技术前瞻——能源危机下辅助驾驶算力技术路线展望 ADAS高功耗、低效率所带来的能源危机

新能源车发热和能耗问题

根据中国国家应急管理部门统计，2022年第一季度，智能汽车发生自燃的事故一共发生了640起，平均1天有7辆电动车发生自燃。电动车起火的原因主要是以下几点：电池过热、电池老化、电池遭受碰撞、高负荷运行等等。其中，电池的高负荷运行是最严重的原因之一。
 
视觉算法算力的高功耗和低效率

随着特斯拉通过视觉算法来实现自动驾驶。各大Tier 1大厂纷纷进入算力的军备竞赛，算力不断加大，较大的算力需要消耗较高的功耗。

图1 视觉算法引发功率消耗问题

 

的多传感器融合策略

实际上自动驾驶领域，变化的区域占整个图像的很小一部分，大部分视觉数据是无用数据。传统的视觉处理花费了大量精力来处理这些无用的背景，这浪费了大量的算力和时间。采用事件处理系统，通过时间系统触发判断方式，可以提高100-1000倍的处理速度，减少运算量。

图2 多传感器融合技术策略

事件相机无法提供深度信息，目前依靠相机的计算方式还属于简单的蛮力计算。采用事件相机结合激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等方式就可以实现完美的3D感知。同时，也可以避免依靠海量数据和海量算力造成的资源浪费。
 
ADAS域架构多传感器融合技术
多传感器同步问题

图像事件系统能解决视觉识别的大部分算法，但是，它也存在一些局限性。除了传统的图像算法，激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达也越来越多地被用于ADAS。随着ADAS的智能化要求的不断提高，自动驾驶系统需要采用多个不同类型的传感器协同处理的方式实现。

图3 多传感器融合面临时间延迟的挑战

各传感器采集数据，然后通过总线发送给域控制器，存在一定程度的延时，并且，各传感器延时的时长不固定。为了提高自动驾驶的传感器之间的深度融合、决策规划和融合定位等性能，自动驾驶高级域控制器与其关联的传感器均需要做时间同步。

常用的时间同步主要包括：GPS同步、SyncE、NTP和PTP（IEEE 1588）时间同步。对于ADAS来说，主要采用的是时间敏感网络TSN（Time Sensitive Network）技术。

图4 时间敏网络技术TSN原理

TSN最初来源于音视频领域Ethernet AVB的应用需求，用于解决音视频网络的高带宽、高实时性、和高传输质量的需求。TSN的核心原理是基于时间流量调度和管理，通过TSN网络中的时间感知整形器TAS（Time Aware Shaper）的调度来实现的。

图5 采用锁相环技术实现时钟频率相位锁定

TSN可以比较精确的计算出传输线的时延问题。但是，如果主从设备采用自己独立的时钟，还会存在频偏问题，这就需要采用精度非常高的晶振来实现传输功能。基于成本等综合考虑，通常采用OCXO/VCXO+PLL的方式实现从设备时钟的频率锁定，与主时钟实现频率同步。

在ADAS应用中，采用TSN结合OCXO+锁相环的方式，就可以实现各传感单元和GPU/FPGA的时间同步，消除累计误差，实现时钟源的统一和多传感器完全融合。
 
传感器高速数据交换问题

图像事件系统含有海量数据，要满足多传感器深度融合，这些数据就必须要在极短时间完成信息交换。受流线型处理器启发，人们一直采用独立于处理器的32位或64位局部总线。该总线最高工作频率为33MHz/66MHz，峰值速度达533MB/s。这种总线被称为外设互联标准总线（PCI总线）。

图6 PCI总线架构框图

后来，在PCI总线的基础上，又衍生出PCI-X总线协议，其工作频率提高到133MHz，峰值带宽达到1064MB/s。再后来，又发展到PCI-X 2.0。

PCI总线在发展到PCI-X 2.0之后，传输速率很难做进一步的提升。这是因为，时钟和数据信号之间的传输线寄生电感形成串扰，严重影响数据信号的波形，很容易对采样信号形成误判，影响通信效率。

图7 高速数字信号引发的码间干扰

数字信号在高速传输的时候，很容易产生天线效应，向周围辐射，产生电磁感应，形成码间干扰。码间干扰，包括感染源信号和被干扰信号。这导致传输信号判决门槛的不断提高。为了提高抗码间干扰问题，有人提出采用差分传输模型。

图8 差分信号消除码间干扰

这种差分信号传输方法，后来经过一系列演变和改进，发展成后来的USB和PCIe传输总线，PCIe总线经过迭代，现在已经演进到现在都PCIe5.0，根据最新消息，PCIe刚刚已经发布PCIe6.0和PCIe7.0规范。

图9 PCIe总线技术提升传输速率

 
不同技术算力的功耗对比
基于SRAM工艺的动态功耗

目前，市面上大部分视觉算法处理系统都是基于GPU和FPGA实现的，这些处理器大部分都是基于静态随机存储器工艺为核心单元。

图10 SRAM单元内部架构

SRAM单元用六只N沟道CMOS管组成，其中四个CMOS管组成基本RS触发器，用于记忆二进制代码，另外两个做门控开关，控制触发器和位线。

图11 SRAM架构动态功耗

由于SRAM的上管和下管都是工作在深度饱和状态。所以，CMOS反相器从一种稳定工作状态转变到另一种稳定工作状态时，会出现上下管同时导通的情况。此时，CMOS的内阻非常小，此时对应的电流会非常大，所以，产生的动态功耗非常大。
 
基于Flash工艺的动态功耗

除了基于CMOS的SRAM处理器之外，Excelpoint世健的工程师Wolfe Yu介绍了Microchip推出的一种基于叠栅MOS的Flash架构FPGA处理器。

图12 Flash架构FPGA与SRAM架构FPGA的差别

Flash架构的FPGA最大的一个特点，工作点是静态的，动态切换也不会出现大的电流波动，可以节约高达50%的功率损耗。Wolfe表示Microchip最新PolarFire与同类器件28nm产品相比，其算力能做到其他器件2.6 倍GOPS/W。
 
Microchip基于ADAS技术一揽子解决方案

在政策、互联网跨界竞争、消费者内在需求等因素驱动下，ADAS渗透率将快速提升。也有一些低端车型，也开始搭载部分ADAS功能，提升卖点。
 

基于时间敏感网络解决方案

Microchip推出LAN937X系列TSN交换器件。作为业界符合IEEE 802.1AS标准的功能的交换解决方案，可实现更低延迟的数据流量和更高的时钟精度。下一步，Microchip还会推出集成1000 BASE TI PHY的LAN969X系列产品。

TSN可以实现网络传输延迟，但是，由于时钟晶体存在频偏差异，可能引发不同节点之间的频率误差，为了解决频偏问题，人们通常会在节点中，采用PLL锁相环和VCXO来锁定时钟频率。同时，为了更进一步同步GPS的1PPS时钟，还需要同步1PPS时钟。Microchip的ZL307XX系列集成5个PLL ，支持1PPS，SYNCE。满足大部分以太网时间同步要求。目前，Microchip已经和部分车企展开合作，开始评估Microchip的时钟解决方案。

图13 Microchip TSN解决方案

LAN93XX搭配1000BASE-T1 PHY LAN887X，配合同步数字锁相环 ZL307XX的精确计时的IEEE 1588v2和IEEE 802.1AS-2020、用于多传感器时间同步，符合IEEE P802.1Qci、IEEE P802.1Qav等，可以满足ADAS实时联网的需求。针对低端市场，Microchip的LAN937X配合100BASE-T1 LAN8770，也可以满足客户需求。
 

首款车用PCIe交换机介绍

2022年2月，Microchip宣布推出市场上首款汽车级认证的PCIe交换机PM430XX/PM440XX。新发布的PFX、PSX和PAX交换机解决方案为ADAS提供了尖端的计算互连能力，第4代PCIe交换机提供高速互连，支持ADAS架构中的分布式实时安全关键数据处理。

图14 Microchip PCIe SWITCH解决方案

基于FLASH工艺的低功耗FPGA介绍

因为Microchip所采用Flash工艺这一独特的工艺制程，其功耗最多只有相同制式的FPGA的50%。

在ADAS机器视觉算法应用中，采用Microchip的FPGA做摄像头前端采样、预处理，图像拼接等应用中，有着很好的表现。

Microchip带功能安全的PolarFire FPGA系列内置安全加密认证、可以保护设计、数据、网络不受攻击，Flash自带SEU免疫性能的FPGA，是数据中心、工业、汽车和航空航天应用的理想之选。

图15 Microchip基于Flash工艺FPGA与友商的功耗比较

除此之外，Microchip集成功能安全的MCU、DCDC、USB HUB、AES加密芯片，以及诸如CAN、LIN总线等，也是ADAS和汽车行业应用的主流方案。针对Microchip基于ADAS技术一揽子解决方案，Excelpoint世健都提供相应的技术支持和指导，降低视觉算法算力的功耗，提高效率，助力自动驾驶技术发展。