特斯拉全自動(dòng)駕駛(FSD)計(jì)算機(jī)及芯片簡(jiǎn)介

自動(dòng)駕駛 Autopilot FSD是特斯拉最核心的應(yīng)用軟件?？梢园哑滠浖杖虢M成分為三塊，具體而言： 

1）Autopilot FSD（Full Self-Driving）完全自動(dòng)駕駛選裝包。特斯拉著名的自動(dòng)駕駛的功能，也可以說(shuō)是特斯拉汽車(chē)的靈魂。消費(fèi)者付費(fèi)激活后，可以享受到包括自動(dòng)泊車(chē)、自動(dòng)輔助導(dǎo)航駕駛、智能召喚等在內(nèi)的高級(jí)自動(dòng)駕駛功能，而且后續(xù)可以通過(guò) OTA 空中軟件持續(xù)升級(jí)自動(dòng)駕駛能力。2020 年 7 月 1 號(hào)，其價(jià)格已經(jīng)上漲至 8000 美元/套（國(guó)內(nèi) 64000 元/套）。

2) OTA 付費(fèi)升級(jí)。特斯拉此前對(duì)于軟件的 OTA 升級(jí)基本上是以免費(fèi)的形式提供的。2019年以來(lái)，特斯拉開(kāi)始積極嘗試 OTA 付費(fèi)升級(jí)。典型案例就是“Acceleration Boost”加速性能升級(jí)包。Model 3 車(chē)主只要付費(fèi) 3000 美元，即可將汽車(chē)的百公里加速性能從 4.6s 提升到4.1s。

3） 高級(jí)車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能。特斯拉從 2019 年 Q4 開(kāi)始，首度開(kāi)啟車(chē)聯(lián)網(wǎng)高級(jí)連接服務(wù)收費(fèi)（9.9美元/月），車(chē)主支付了服務(wù)費(fèi)后即可使用實(shí)時(shí)路況、卡拉 OK、流媒體等高級(jí)車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能。

其中，OTA 付費(fèi)升級(jí)以及高級(jí)車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能兩塊業(yè)務(wù)是特斯拉從 2019 年開(kāi)始逐步發(fā)力的軟件業(yè)務(wù)?，F(xiàn)階段，F(xiàn)SD 是特斯拉最核心的應(yīng)用軟件，其軟件收入也主要由 FSD 選裝包貢獻(xiàn)。

完全自動(dòng)駕駛芯片（FSD芯片，以前的自動(dòng)駕駛硬件3.0）是特斯拉設(shè)計(jì)的自動(dòng)駕駛芯片，在2019年初為他們自己的汽車(chē)推出。特斯拉聲稱(chēng)，該芯片的目標(biāo)是自主4級(jí)和5級(jí)。FSD芯片采用三星的14納米工藝技術(shù)制造，集成了3個(gè)四核Cortex-A72集群，共有12個(gè)CPU，工作頻率為2.2GHz，1個(gè)Mali G71 MP12 GPU，2個(gè)神經(jīng)處理單元，工作頻率為2GHz，還有其他各種硬件加速器。FSD最多支持128位LPDDR4-4266內(nèi)存。

FSD芯片的設(shè)計(jì)和規(guī)劃始于2016年，當(dāng)時(shí)特斯拉聲稱(chēng)他們沒(méi)有看到適合他們解決自動(dòng)駕駛問(wèn)題的其他解決方案。FSD芯片項(xiàng)目由吉姆-凱勒和皮特-班農(nóng)以及其他建筑師領(lǐng)導(dǎo)。該設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)于2016年2月成立。開(kāi)發(fā)工作在18個(gè)月內(nèi)完成。2017年8月，該芯片被發(fā)布用于制造，第一批硅片于2017年12月完全工作回來(lái)。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些額外的修改，需要重新制作。

2018年4月，B0步進(jìn)被發(fā)布到制造業(yè)。B0的全面生產(chǎn)在2018年7月獲得資格后不久開(kāi)始。2018年12月，特斯拉開(kāi)始用新的硬件和軟件堆棧對(duì)員工汽車(chē)進(jìn)行改造。2019年3月，特斯拉開(kāi)始在其Model S和Model X汽車(chē)中批量運(yùn)送FSD芯片和計(jì)算機(jī)。2019年4月，在特斯拉Model 3中開(kāi)始生產(chǎn)出貨。

完全自動(dòng)駕駛芯片或簡(jiǎn)稱(chēng)FSD芯片是特斯拉自制的定制設(shè)計(jì)的自動(dòng)駕駛芯片。該芯片自2016年以來(lái)一直在開(kāi)發(fā)，并在2019年初進(jìn)入量產(chǎn)階段。作為特斯拉現(xiàn)有汽車(chē)的升級(jí)產(chǎn)品，F(xiàn)SD芯片繼承了先前解決方案的大部分功率和熱要求--包括保持100瓦的最大功耗。由于芯片本身是專(zhuān)門(mén)為特斯拉自己的汽車(chē)和他們自己的要求設(shè)計(jì)的，替代性神經(jīng)處理器的大部分通用能力已經(jīng)從FSD芯片中剝離出來(lái)，只留下他們需要的硬件設(shè)計(jì)。

在高層次上，該芯片是一個(gè)完整的片上系統(tǒng)，能夠啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)。它是由三星在德克薩斯州奧斯汀的工廠(chǎng)采用14納米工藝制造的，在260毫米見(jiàn)方的硅片上裝有大約60億個(gè)晶體管。FSD芯片符合AEC-Q100-2級(jí)汽車(chē)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。選擇成熟的14納米節(jié)點(diǎn)而不是更前沿的節(jié)點(diǎn)，歸結(jié)為成本和IP準(zhǔn)備。有12個(gè)64位ARM內(nèi)核，作為三個(gè)四核Cortex-A72內(nèi)核集群，工作頻率為2.2GHz，用于通用處理。還有相對(duì)較輕的GPU，主要設(shè)計(jì)用于輕量級(jí)的后處理。它的工作頻率為1GHz，能夠達(dá)到600GFLOPS，支持單精度和雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算。該芯片具有一個(gè)相對(duì)低成本的傳統(tǒng)內(nèi)存子系統(tǒng)，支持128位LPDDR4內(nèi)存，工作頻率為2133MHz。

安全系統(tǒng)

有一個(gè)安全系統(tǒng)，它包含了一個(gè)雙核鎖步CPU，對(duì)汽車(chē)執(zhí)行器進(jìn)行最終仲裁。這個(gè)CPU確定由FSD計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)FSD芯片產(chǎn)生的兩個(gè)計(jì)劃是否匹配，以及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器是否安全（參見(jiàn)§操作）。

安全系統(tǒng)

安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了確保芯片只執(zhí)行經(jīng)過(guò)特斯拉加密簽名的代碼。

相機(jī)串行接口

FSD芯片有一個(gè)攝像機(jī)串行接口（CSI），能夠從各種視頻輸入設(shè)備中每秒處理多達(dá)25億個(gè)像素。

視頻編碼器

FSD芯片集成了一個(gè)H.265（HEVC）視頻編碼器，用于各種應(yīng)用，如倒車(chē)攝像頭顯示、儀表盤(pán)和云剪輯記錄。

圖像信號(hào)處理器

FSD集成了一個(gè)圖像信號(hào)處理器（ISP），其內(nèi)部24位流水線(xiàn)旨在處理特斯拉汽車(chē)上配備的8個(gè)HDR傳感器，能夠每秒處理多達(dá)10億個(gè)像素。ISP具有色調(diào)映射功能，使芯片能夠暴露出由于明/暗點(diǎn)（如陰影）而產(chǎn)生的額外細(xì)節(jié)。此外，ISP還具有降噪功能。

神經(jīng)處理單元

FSD芯片集成了兩個(gè)定制設(shè)計(jì)的神經(jīng)處理單元。每個(gè)NPU包含32 MiB的SRAM，旨在存儲(chǔ)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果，減少對(duì)主存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)移動(dòng)。整體設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單明了。每個(gè)周期，256字節(jié)的激活數(shù)據(jù)和另外128字節(jié)的權(quán)重?cái)?shù)據(jù)從SRAM中讀到MACs陣列中，在那里它們被合并。每個(gè)NPU有一個(gè)96x96的乘積陣列，總共有9,216個(gè)MAC和18,432個(gè)操作。對(duì)于FSD芯片，特斯拉使用8位乘8位的整數(shù)乘法和32位整數(shù)加法。對(duì)這兩種數(shù)據(jù)類(lèi)型的選擇主要是由于他們努力降低功耗（例如，32位FP加法的功耗大約是32位整數(shù)加法的9倍）。在2GHz下運(yùn)行，每個(gè)NPU的峰值性能為每秒36.86萬(wàn)億次運(yùn)算（TOPS）。每塊芯片上有兩個(gè)NPU，F(xiàn)SD芯片的綜合峰值性能可達(dá)每秒73.7萬(wàn)億次運(yùn)算。在點(diǎn)乘操作之后，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)移到激活硬件、池化硬件，最后進(jìn)入?yún)R總結(jié)果的寫(xiě)緩沖器。FSD支持多種激活功能，包括整流線(xiàn)性單元（ReLU）、Sigmoid線(xiàn)性單元（SiLU）和TanH。每個(gè)周期，128字節(jié)的結(jié)果數(shù)據(jù)被寫(xiě)回SRAM。所有的操作都是同時(shí)和連續(xù)進(jìn)行的，重復(fù)進(jìn)行直到完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

一些硬件已經(jīng)被簡(jiǎn)化，這就把復(fù)雜性放到了軟件上。這樣做是為了降低硅的成本，以支持稍微復(fù)雜的軟件。軟件可以映射和分配單個(gè)SRAM庫(kù)。在特斯拉的NN編譯器的幫助下，還可以進(jìn)行層融合，通過(guò)耦合conv-scale-act-pooling操作來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重用。編譯器還執(zhí)行層平滑，確保一致的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，添加旨在減少庫(kù)沖突的通道填充，并插入DMA操作以在使用前預(yù)取數(shù)據(jù)。在代碼生成過(guò)程中，權(quán)重?cái)?shù)據(jù)被生成，代碼被壓縮，并生成一個(gè)CRC校驗(yàn)以保證可靠性。

在正常操作下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序在啟動(dòng)時(shí)被加載，并在芯片通電的整個(gè)過(guò)程中保持在內(nèi)存中。運(yùn)行是通過(guò)設(shè)置輸入緩沖區(qū)地址（如新拍攝的圖像傳感器照片），設(shè)置輸出緩沖區(qū)地址，和權(quán)重緩沖區(qū)地址（如網(wǎng)絡(luò)權(quán)重），設(shè)置程序地址，然后運(yùn)行。NPU會(huì)異步地自行運(yùn)行整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，直到達(dá)到停止指令，觸發(fā)中斷，讓CPU對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理。

FSD計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)是為了加裝到現(xiàn)有的特斯拉車(chē)型上，因此在外形尺寸和I/O方面基本相同。計(jì)算機(jī)本身正好可以放在汽車(chē)手套箱的后面。FSD計(jì)算機(jī)可以由技術(shù)人員安裝在與先前的自動(dòng)駕駛硬件2.5板相同的插槽中。板子本身包含了兩個(gè)完全獨(dú)立的FSD芯片，以及它們自己的電源子系統(tǒng)、DRAM和閃存，以實(shí)現(xiàn)完全冗余。每個(gè)芯片從自己的存儲(chǔ)存儲(chǔ)器啟動(dòng)，并運(yùn)行自己的獨(dú)立操作系統(tǒng)。在板子的右邊（如下圖所示）是八個(gè)攝像頭的連接器。電源和控制裝置在電路板的左側(cè)。該板位于兩個(gè)獨(dú)立的電源上--一個(gè)用于FSD芯片，一個(gè)用于另一個(gè)。此外，一半的攝像機(jī)位于一個(gè)電源上，另一半位于第二個(gè)電源上（注意，視頻輸入本身是由兩個(gè)芯片接收的）。冗余的設(shè)計(jì)是為了確保在一個(gè)組件，如攝像機(jī)流或電源或板上的一些其他IC壞了的情況下，整個(gè)系統(tǒng)可以繼續(xù)正常運(yùn)行。

操作

當(dāng)通電并啟動(dòng)時(shí)，感官輸入從各種來(lái)源輸入到電路板。其中包括當(dāng)前的汽車(chē)讀數(shù)，如慣性測(cè)量單元（IMU）、雷達(dá)、GPS、超聲波傳感器、車(chē)輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角和地圖數(shù)據(jù)。有8個(gè)外部視覺(jué)攝像頭（在某些車(chē)輛上有1個(gè)內(nèi)部攝像頭）和12個(gè)超聲波傳感器。數(shù)據(jù)同時(shí)被送入兩個(gè)FSD芯片進(jìn)行處理。這兩個(gè)芯片獨(dú)立形成汽車(chē)的未來(lái)計(jì)劃--汽車(chē)接下來(lái)應(yīng)該做什么的詳細(xì)計(jì)劃。然后，來(lái)自?xún)蓚€(gè)芯片的兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)劃被發(fā)送到安全系統(tǒng)，安全系統(tǒng)對(duì)它們進(jìn)行比較，以確保達(dá)成一致。一旦來(lái)自?xún)蓚€(gè)芯片的兩個(gè)計(jì)劃在計(jì)算的計(jì)劃上達(dá)成一致，汽車(chē)就可以繼續(xù)前進(jìn)并按照該計(jì)劃行動(dòng)（即操作執(zhí)行器）。然后，驅(qū)動(dòng)命令被驗(yàn)證，感覺(jué)信息被用作反饋，以確保命令執(zhí)行了所需的操作。整個(gè)操作循環(huán)以高幀率連續(xù)運(yùn)行。

功耗

運(yùn)行完整的軟件堆棧，F(xiàn)SD計(jì)算機(jī)耗散了72W。這比之前的解決方案HW2.5所耗散的57瓦特多了大約25%。在這72瓦中，包括由NPU耗散的15瓦。與HW2.5相比，運(yùn)行確切的軟件堆棧和傳感器，特斯拉報(bào)告說(shuō)每秒的幀數(shù)提高了21倍。