E/E架構(gòu)持續(xù)演進，汽車計算SoC設(shè)計的“變與不變”

2023年11月17日，中國自動駕駛汽車發(fā)展迎來重磅文件：《關(guān)于開展智能網(wǎng)聯(lián)汽車準(zhǔn)入和上路通行試點工作的通知》，這份文件正式對L3/L4級自動駕駛的準(zhǔn)入規(guī)范進行了具體要求，并完善了相關(guān)規(guī)則。近一段時間以來，中國市場L3級自動駕駛汽車發(fā)展捷報頻傳。

自動駕駛是智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的代表性成果之一，此外還包括智能座艙、車聯(lián)網(wǎng)等。綜合而言，智能網(wǎng)聯(lián)汽車是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。

當(dāng)前，各品牌智能網(wǎng)聯(lián)汽車都有一個相同的宣傳口號：常用常新。原因在于，軟件定義汽車（Software Defined Vehicles，SDV）成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的主要策略，推動了汽車電子電氣（E/E）架構(gòu)的持續(xù)演進，硬件需要留出充足的冗余空間為軟件后續(xù)升級做準(zhǔn)備，這給車載計算SoC設(shè)計帶來了全新的挑戰(zhàn)。

汽車E/E架構(gòu)逐步走向中央集成

過去很多年，汽車的賣點主要集中在硬件上，尤其是“三大件”：發(fā)動機、底盤、變速箱。隨后在2007年，德爾福(Delphi)首次提出E/E架構(gòu)的概念，不過關(guān)于汽車E/E架構(gòu)演進，業(yè)界普遍討論的是博世公司此前提出的汽車E/E架構(gòu)漸進式演進路線，主要分為六個階段：模塊化、集成化、域集成、域融合、中央集成和車-云計算，又可以匯總為分布式E/E架構(gòu)、域集成式E/E架構(gòu)和中央集成E/E架構(gòu)。

博世提出的漸進式E/E架構(gòu)（圖源：博世）

E/E架構(gòu)具體是指在車規(guī)級和法規(guī)的約束條件下，將傳感器、中央處理器、電子電氣分配系統(tǒng)、軟件通過技術(shù)手段整合在一起。2007年后E/E架構(gòu)曾長期停留在分布式階段，主要以累加ECU和傳感器為手段來進行功能升級，不僅各個ECU之間協(xié)同性差，且隨著ECU數(shù)量的大幅增加，汽車線束在成本和重量方面都給造車帶來了困擾。另外，不同系統(tǒng)的ECU來自不同的供應(yīng)商，運行著不同的軟件，讓前期汽車開發(fā)和后期汽車維修的效率大大降低。

近幾年，汽車E/E架構(gòu)在域控制器和域融合方面取得了積極的進展，集成度越來越高，并且無論是特斯拉、大眾等老牌車企，還是小鵬、理想等中國造車新勢力，都已經(jīng)提出了中央計算+區(qū)域控制的硬件架構(gòu)，將汽車E/E架構(gòu)的發(fā)展帶到中央集成階段。在此過程中，車載計算SoC性能迅猛提升，能夠運載的軟件越來越智能，產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸明確為軟件定義汽車。

特斯拉Model 3采用的架構(gòu)便是中央集成式E/E架構(gòu)的典型代表，由中央計算模塊和區(qū)域控制器組成。特斯拉在中央計算模塊里已經(jīng)實現(xiàn)Autopilot（自動駕駛）、IVI（信息娛樂系統(tǒng)）和T-BOX（遠程信息處理器）的三合一，并通過引入LBCM、FBCM和RBCM區(qū)域控制器理念完成對ECU的整合，拋棄了功能域的設(shè)計理念。

特斯拉采用的E/E架構(gòu)（圖源：特斯拉）

綜合而言，特斯拉Model 3采用的E/E架構(gòu)，小鵬汽車搭載的X-EEA 3.0架構(gòu)，極氪汽車搭載的ZEEKR 3.0架構(gòu)，以及長城汽車搭載的GEEP 5.0架構(gòu)等都被認(rèn)為是Zonal EEA Evolution架構(gòu)形態(tài)，屬于中央集成E/E架構(gòu)。

Zonal EEA Evolution架構(gòu)形態(tài)（圖源：聯(lián)合電子）

中央集成E/E架構(gòu)帶來了諸多好處，比如：

能夠承載更強大的軟件且軟件執(zhí)行的效率顯著提升；

顯著降低了汽車ECU個數(shù)和BOM成本；

降低了智能汽車架構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性以減少線束；

供應(yīng)鏈管理更加高效；

......

計算SoC的設(shè)計難度指數(shù)級上升

中央集成E/E架構(gòu)設(shè)計讓智能網(wǎng)聯(lián)汽車實現(xiàn)了軟硬件解耦，也實現(xiàn)了軟件功能的分層解耦。不過，實現(xiàn)這些都有一個前提，即計算SoC作為中央計算模塊的核心需要足夠強大。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展帶動了計算SoC的發(fā)展，形成規(guī)模很大的市場藍海。以全球規(guī)模最大、智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展最充分的中國市場為例，根據(jù)億歐智庫的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年中國車載計算SoC市場規(guī)模為15.1億美元，預(yù)計2025年市場規(guī)模將迅速增長至89.8億美元。在軟件定義汽車的帶動下，車載計算SoC不僅市場規(guī)模在增長，設(shè)計方式和特性也在發(fā)生著日新月異的變化，尤其是在高性能計算、軟硬件協(xié)同、安全防護和網(wǎng)絡(luò)連接方面。

首先，異構(gòu)集成的計算SoC需要根據(jù)集成到SoC上的功能進行清晰的功能區(qū)部署和劃分，并合理分配算力和存儲等資源。為了能夠全面支持軟件定義汽車的理念，并為后續(xù)OTA留出充足的空間，SoC內(nèi)部往往需要數(shù)顆甚至十?dāng)?shù)顆高性能處理器內(nèi)核，便于前期的軟件部署和后期的功能迭代。如下圖所示，支持的汽車功能越強大，芯片架構(gòu)的復(fù)雜度越高。

第二點，軟硬件協(xié)同設(shè)計對于汽車計算SoC設(shè)計而言越來越重要。高性能計算SoC不該是硬件資源簡單的堆疊，而是有著明確的規(guī)劃性，以實現(xiàn)在算力和存儲等資源方面的池化和共享，這能夠顯著提升計算SoC開發(fā)的效率并降低系統(tǒng)成本。一款出色的計算SoC在芯片算力、存儲容量、接口形式、機械結(jié)構(gòu)等方面要形成一個穩(wěn)定可擴展的系統(tǒng)，以滿足不同品牌和不同車型帶來的差異化需求。

第三點，計算SoC對智能網(wǎng)聯(lián)汽車數(shù)據(jù)安全保護的任務(wù)越來越艱巨。安全風(fēng)險來自很多方面，比如汽車智能化水平提升，數(shù)據(jù)資源也隨之集中，安全攻擊的目標(biāo)更加明確；汽車數(shù)據(jù)涉及眾多敏感信息，像車輛GPS定位、車主個人信息等，這些信息來自不同的輸入端口；另外，安全風(fēng)險分為已知和未知，有時候在汽車生產(chǎn)日歷的約束范圍內(nèi)很難完全驗證。

第四點，計算SoC如何在中央集成E/E架構(gòu)中串聯(lián)整車通信的挑戰(zhàn)越來越大。當(dāng)前車內(nèi)以CAN為主要的通信手段，數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)了明顯的瓶頸，CAN向CAN FD的升級已經(jīng)是大勢所趨。此外，由于雷達、激光雷達、超聲波和相機傳感器等傳感器數(shù)據(jù)需要以最低延遲進行處理，雷達和激光雷達的數(shù)據(jù)大都借助高帶寬的以太網(wǎng)進行傳輸，攝像頭的成像數(shù)據(jù)的傳輸目前仍采用MIPI C/D PHY的相關(guān)技術(shù)，在未來幾年則有望通過專門的MIPI A-PHY解決方案來進一步降低成本。

當(dāng)然，即便設(shè)計挑戰(zhàn)重重，但計算SoC的設(shè)計也有不變的法則——滿足各種級別的車規(guī)級認(rèn)證要求。比如，遵守ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)對于確保安全關(guān)鍵型汽車系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。

如何高效應(yīng)對汽車計算SoC設(shè)計的“變與不變”

在域融合和中央集成E/E架構(gòu)里，計算SoC是打造智能網(wǎng)聯(lián)汽車的核心組件。計算SoC身份地位也在發(fā)生轉(zhuǎn)變，在域控階段，計算SoC是駕駛、動力或座艙某一環(huán)節(jié)的“大腦”，現(xiàn)在它需要能夠控制更多的域或者整車，因而設(shè)計的挑戰(zhàn)必然也更大。

如下圖所示，這是ADAS（先進駕駛輔助系統(tǒng)）和IVI融合的計算SoC，能夠?qū)DAS和IVI集成在一個域控制器中，從而顯著提升當(dāng)前L2級自動駕駛車輛的性價比。如下圖左側(cè)所示，該芯片的復(fù)雜度是顯而易見的，包含了64位RISC-V處理器、NPU、DSP加速器，獨立的ISO 26262功能安全管理器和獨立的安全子系統(tǒng)，以及大量的存儲和傳輸接口等。隨著各車企逐步采用中央集成式E/E架構(gòu)，以及L3級自動駕駛落地，計算SoC的設(shè)計會更加復(fù)雜。

ADAS和IVI融合的計算SoC（圖源：新思科技）

為了幫助開發(fā)人員設(shè)計出滿足下一代集中式E/E架構(gòu)的計算SoC，作為半導(dǎo)體、人工智能、汽車電子及軟件安全等產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)提供商與驅(qū)動者，新思科技為開發(fā)人員提供性能領(lǐng)先的64位RISC-V處理器IP和豐富的接口IP，如PCI Express、LPDDR、MIPI和以太網(wǎng)，這些IP經(jīng)過嚴(yán)格測試和驗證，符合ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)，并支持TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）功能。

下圖是新思科技面向ADAS應(yīng)用推出的一系列IP方案，包括處理器IP、接口IP和安全管理器等，滿足ADAS功能實現(xiàn)的各項要求。比如，新思科技ARC EV處理器是完全可編程和可配置的IP內(nèi)核，針對嵌入式視覺應(yīng)用程序進行了優(yōu)化，內(nèi)部集成的DNN（深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）加速器可以高效運行CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）或RNN（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），能夠快速識別激光雷達的3D成像；新思科技MIPI IP解決方案包括經(jīng)過硅驗證的PHY和控制器、驗證IP、IP原型套件和接口IP子系統(tǒng)，可用于實現(xiàn)SoC、應(yīng)用程序處理器、基帶處理器和外圍設(shè)備的連接，打造出行業(yè)領(lǐng)先的攝像頭和顯示方案。

新思科技應(yīng)用于ADAS功能的IP組合（圖源：新思科技）

下圖是新思科技面向車聯(lián)網(wǎng)和IVI應(yīng)用提供的IP組合，包括處理器IP、接口IP和安全管理器等，可用于實現(xiàn)實時多媒體網(wǎng)絡(luò)，為28nm和16/14nm FinFET工藝的車聯(lián)網(wǎng)和IVI SoC開發(fā)賦能。該組合中的USB4 IP包含控制器、路由器、PHY和驗證IP，可以提供滿足USB4標(biāo)準(zhǔn)的各項功能，如Type-C連接和支持DisplayPort 1.4a TX、PCIe和Thunderbolt 3；該組合中的HDMI控制器和PHY符合最新的HDMI 2.1規(guī)范，能夠帶來更好的視頻和音頻體驗。

新思科技應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)和IVI功能的IP組合（圖源：新思科技）

下圖是新思科技面向汽車網(wǎng)關(guān)應(yīng)用推出的解決方案，包括高達10G支持TSN的以太網(wǎng)IP和具有實時數(shù)據(jù)管理的ASIL D安全等級的ARC處理器等。其中，以太網(wǎng)QoS控制器IP經(jīng)過了ASIL B Ready ISO 26262認(rèn)證，配有汽車安全包。

新思科技應(yīng)用于網(wǎng)關(guān)功能的IP組合（圖源：新思科技）

值得注意的是，新思科技面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用的IP不僅應(yīng)用于ADAS、車聯(lián)網(wǎng)、IVI和汽車網(wǎng)關(guān)等獨立域控制器或模塊，也能夠幫助開發(fā)人員實現(xiàn)域融合，以及更進一步的中央集成。比如行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在積極打造基于3nm先進工藝的ADAS/IVI融合的計算SoC，新思科技是實現(xiàn)這項成果的主要參與者和賦能者。借助新思科技ASIL B和D兼容的IP組合，開發(fā)人員可以從容面對汽車E/E架構(gòu)演進過程中隨之而來的各種計算SoC設(shè)計挑戰(zhàn)。

結(jié)語

從分布式E/E架構(gòu)到域集成、域融合E/E架構(gòu)，再到中央集成E/E架構(gòu)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展需要各種車載資源逐漸實現(xiàn)集中化，最終連接至云端。這種集中但分層明確的架構(gòu)，讓汽車軟硬件實現(xiàn)解耦，正真做到了軟件定義汽車。

無論是何種形態(tài)的E/E架構(gòu)，計算SoC都是系統(tǒng)的核心所在，資源集中只是讓它變得越來越強大，設(shè)計工作越來越復(fù)雜，當(dāng)然車規(guī)級驗證這個門檻進一步提升了設(shè)計風(fēng)險。面向智能網(wǎng)聯(lián)汽車計算SoC設(shè)計，新思科技提供各種經(jīng)過驗證的IP，能夠?qū)崿F(xiàn)特定的功能域或功能模塊，也可以深度融合實現(xiàn)中央計算SoC，幫助研發(fā)人員以最小的設(shè)計風(fēng)險設(shè)計出高性能、高性價比、高安全性和低功耗的車規(guī)級異構(gòu)計算SoC。