。”仇雨菁表示。

实际上,这背后是传统汽车芯片行业从业者正在寻求一种新的平衡,以应对市场的真实需求和克服规模化量产落地的瓶颈。

以芯驰科技的团队组成为例,既有来自于传统半导体行业的核心团队,他们有上亿的出货量的量产经验,同时也有来自于消费电子和互联网的软件和系统团队,能够把快速迭代、在线升级的开发模式和芯片相结合。

这意味着,汽车芯片3.0时代的争夺战,更强调综合实力,而非单项冠军。


一、三条产品线并齐 事实上,随着智能化和网联化的同步推进,汽车半导体的需求也出现了两条不同的产品线,一是应对智能驾驶和数字座舱的高算力需求;二是应对整车电子架构内外部的高效、安全的网络通讯及OTA需求。 实际上,两者缺一不可。

5月28日,芯驰科技正式对外发布9系列X9、V9、G9三大汽车芯片产品(基于16nm工艺,考虑供应链安全和工艺制程的成熟度),提供了针对汽车的协同一体化解决方案,覆盖了智能座舱、智能驾驶、中央网关三大核心应用。

三大产品线芯片,均是域控级别的大型SOC芯片,单颗芯片可以替代多个传统ECU,可以支持QNX、 Linux、Android等多种车载OS,也可支持AutoSAR,满足客户对产品进行灵活适配的需求,适应未来智能汽车发展的需求。

其中,X9系列芯片用来支持未来智能座舱:在传统汽车座舱里,人和车的沟通只能通过按键和基础的触控屏等进行;而一颗X9芯片可以同时支持多块高清屏幕,具备语音交互、手势识别,驾驶员状态监控等功能,可以让人在车内感受到多元化的交互体验;

V9系列芯片是自动驾驶的核心大脑:作为域控制器核心,V9内置高性能视觉引擎,支持多达18个摄像头输入,不仅能满足ADAS应用需求,还能给未来更高级别的自动驾驶和无人驾驶留有充足的扩展空间;

G9系列芯片是未来汽车的智慧信息枢纽;X9智能座舱、V9智能驾驶,以及其它功能模块和域控制器,原本相互独立、各自为政,G9在其中起到了交互连接的作用,让各个功能模块在车内互联互通,形成未来汽车的智慧神经网络。同时,G9还可连接外部网络,支持OTA在线升级,自动驾驶在线开启等功能; 按照芯驰科技的说法,三个系列产品的设计也是对未来汽车的思考,也是针对未来汽车里面最重要的三个域进行设计的域控制器。


二、如何想客户之所想 从某种意义上来说,实现了软件定义汽车,系统将对软件更加友好,但是实际上对于芯片提出了新的要求和挑战。

单个芯片的操作系统可能是原来的3—5倍,应用软件可能是原来的50—100倍,所以这个要求芯片有更加强大的算力,灵活的架构和未来可以扩展的结构。

这得益于芯驰科技为X9、V9和G9每个产品线都提供了不止一款处理器,在同一产品线,做到硬件pin-to-pin兼容和软件兼容,客户只需要一次设计即可覆盖高中低端车型,节省硬件成本,缩短开发时间。

与此同时,芯驰科技还针对虚拟化进行了深度的优化,客户可以在同一个处理器上运行多个操作系统,并且在多个操作系统之间实现资源的灵活分配,满足不同应用场景需求。 同时,考虑到目前汽车芯片市场现有量产产品大多数只是在某个领域或者成本价格区间占据优势不同,芯驰科技考虑了不同产品、不同应用、不同车型的差异化需求,在每个产品线上都提供了不止一款处理器。

这意味着,任何一家汽车制造商未来不需要在某款车型的高中低配上选择不同的供应商芯片,从而减少前期的开发成本和重复耗费资源。

以芯驰科技的X9处理器产品线为例,其中包含了四个产品,Eco、Mid、High和Pro,分别用于经济型双屏、中端三屏、高端四屏和旗舰八屏座舱系统,在每个产品中都包含了不同数目的CPU内核,GPU内核,支持显示屏的数目也不相同。

在Eco、Mid、High三个产品上做到了Pin-to-pin的兼容,同时在整个系列中做到了软件兼容,客户只要进行一次设计,就可以方便支持各个不同车型的设计,既节省了硬件成本也缩短了开发时间。

芯驰科技的处理器灵活配置还体现在另外一个方面,就是通过硬件虚拟化的支持,在一个处理器上运行多个操作系统,在多个操作系统之间可以实现资源灵活的分配。

例如,在X9H上面,为运行中控导航和副驾娱乐的安卓系统可以分配四个CPU物理内核和两个GPU内核,而在仪表和空调面板两个系统上则采用虚拟化的方式共享两个CPU的内核和一个GPU的内核。

根据显示屏大小不同应用程序的复杂程序不同,CPU、GPU的资源可以灵活的配置,而从而实现在硬件不做任何改动的情况下,根据软件的需求进行资源的分配。 实际上,这种策略即区别于传统汽车半导体和AI芯片的单一优点,比如前者更多强调循规蹈矩、后者更强调灵活、包容;又融合了两者的优势,并做出了适当的平衡。 换句话说,站在客户的需求角度去思考产品线的设计和定义,同时又在当下的汽车降本的大环境下,帮助客户达到成本最优化。


三、算力之争,尚无定论 算力,是当下汽车芯片的主要卖点。AI芯片的推出,在算力上的绝对领先优势,让很多传统汽车半导体厂商备受压力。 汽车芯片有传统的汽车芯片厂家,他们优势有过去很多的经验,另一方面他们有包袱,也有很多新的玩家,他们从消费类进入的,他们会强调算力,会更加有活力。

在仇雨菁看来,未来汽车芯片肯定是二者要结合,首先需要安全和可靠,同时要支持未来软件定义汽车的概念,算力要求可扩展,对硬件进行灵活配置,要能够满足未来迭代可更新的需求。 然而,尽管汽车行业尤其是自动驾驶公司对算力是很高的要求,但是不是真的需要那么高的算力? 仇雨菁表示,现在自动驾驶很多的算法还都没有固化,在现在这个阶段有最适合汽车这样一个产品,并不是算力越高越好。比如,追求高算力意味着功耗也上去了,未来还会有其他新的问题出现。

芯驰科技的解决方案是,做出最适合汽车这样的产品,未来也可以扩展。 “你没有办法去说服主机厂和Tier1,20Tops够不够用还是200Tops够不够用。”在下游对算力需求不太明确的背景下,芯驰科技选择通过内置的GPU和AI引擎提供基础算力,也可以支持通过PCIe去扩展算力。

在芯驰科技看来,虽然GPU和CPU可以实现几乎所有的运算功能,但是在某个应用上并不总是最为合适的解决方案,所以芯驰的SOC平台针对几个常见的车载应用场景,采用专门的加速引擎进行了优化。 比如,搭载的CV Engine可以实现高性能的图像处理。以传统环视为例,启动速度在座舱设计一直是一个难点,基于CV Engine,可以在720P高清环视的系统中做到1.8秒的快速启动。

此外,芯驰的SlimAI Engine则对轻量级的AI运算优化,可以支持安卓系统的AI加速。特点在于低功耗,在180毫瓦的功耗下可以实现每秒4000亿次的AI运算。 芯驰Voice Engine则可以独立于主CPU运行,在无需占用CPU资源情况下实现语音唤醒功能。 而芯驰Packet Engine,则是专门为高性能的网关设计,实现以太网、CANFD、LIN接口之间的低延迟数据转换。

在G9处理器上有20路CANFD,16路LIN和两路千兆以太网,可以做到在CPU占用率仅仅只有10%的情况下,通过包引擎实现所有接口之间的数据转换。从一个CAN接口到另外一个CAN接口仅仅有20毫秒的转发延迟。


四、汽车芯片的两个安全屏障 除了性能、成本,安全可靠也是未来汽车芯片的核心。

对于智能网联汽车来说,无论是智能驾驶还是座舱人机交互都依赖于不受硬件故障、黑客攻击和其他内外部干扰,所需的网络安全防范也必须从供应链的一开始就嵌入芯片和系统中。

2015年的吉普切诺基被远程攻击控制事件是一个经常被提及的汽车安全里程碑标志,随着汽车上的系统相互连接,以及与汽车外部的其他系统连接,在设计过程中需要更早地考虑安全问题。 同时,需要保护的不是单个软件,而是整个软件堆栈。需要监控车辆内外的数据流,而不是仅仅添加一个加密的IP块。同时,真正的最后一道安全屏障则是必须包括所有芯片、ECU在内的硬件级安全。 尽管对于未来整车电子架构的形态,还有很多变化的因素。但关键是如何保护芯片。

“对于架构的争论,在多大程度上是独立的,还是连接的都需要优先保证芯片级的安全。" 可靠性和安全性一直是汽车制造商最关心的问题,但在成熟的工艺节点上生产的芯片通常更简单,因此也更容易保护。

而过去基于新工艺和新架构的芯片,往往一开始并不是为可靠性而设计的。“它们是为表演而生,但在汽车行业,最需要担心仍然是可靠性,尤其是网络安全风险不断加大的当下。”一位行业人士表示。 在这一点上,芯驰科技坚持4S理念(Safe、Secure、Scalable、Smart)进行9系列芯片的整体架构设计。其中,Safe、Secure就是实现车规级量产最重要的两大安全要素:功能安全和信息安全。

在9系列芯片上,芯驰科技配置了独立安全岛,包含双核锁步安全处理器,并且采用了数据纠错保护等多种安全机制,覆盖整个SOC,在芯片核心安全模块上,甚至达到了99%的诊断覆盖率; 同时,芯驰科技还在芯片上集成了硬件安全模块,实现芯片级的数据保护,按照国密要求进行设计,支持国密SM2, SM3,SM4和SM9算法,满足国内安全标准的需求。

汽车并不一定比其他系统更脆弱。但与任何安全关键系统一样,外部攻击造成的损害是巨大的。

此外,未来自动驾驶的核心逻辑是一个高性能的服务器,这将需要模式识别和确保汽车能够足够快地执行决策,以避免事故。 这意味着,必须在车辆内部(芯片、ECU以及系统架构级)解决这些问题,而不是完全依赖于被动的安全措施,比如传统的云监控。 比如,ISO/SAE联合工作组预计将于今年发布的第一版ISO/SAE AWI 21434,目的就是将网络安全适当地纳入汽车核心硬件设计,整车开发生命周期的所有阶段。


五、量产上市,最后一道关 当所有和汽车芯片相关的要素都具备的情况下,能否如期量产上市就是最后一道关。

目前,芯驰科技已经与多家OEM和Tier1进行战略合作,今年下半年实现小批量测试,明年预计将有量产新车搭载上市。 除此之外,为了帮助客户更快实现量产,芯驰科技还建立了生态合作伙伴计划。

目前,已经有69家合作伙伴,基于芯驰科技的芯片提供从操作系统、算法到应用端的一体化解决方案,进一步帮助客户实现快速上市和迭代。 “我们希望可以通过国际化的产品和领先的技术,帮助国家实现智能化战略,在芯片产品和技术上贡献自己的力量,这个定位自始至终没有变化。”芯驰科技董事长张强表示。

此前,芯驰科技已经完成了ISO9000的相关认证,是中国为数不多通过ISO 26262功能安全管理体系认证的半导体设计企业,也是中国第一家获得TÜV莱茵颁发的ISO 26262:2018版功能安全管理体系证书的企业。

实际上,作为一家新入局的汽车半导体公司来说,缩短客户的开发周期,降低全生命周期成本,实现快速上市和迭代,才是恒古不变的核心竞争力。