你的位置:首頁 > 互連技術(shù) > 正文

基于GPU器件行為的創(chuàng)新分布式功能安全機制為智能駕駛保駕護航

發(fā)布時間:2024-10-12 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】隨著汽車智能化程度的快速提高,大量新的處理器和系統(tǒng)級芯片(SoC)被廣泛引入到車輛中,無論是在駕駛還是座艙等場景,無論采用域控制器模式還是新興的中央控制單元模式,都無一例外地在考慮加入更加智能化的新功能。但是隨之而來的是這些控制單元中的相關(guān)芯片的系統(tǒng)級故障或意外行為可能引起的危險,因此需要發(fā)現(xiàn)這些故障或可能的意外并提供相應(yīng)的保護措施,這個過程就是為汽車芯片建立和提供功能安全(Functional Safety,亦簡稱FuSa)解決方案。


隨著汽車智能化程度的快速提高,大量新的處理器和系統(tǒng)級芯片(SoC)被廣泛引入到車輛中,無論是在駕駛還是座艙等場景,無論采用域控制器模式還是新興的中央控制單元模式,都無一例外地在考慮加入更加智能化的新功能。但是隨之而來的是這些控制單元中的相關(guān)芯片的系統(tǒng)級故障或意外行為可能引起的危險,因此需要發(fā)現(xiàn)這些故障或可能的意外并提供相應(yīng)的保護措施,這個過程就是為汽車芯片建立和提供功能安全(Functional Safety,亦簡稱FuSa)解決方案。


具體到一款微控制器(MCU)、中央處理器(CPU)或者圖形處理器(GPU)或以它們?yōu)楹诵牡腟oC或者專用集成電路(ASIC)上,功能安全就是要確保芯片功能按照設(shè)計的要求去運行,因為如果一輛汽車不能按照你設(shè)計的功能去執(zhí)行,那汽車的諸如目標(biāo)和指示牌識別、剎車或者其他自動加速功能可能就會失效,這個時候就很危險并為駕駛員、乘客、路人、車輛和其他財物等帶來了威脅。所以功能安全很重要,但也需要付出一定的成本,比如額外的芯片面積,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,進行安全認證等。


基于GPU器件行為的創(chuàng)新分布式功能安全機制為智能駕駛保駕護航

圖一、Imagination DXS汽車GPU在提供領(lǐng)先的圖形處理能力和AI算力的同時,還打造了創(chuàng)新的分布式功能安全機制,為相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新提供了一種全新的模式和思路


在實際工作中,汽車芯片功能安全覆蓋了一顆芯片的規(guī)格制定、策略與方法選擇、芯片研發(fā)、機制驗證、芯片生產(chǎn)、下游系統(tǒng)設(shè)計和運行等產(chǎn)品定義及實現(xiàn),以及生命周期內(nèi)的所有活動及管理過程,同時還需要通過ISO26262等功能安全測試。這一切給汽車芯片設(shè)計制造企業(yè)及車廠和一級供應(yīng)商等環(huán)節(jié)帶來了更高的成本和更多的工作量,使許多車廠最終選擇了忽略或者降低功能安全要求的行為,這在先進駕駛員輔助(ADAS)和自動駕駛(AD)越來越普及的今天帶來了更多不安全因素,因此汽車芯片在功能安全領(lǐng)域內(nèi)迫切需要能夠降低成本和工作量的創(chuàng)新。


現(xiàn)有的汽車功能安全策略和實施方法


目前市場上主要的功能安全解決方案有兩種:應(yīng)用最廣泛的一種被稱為“鎖步(lockstep)”解決方案,這是一種比較簡單粗暴的方法,在汽車CPU中被廣泛使用。該方法就是用兩個處理器內(nèi)核等同樣的邏輯來執(zhí)行一個程序以實現(xiàn)同樣的一個功能,由它們同時執(zhí)行并在執(zhí)行完之后來比較這個結(jié)果,看看這兩個結(jié)果是否一致。在受到高溫或者高濕影響時,如果這兩個內(nèi)核得到的兩個結(jié)果是一致的話,那證明這兩塊邏輯是運行正確的,有關(guān)計算和控制還能正確地執(zhí)行。


基于GPU器件行為的創(chuàng)新分布式功能安全機制為智能駕駛保駕護航

圖二、鎖步架構(gòu)原理圖(圖片來源:《車規(guī)芯片——雙核鎖步介紹》)


但這種方案帶來的代價是什么?代價就是兩套相同的計算和處理單元要消耗多一倍的芯片面積,或者就是面向同樣處理功能的汽車芯片的面積要比傳統(tǒng)的手機芯片的面積要大一倍。這種成本大幅提升對于大部分的客戶是沒法接受的,因為對于芯片開發(fā)商來說,一款芯片最重要的成本來自于其片芯的面積(die size)。如果為實現(xiàn)一個新的功能,最終需要增加一倍的片芯面積就意味著在一張8英寸或者12英寸上能夠切出來的芯片數(shù)量減少了超過一半。


第二種實現(xiàn)功能安全的辦法就是去把同一項工作執(zhí)行兩次,如GPU渲染兩次或者CPU計算兩次,再看一下這兩次數(shù)據(jù)處理運算的結(jié)果是否一致。如果兩次運算的結(jié)果不同就會發(fā)現(xiàn)錯誤,因為汽車的使用環(huán)境非常復(fù)雜,芯片里面有些錯誤是隨機錯誤,有些錯誤是長期錯誤。對于隨機錯誤,通過重復(fù)執(zhí)行兩次比較一下結(jié)果,如果是不一樣就上報情況以確認這個功能有問題。這種重復(fù)執(zhí)行的方法就可以避免一些隨機錯誤。這樣的方法帶來的結(jié)果是什么?因為重復(fù)工作所得到的性能就會減到原來的一半,所以這也可能是用戶沒法接受的方案。


基于GPU器件行為的創(chuàng)新分布式功能安全機制為智能駕駛保駕護航

圖三、主從式處理器驗證方式(圖片來源:《車規(guī)級處理器中的LockStep技術(shù)》)


基于GPU器件行為的創(chuàng)新分布式功能安全機制為智能駕駛保駕護航

圖四、內(nèi)部驗證方式(圖片來源:《車規(guī)級處理器中的LockStep技術(shù)》)


因此,無論是鎖步方案還是重復(fù)執(zhí)行方案給汽車廠商和芯片廠商都帶來了甚至是沒法接受的挑戰(zhàn),這也導(dǎo)致了功能安全在許多實際汽車應(yīng)用中很難得到全面的接收。最主要的原因為性價比,因為芯片面積增加一倍或者是性能降低為二分之一,對于廠商來說它的成本也就增加了一倍。這個增加一倍的成本,最后都要轉(zhuǎn)嫁到消費者頭上,在過去汽車智能化程度比較低的情況下,沒有太多客戶愿意為這個功能安全買單,所以沒有急迫性一直沒有得到全面的應(yīng)用。但汽車智能化這一趨勢正在迫使行業(yè)做出改變。


創(chuàng)新的分布式功能安全機制帶來全新的模式


不久前,全球領(lǐng)先的圖形處理器及相關(guān)硅知識產(chǎn)權(quán)(IP)提供商Imagination Technologies發(fā)布的一款新型汽車GPU就為功能安全領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新帶來了全新的思路。搭載該公司的GPU IP產(chǎn)品的設(shè)備的出貨量已經(jīng)超過了130億臺,同時在車載GPU行業(yè)已經(jīng)耕耘了超過20年,因此無論是該公司在GPU領(lǐng)域內(nèi)的成就,還是新一代汽車GPU產(chǎn)品的功能安全性能都值得關(guān)注。我們來研究分析其新發(fā)布的全新一代GPU產(chǎn)品Imagination DXS GPU在功能安全方面的創(chuàng)新。


基于GPU器件行為的創(chuàng)新分布式功能安全機制為智能駕駛保駕護航

圖五、Imagination DXS GPU的三大創(chuàng)新


DXS GPU是目前汽車應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)性能最高,同時具有完善功能安全的GPU,完美地匹配了今天汽車對于中央計算的要求。它首先是一個強大的圖形處理器,可以支持車內(nèi)所有的屏幕娛樂和交互能力。無論是位于駕駛艙前部的圖顯儀表盤和大屏幕,還是后面后座的娛樂顯示,DXS的硬件性能比前一代提升了50%。由于軟硬件上協(xié)同的投入,對于AI的這一塊的性能提升遠遠超過50%,它提供了遠高于CPU的計算性能,同時提供了遠遠高于NPU以及這類加速器SoC的編程靈活性。


除了性能之外,DXS GPU的最重要創(chuàng)新就是全新的功能安全解決方案:分布式功能安全機制(Distributed Functional Safety)。DXS GPU中創(chuàng)新的分布式安全機制幾乎完全消除了以前的其他功能安全方案實現(xiàn)安全機制帶來的性能以及片芯面積損失,大大降低了實現(xiàn)功能安全的代價,它僅僅額外消耗了大概10%的片芯面積,用10%的片芯面積帶來了100%性能。這是廣受芯片開發(fā)廠商所歡迎的創(chuàng)新,因為用非常小的代價實現(xiàn)了功能安全,解決了汽車芯片的一個非常重要的問題。


基于GPU器件行為的創(chuàng)新分布式功能安全機制為智能駕駛保駕護航

圖六、分布式功能安全機制與雙核鎖步和重復(fù)執(zhí)行兩種方案的對比


DXS GPU是怎么成功地解決這個問題的呢?Imagination作為一個傳統(tǒng)的GPU玩家,對GPU怎么運行非常清楚,所以利用了GPU的一些特性來非常靈活地實現(xiàn)了功能安全機制。首先一個特性是:作為一種并行處理器,GPU里面有一套并行計算的機制,GPU為了掩飾和隱藏延遲,在計算時采用了并行的很多線程或者重復(fù)單元。第二個特性就是當(dāng)一個線程拿不到它要執(zhí)行的資源時,它就會自動地被切換出去或者把它移出執(zhí)行,等到它有資源來到的時候再去執(zhí)行。


根據(jù)這兩個特性,在GPU的一個線程停工等待的時候,就在其中插入一些測試模板或者測試集;利用同樣的測試集,在另一個線程處于等待的時候,也插入同一個測試模板或樣例,然后執(zhí)行這兩個測試。在執(zhí)行完這兩個線程之后,對比結(jié)果就會知道這兩個線程執(zhí)行的結(jié)果是否一致,如果有不同就會上報結(jié)果提醒系統(tǒng)和用戶審核該功能是否安全;該機制也知道了一項功能具體在哪一個硬件上去執(zhí)行,就保證了這些執(zhí)行的硬件的功能安全。DXS GPU可以在相關(guān)等級上一直保證這些硬件的功能正確,沒有受到環(huán)境、濕度、溫度的影響。當(dāng)然,Imagination還為DXS GPU提供了其他的機制來保證邏輯模塊以及存儲模塊的功能正確。


目前,行業(yè)在汽車功能安全方面已經(jīng)建立了完善的標(biāo)準(zhǔn)、測試方法和分級標(biāo)定。在ISO26262標(biāo)準(zhǔn)中,根據(jù)嚴(yán)重度S、暴露概率E和可控性C三個因素,制定了汽車安全完整性等級(Automotive Safety Integration Level,ASIL)體系,分為A、B、C、D四個等級。作為常用的安全等級衡量標(biāo)準(zhǔn),ASIL A最低,ASIL D最高,等級越高意味著該產(chǎn)品失效后可能引起的安全風(fēng)險越大。Imagination DXS GPU可實現(xiàn)ASIL B等級的功能安全性。


基于GPU器件行為的創(chuàng)新分布式功能安全機制為智能駕駛保駕護航

圖七、Imagination DXS GPU實現(xiàn)ASIL B等級功能安全性


總結(jié)


隨著汽車新四化的不斷推進,汽車中的芯片數(shù)量將快速增加。除了關(guān)注這些芯片的算力和連接帶寬等性能之外,同樣重要的是打造和推出全新的功能安全解決方案。Imagination結(jié)合GPU這種處理器的架構(gòu)特點,利用GPU的計算模式來打造了創(chuàng)新的分布式功能安全機制,消除了以前的其他功能安全方案實現(xiàn)機制帶來的性能以及片芯面積損失,為電子行業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新提供了一種全新的模式和思路。


免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。


推薦閱讀:

IGBT 脈沖測量方法的優(yōu)點?正確選擇脈沖測量

分享一個低功耗設(shè)計思路,適合90%的視覺系統(tǒng)工程師

“深化德國技術(shù)精髓,深耕中國市場”——上海國際嵌入式展暨大會論文征集啟動

歐盟關(guān)于待機功耗的法規(guī)限制愈發(fā)嚴(yán)格:簡單的新型電源IC能否滿足需求?

貿(mào)澤電子發(fā)布全新電子書 深入探討電機控制設(shè)計上的挑戰(zhàn)

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉