汽車 GPU 算力新高度支持智駕芯片實(shí)現(xiàn)架構(gòu)創(chuàng)新

作者：翔煜 陳嬌 商瑞 北京華興萬邦管理咨詢有限公司

隨著汽車行業(yè)在“新四化”領(lǐng)域內(nèi)迅猛地進(jìn)步，汽車電子電氣架構(gòu)正在發(fā)生顯著的變化。智能化的深入促使汽車計(jì)算架構(gòu)逐步由傳統(tǒng)的以分域來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制的分布式架構(gòu)，轉(zhuǎn)向以強(qiáng)調(diào)高性能計(jì)算同時(shí)減少冗余硬件和系統(tǒng)復(fù)雜性，從而提高系統(tǒng)效率和可靠性的中央計(jì)算架構(gòu)。與此同時(shí)，一些新興的功能在新車中的滲透率也在不斷提升，例如在汽車座艙內(nèi)人機(jī)界面（HMI）領(lǐng)域，諸如車內(nèi)屏幕顯示交互及后排娛樂屏幕等，其年度增長(zhǎng)率大致維持在8%左右；而在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）方面，增長(zhǎng)率基本達(dá)到10%，部分研究機(jī)構(gòu)所報(bào)告的增長(zhǎng)率數(shù)據(jù)甚至更高。在此背景下，汽車對(duì)GPU算力的需求呈現(xiàn)出爆發(fā)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

汽車應(yīng)用需要更高GPU算力和硬件虛擬化

隨著先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和各種級(jí)別的自動(dòng)駕駛（AD）被廣泛引入到汽車應(yīng)用中，以及新一代汽車更加注重人車互動(dòng)和車與環(huán)境交互功能，汽車對(duì)車載計(jì)算單元的算力需求大幅提高。智能化汽車中的各種傳感器在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)生成大量數(shù)據(jù)，即使在較低級(jí)別的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，每小時(shí)也能生成 25GB 數(shù)據(jù)。面對(duì)如此龐大的數(shù)據(jù)量，市場(chǎng)需要能夠高效處理大量信息的硬件來完成計(jì)算任務(wù)。由于CPU采用流水線處理架構(gòu)，因此不能夠高效地完成集中處理這些數(shù)據(jù)的任務(wù)。

面對(duì)這些巨量的數(shù)據(jù)，行業(yè)的解決辦法是采用NPU和GPU 來執(zhí)行不同的并行計(jì)算，這是因?yàn)檫@兩類架構(gòu)都具有大規(guī)模并行處理單元。在某些情況下，相比于以前的GPU，NPU的運(yùn)算速度可能更高，但是因?yàn)镹PU是一種基于特定加速器的并行計(jì)算單元，因此面對(duì)新的應(yīng)用、功能和算法，其靈活性、適應(yīng)性和產(chǎn)品生命周期遠(yuǎn)不如GPU。因此，在目前ADAS和AD還不是每輛車的標(biāo)配，以及性能需求不斷演進(jìn)變化的情況下，市場(chǎng)上完全采用NPU架構(gòu)的智駕芯片和解決方案提供商很難盈利，這些智駕芯片廠商總是在不斷地開發(fā)新的硬件（特定加速器）和流片，同時(shí)也使主機(jī)廠和tier-1總是不斷花費(fèi)巨大的人力物力來適配他們的新芯片。

鑒于性能上的顯著差異， GPU已成為同時(shí)支持智能駕駛、開發(fā)新一代座艙和支持AI功能的不二之選。GPU具備眾多計(jì)算核心，不僅能夠同時(shí)執(zhí)行大量計(jì)算任務(wù)并展現(xiàn)出卓越的并行計(jì)算能力，而且還能夠通過軟件編程的方式，在一顆基于GPU汽車主控芯片上就能完成多樣化的圖形圖像數(shù)據(jù)處理、基于渲染的人車交互和人工智能推理等各種任務(wù)，因此比采用NPU架構(gòu)的智駕芯片具有更高的靈活性和可擴(kuò)展性。在實(shí)際的汽車應(yīng)用場(chǎng)景中，這種基于GPU的汽車主控芯片可以針對(duì)不同主機(jī)廠、不同車系和不同車型的需求定制自動(dòng)駕駛功能、信息娛樂系統(tǒng)和V2X方案，可以通過模組化軟件配置來大大降低主機(jī)廠及tier-1的開發(fā)難度和成本。

當(dāng)然，要完美地實(shí)現(xiàn)以上功能和利用GPU架構(gòu)的靈活性和適應(yīng)性來幫助整個(gè)智駕產(chǎn)業(yè)鏈條上的玩家降難度和減成本，就需要GPU一方面要具有足夠的算力，另一方面還要具有能夠?qū)崿F(xiàn)硬件完全隔離的虛擬化能力和可擴(kuò)展的多核心能力。除此以外，在日益普及的CPU+GPU+NPU架構(gòu)中，高算力的GPU還可以支持NPU（AI加速器）發(fā)揮人工智能的推理能力，確保車輛在行駛過程中能夠迅速做出決策，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和安全性，這種架構(gòu)中GPU的靈活性與AI加速器的高性能相得益彰，可共同推動(dòng)智能化汽車不斷邁向新的發(fā)展階段。

目前，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了能夠同時(shí)滿足上述三種要求的GPU IP產(chǎn)品，為新一代基于GPU或者GPU+NPU的智駕芯片的開發(fā)提供了大力支持。Imagination Technologies公司在不久前推出的DXS GPU是業(yè)內(nèi)首款可以同時(shí)提供高算力、硬件虛擬化、多核心、支持RISC-V架構(gòu)的 GPU IP產(chǎn)品，非常適合中國(guó)智駕芯片開發(fā)商從純粹的NPU架構(gòu)轉(zhuǎn)向開發(fā)基于GPU架構(gòu)的智駕芯片，除了其DXS GPU的高算力和多核能力，而且還可以提供獨(dú)一無二的HyperLane硬件虛擬化技術(shù)，幫助主機(jī)廠和tier-1用一顆主控芯片實(shí)現(xiàn)多樣化的功能及配置。

Imagination 是享譽(yù)全球的GPU IP提供商。1992年，該公司推出了創(chuàng)新的PowerVR GPU架構(gòu)，采用該架構(gòu)的GPU IP不僅在桌面應(yīng)用、移動(dòng)平臺(tái)、消費(fèi)電子和游戲設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛影響并持續(xù)至今，而且在汽車領(lǐng)域也被諸多領(lǐng)先的芯片企業(yè)采用，全球已有高達(dá)130億臺(tái)電子設(shè)備和汽車采用了該公司的GPU IP。Imagination 在車載領(lǐng)域擁有超過二十年的技術(shù)積累，其GPU IP被用在駕駛、座艙與信息娛樂系統(tǒng)等領(lǐng)域的芯片中；作為汽車GPU IP的領(lǐng)先供應(yīng)商，具有領(lǐng)先同儕的市場(chǎng)占有率。其DXS GPU的問世，不僅滿足了現(xiàn)代汽車對(duì)中央處理單元的高性能需求，還通過創(chuàng)新的分布式安全機(jī)制，解決了功能安全與性能、芯片尺寸之間的沖突，為汽車智能化進(jìn)程注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。

Imagination DXS GPU 的性能優(yōu)勢(shì)

相較于上一代GPU產(chǎn)品，Imagination在設(shè)計(jì)DXS GPU時(shí)新增了一個(gè)SPU單元，從而使得DXS GPU的整體硬件性能提升了50%。得益于全新的設(shè)計(jì)，最新發(fā)布的DXS GPU所采用的工藝節(jié)點(diǎn)為5納米，這使得其系統(tǒng)運(yùn)行頻率相較于上一代產(chǎn)品有了顯著提升。如需進(jìn)一步拓展，還可將其配置為四核，在主頻達(dá)到1.5GHz的條件下，DXS GPU將能夠?qū)崿F(xiàn)9TFLOPS FP32的性能以及32TOPS的int8性能。

Imagination汽車產(chǎn)品總監(jiān)章政表示：“GPU在圖形處理方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，特別是具有并行處理能力，使得GPU能夠高效地進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算，從而提升圖形性能。我們最新推出的DXS GPU解決方案算力可從0.25 TFLOPS拓展到1.5 TFLOPS，這一可擴(kuò)展、靈活的特性可以滿足汽車中不同等級(jí)自動(dòng)駕駛對(duì)圖形處理性能和計(jì)算的需求?！?/p>

在以填充率為中心的圖形工作負(fù)載上，性能相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手最高可提升28%，在安全關(guān)鍵型工作負(fù)載上更是能達(dá)到成倍的性能提升。相比IMG BXS GPU，優(yōu)化過硬件架構(gòu)DXS GPU在結(jié)合雙重速率FP16加上額外的SPU，能為FP16工作負(fù)載提供3倍性能。DXS GPU還支持FP16/FP32/INT8/DOT8等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字格式，此外，該GPU相比前代提供更大片上內(nèi)存用于加速計(jì)算。

DXS GPU提供單、雙、三、四核靈活配置，可作為多個(gè)獨(dú)立GPU核心運(yùn)行，也可作為單個(gè)大型GPU跨多個(gè)核心調(diào)度任務(wù)，支持通過低帶寬總線在核心間分配工作，并支持跨Chiplet橋接，進(jìn)一步增強(qiáng)了核心之間的通信和協(xié)作能力，使得整個(gè)系統(tǒng)在處理復(fù)雜任務(wù)時(shí)更加高效和靈活。

此外，Imagination也深知軟硬件協(xié)同優(yōu)化的重要性。因此，在DXS GPU中，Imagination特別增加了片上存儲(chǔ)，以減少帶寬瓶頸，同時(shí)增強(qiáng)了算術(shù)邏輯單元（ALU）計(jì)算能力。這些優(yōu)化措施使得DXS GPU在處理圖形任務(wù)時(shí)更加高效。同時(shí)，Imagination還提供了強(qiáng)大的軟件支持，包括針對(duì)特定工作負(fù)載優(yōu)化的軟件庫(kù)和工具，幫助開發(fā)者充分發(fā)揮GPU的潛力，實(shí)現(xiàn)最佳的圖形性能。

車用GPU與移動(dòng)平臺(tái)所用GPU的不同：FuSa

在11月12日，Imagination宣布其DXS GPU IP正式通過SGS-TüV Saar（SGS旗下，世界領(lǐng)先的測(cè)試、檢驗(yàn)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)）的全面審核與評(píng)估，獲得了ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的ASIL-B級(jí)別認(rèn)證。這一成就標(biāo)志著DXS GPU所采用的獨(dú)特的分布式功能安全機(jī)制（FuSa）已經(jīng)獲得了行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。特別是在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，GPU對(duì)于FuSa有著嚴(yán)格的要求，這包括了冗余設(shè)計(jì)以及在某些功能失效時(shí)的應(yīng)對(duì)策略。鑒于汽車電子系統(tǒng)的故障可能引發(fā)嚴(yán)重的交通事故，因此功能安全顯得尤為關(guān)鍵。

Imagination 的 GPU 采用獲得專利的分布式安全機(jī)制（DSM）和其HyperLane硬件虛擬化技術(shù)一樣，都是針對(duì)汽車等GPU應(yīng)用開發(fā)的高價(jià)值創(chuàng)新，可以以極小的芯片面積代價(jià)去滿足汽車應(yīng)用特定的需求。DSM通過在多個(gè)子模塊中分散部署安全檢測(cè)邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)功能安全的全面覆蓋。具體包括安全對(duì)、空閑周期占用、測(cè)試向量生成與執(zhí)行、分布式故障檢測(cè)與報(bào)告等創(chuàng)新點(diǎn)，在僅增加約 10% 的面積開銷的情況下，能有效檢測(cè)到超過 90% 的單點(diǎn)故障，符合 ASIL - B 的要求并獲得了認(rèn)證。

隨著汽車新四化（電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化）的不斷推進(jìn)，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(diǎn)，在提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的算力之外，還利用GPU的運(yùn)行特點(diǎn)來打造了創(chuàng)新的分布式功能安全機(jī)制，消除了以前的鎖步等其他功能安全方案實(shí)現(xiàn)機(jī)制帶來的性能降低以及成倍片芯面積，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。