智能汽車(chē)?yán)锔叩燃?jí)「功能安全」芯片為何還未普及？

本文作者：包永剛

2024-09-20 15:57

導(dǎo)語(yǔ)：Imagination用10%的芯片面積代價(jià)，實(shí)現(xiàn)ASIL-B功能安全等級(jí)。

汽車(chē)行業(yè)正快速朝著智能化的方向發(fā)展。汽車(chē)的智能化將驅(qū)動(dòng)汽車(chē)架構(gòu)轉(zhuǎn)向中央計(jì)算架構(gòu)。

中央計(jì)算能在降低成本的同時(shí)提高通信效率，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)（OTA），讓智能汽車(chē)也能像智能手機(jī)一樣持續(xù)升級(jí)，擁有更好的智能化體驗(yàn)。既然是中央計(jì)算，芯片的安全性和性能都尤為重要。

“隨著自動(dòng)駕駛接管車(chē)輛的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，汽車(chē)芯片的功能安全將無(wú)法忽視。”Imagination Technologies車(chē)載GPU產(chǎn)品線的產(chǎn)品總監(jiān)章政指出，“在車(chē)上用消費(fèi)級(jí)芯片只是短期過(guò)渡。”

目前大量的智能汽車(chē)雖符合國(guó)家的法規(guī)要求，但考慮成本等多方面的因素，滿足的是系統(tǒng)級(jí)安全，整車(chē)符合汽車(chē)安全要求，但使用了一些消費(fèi)級(jí)芯片，而非高等級(jí)的功能安全芯片，這是為什么？

最核心的原因還是因?yàn)槌杀荆?strong>傳統(tǒng)方式要實(shí)現(xiàn)功能安全，會(huì)帶來(lái)成倍的成本增加，阻礙了高功能安全等級(jí)的汽車(chē)芯片普及。

近期Imagination發(fā)布了業(yè)界高等級(jí)功能安全和最高性能的汽車(chē)GPU IP DXS。

通過(guò)創(chuàng)新的分布式安全機(jī)制，Imagination DXS GPU對(duì)性能的影響幾乎為零，芯片面積的代價(jià)估計(jì)僅為10%，實(shí)現(xiàn)了ASIL-B功能安全等級(jí)。

并且Imagination DXS GPU IP，峰值性能比Imagination上一代汽車(chē)GPU提高了50%，可擴(kuò)展至192 GPixel/s、6 TFLOPS和 24 TOPS，AI性能更是有高達(dá)10倍的提升。

Imagination的全新產(chǎn)品無(wú)疑將推動(dòng)高功能安全等級(jí)車(chē)載芯片在智能汽車(chē)中的普及。

用10%的芯片面積代價(jià)，實(shí)現(xiàn)高等級(jí)功能安全

所謂功能安全，指的是確保芯片按照設(shè)計(jì)的功能運(yùn)行。如果芯片不能按照汽車(chē)設(shè)計(jì)的功能執(zhí)行，可能會(huì)威脅到駕駛員、乘客、路人的安全。

要達(dá)到功能安全，就要付出一定的成本，比如招聘有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，執(zhí)行嚴(yán)格的功能安全研發(fā)流程，進(jìn)行安全認(rèn)證等。

對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)功能安全最重要的成本來(lái)自增加的芯片面積，因?yàn)樗行鹿δ艿膶?shí)現(xiàn)，都需要增加芯片面積。

實(shí)現(xiàn)汽車(chē)芯片功能安全有兩種常見(jiàn)的方式，一種雙核鎖步法，另一種是工作負(fù)載重復(fù)法。

雙核鎖步法用兩個(gè)相同的邏輯單元實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能，同時(shí)執(zhí)行任務(wù)比較結(jié)果是否一致，如果一致說(shuō)明邏輯運(yùn)行正確。通過(guò)雙核鎖步法實(shí)現(xiàn)功能安全的代價(jià)是多一倍的芯片面積。

工作負(fù)載重復(fù)法，就是把同一個(gè)工作執(zhí)行兩次，對(duì)比兩次的結(jié)果是否一致，這種方法可以避免隨機(jī)錯(cuò)誤，但難以避免長(zhǎng)期錯(cuò)誤，并且因?yàn)橐M(jìn)行兩次重復(fù)的工作，相當(dāng)于性能降低為二分之一。

無(wú)論是雙核鎖步法增加一倍的芯片面積，還是工作負(fù)載重復(fù)法相同的芯片面積性能降低一半，實(shí)現(xiàn)功能安全的代價(jià)都是十分高昂，自然難以普及。

自動(dòng)駕駛逐步普及之后，汽車(chē)芯片的功能安全就難以被忽略。如何才能用最小成本實(shí)現(xiàn)高等級(jí)功能安全？

Imagination DXS開(kāi)創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了僅增加10%的芯片面積，對(duì)GPU的性能幾乎零影響，通過(guò)分布式安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)了ASIL-B功能安全。

根據(jù)ISO 26262汽車(chē)安全完整性等級(jí)（ASIL）體系，ASIL-A等級(jí)的要求最低，ASIL-D等級(jí)的要求最全面。

“今天我們可以輕松達(dá)到ASIL-B，這個(gè)等級(jí)基本可以滿足L2級(jí)自動(dòng)駕駛的需求。如果需要更高功能安全等級(jí)，可以通過(guò)2個(gè)ASIL-B系統(tǒng)交叉確認(rèn)實(shí)現(xiàn)。未來(lái)我們會(huì)進(jìn)一步提高安全等級(jí)?！闭抡嬖V雷峰網(wǎng)(公眾號(hào)：雷峰網(wǎng))。

Imagination DXS能夠以足夠小的代價(jià)，實(shí)現(xiàn)足夠高的功能安全等級(jí)的核心是利用了處理器固有的并行性，以及任何線程都不會(huì)被完全利用的事實(shí)。

也就是說(shuō)，DXS會(huì)利用一個(gè)GPU線程等待的時(shí)間，插入安全測(cè)試，使用相同的安全測(cè)試在另一個(gè)線程等待時(shí)插入，執(zhí)行完成后對(duì)比結(jié)果是否一致。

這是DXS實(shí)現(xiàn)高等級(jí)功能安全邏輯模塊的功能安全，也是實(shí)現(xiàn)整個(gè)功能安全的難點(diǎn)所在，需要能夠迅速在模塊中定位錯(cuò)誤，這只是實(shí)現(xiàn)功能安全的其中一半。

智能汽車(chē)?yán)锔叩燃?jí)「功能安全」芯片為何還未普及？

DXS另一半的功能安全是內(nèi)存，包括Cache或SRAM。章政介紹Imagination會(huì)通過(guò)ECC、parity或者CRC校驗(yàn)，保證內(nèi)存的功能正確。

Imagination通過(guò)獨(dú)特的分布式安全機(jī)制（DMS），利用空閑時(shí)不停發(fā)送很小的測(cè)試向量，在ASIL標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)識(shí)別故障，實(shí)現(xiàn)高等級(jí)功能安全。

DXS在執(zhí)行安全相關(guān)的任務(wù)時(shí)，效率是同級(jí)別競(jìng)品的2倍，再借助分布式功能安全機(jī)制，DXS的優(yōu)勢(shì)還能翻倍。

Imagination已經(jīng)為這個(gè)機(jī)制申請(qǐng)了專利。章政說(shuō)，“DSM機(jī)制不僅可以用于車(chē)載電子，對(duì)于功能安全要求高的其它的領(lǐng)域，比如航空、醫(yī)療和工業(yè)，也都適用?！?nbsp;

AI性能的數(shù)量級(jí)提升

對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)芯片，與功能安全同樣重要的是高性能。因?yàn)樽詣?dòng)駕駛?cè)栽诓粩喟l(fā)展，智能化功能在不斷擴(kuò)展，高性能和可擴(kuò)展性都非常重要。

得益于增加了一個(gè)新的SPU單元，使用5nm節(jié)點(diǎn)，算力可從單核0.25 TFLOPS的配置，擴(kuò)展到1.5 TFLOPS的處理能力，DXS的性能相比上一代XS整體提升了50%。

智能汽車(chē)?yán)锔叩燃?jí)「功能安全」芯片為何還未普及？

Imagination為SPU做了很多優(yōu)化工作，比如增加了2D雙速紋理處理（2D dual-rate texturing），更新了固件處理器（firmware processor），新增了可變分辨率渲染（fragment shading rate）。

整體而言，對(duì)于渲染類任務(wù)，DXS單位面積的性能高出競(jìng)品2倍。對(duì)于以計(jì)算為中心的圖形處理任務(wù)，DXS單位面積性能高出競(jìng)品28%左右。

自動(dòng)駕駛芯片的AI性能也值得單獨(dú)關(guān)注，這是實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵所在。

4核配置的DXS，用于FP16半精度浮點(diǎn)計(jì)算時(shí)，DXS能提供12 TFLOPS的性能；用于int8計(jì)算時(shí)，DXS能提供254TOPS。

“這是運(yùn)行在1GHz主頻上的數(shù)據(jù)，如果芯片設(shè)計(jì)公司后端能力夠強(qiáng)，DXS可以運(yùn)行在1.2GHz甚至1.5GHz的主頻，其性能將更高?！闭抡硎荆?strong>我們研究發(fā)現(xiàn)，大部分AI負(fù)載FP16的精度就足夠滿足要求，FP32確實(shí)有更高精度，但帶寬會(huì)增加一倍，系統(tǒng)可能沒(méi)辦法提供這么高的帶寬。當(dāng)然我們的DXS也支持FP32?！?/p>

帶寬也是限制汽車(chē)ADAS實(shí)現(xiàn)的重要原因， Imagination DXS增加了片上存儲(chǔ)，盡量把所有計(jì)算都控制在一個(gè)GPU內(nèi)，大幅降低系統(tǒng)的帶寬需求。

不過(guò)對(duì)于發(fā)揮芯片的AI性能，上層的軟件同樣關(guān)鍵。

由于GPU的人才相對(duì)匱乏，為了讓開(kāi)發(fā)者充分利用GPU的性能，Imagination開(kāi)發(fā)了一系列庫(kù)，比如幾何庫(kù)、BLAS庫(kù)（imgBLAS），專門(mén)的CNN 庫(kù)（imgNN），還有專門(mén)處理車(chē)載工作的庫(kù)，如處理雷達(dá)數(shù)據(jù)需要的FFT庫(kù)（imgFFT）。

Imagination的目標(biāo)是幫助軟件開(kāi)發(fā)人員實(shí)現(xiàn)高達(dá)80%的GPU利用率。

這些庫(kù)與新的參考工具包oneAPI和TVM相結(jié)合，構(gòu)成了一個(gè)基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用軟件棧，軟件開(kāi)發(fā)人員可以利用該軟件棧輕松地將其計(jì)算應(yīng)用移植到基于Imagination IP的硬件上，并最大限度地提高其性能。

DXS AI性能的提升相比上一代高達(dá)近10倍。其中，硬件性能大概提升了50%，所以更大的的提升來(lái)自軟件的支持和協(xié)同。

智能汽車(chē)?yán)锔叩燃?jí)「功能安全」芯片為何還未普及？

“計(jì)算庫(kù)提升了2-4倍的性能，采用雙速率FP16帶來(lái)了3倍提升，所以DXS在典型工作負(fù)載上帶來(lái)了6-12倍的性能提升。”章政表示，“DXS大模型、路況視覺(jué)觀察、駕駛員行為監(jiān)測(cè)、激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理等方面已經(jīng)具備了商用能力。DXS覆蓋從座艙到L2/L3自動(dòng)駕駛的需求，DXS 8-256 MC1主要用于低成本的HMI應(yīng)用，最高端的IMG DXS-48-1536 MC4滿足ADAS的這個(gè)需求?！?/p>

智能汽車(chē)?yán)锔叩燃?jí)「功能安全」芯片為何還未普及？