ADAS高功耗、低效率所帶來的能源危機

新能源車發(fā)熱和能耗問題

根據(jù)中國國家應急管理部門統(tǒng)計，2022年第一季度,，智能汽車發(fā)生自燃的事故一共發(fā)生了640起，平均1天有7輛電動車發(fā)生自燃,。電動車起火的原因主要是以下幾點：電池過熱,、電池老化、電池遭受碰撞,、高負荷運行等等,。其中，電池的高負荷運行是最嚴重的原因之一,。

視覺算法算力的高功耗和低效率

隨著特斯拉通過視覺算法來實現(xiàn)自動駕駛,。各大Tier 1大廠紛紛進入算力的軍備競賽，算力不斷加大,，較大的算力需要消耗較高的功耗,。

圖1 視覺算法引發(fā)功率消耗問題

ADAS的多傳感器融合策略

實際上自動駕駛領域，變化的區(qū)域占整個圖像的很小一部分,，大部分視覺數(shù)據(jù)是無用數(shù)據(jù),。傳統(tǒng)的視覺處理花費了大量精力來處理這些無用的背景，這浪費了大量的算力和時間,。采用事件處理系統(tǒng),，通過時間系統(tǒng)觸發(fā)判斷方式，可以提高100-1000倍的處理速度,，減少運算量,。

圖2 多傳感器融合技術策略

事件相機無法提供深度信息，目前依靠相機的計算方式還屬于簡單的蠻力計算,。采用事件相機結合激光雷達,、毫米波雷達,、超聲波雷達等方式就可以實現(xiàn)完美的3D感知。同時,，也可以避免依靠海量數(shù)據(jù)和海量算力造成的資源浪費,。

ADAS域架構多傳感器融合技術

多傳感器同步問題

圖像事件系統(tǒng)能解決視覺識別的大部分算法，但是,，它也存在一些局限性,。除了傳統(tǒng)的圖像算法，激光雷達,、毫米波雷達,、超聲波雷達也越來越多地被用于ADAS。隨著ADAS的智能化要求的不斷提高,，自動駕駛系統(tǒng)需要采用多個不同類型的傳感器協(xié)同處理的方式實現(xiàn),。

圖3 多傳感器融合面臨時間延遲的挑戰(zhàn)

各傳感器采集數(shù)據(jù)，然后通過總線發(fā)送給域控制器,，存在一定程度的延時,，并且，各傳感器延時的時長不固定,。為了提高自動駕駛的傳感器之間的深度融合,、決策規(guī)劃和融合定位等性能，自動駕駛高級域控制器與其關聯(lián)的傳感器均需要做時間同步,。

常用的時間同步主要包括：GPS同步,、SyncE、NTP和PTP（IEEE 1588）時間同步,。對于ADAS來說,，主要采用的是時間敏感網(wǎng)絡TSN（Time Sensitive Network）技術,。

圖4 時間敏網(wǎng)絡技術TSN原理

TSN最初來源于音視頻領域Ethernet AVB的應用需求,，用于解決音視頻網(wǎng)絡的高帶寬、高實時性,、和高傳輸質量的需求,。TSN的核心原理是基于時間流量調度和管理，通過TSN網(wǎng)絡中的時間感知整形器TAS（Time Aware Shaper）的調度來實現(xiàn)的,。

圖5 采用鎖相環(huán)技術實現(xiàn)時鐘頻率相位鎖定

TSN可以比較精確的計算出傳輸線的時延問題,。但是，如果主從設備采用自己獨立的時鐘,，還會存在頻偏問題,，這就需要采用精度非常高的晶振來實現(xiàn)傳輸功能?；诔杀镜染C合考慮,，通常采用OCXO/VCXO+PLL的方式實現(xiàn)從設備時鐘的頻率鎖定,，與主時鐘實現(xiàn)頻率同步。

在ADAS應用中,，采用TSN結合OCXO+鎖相環(huán)的方式,，就可以實現(xiàn)各傳感單元和GPU/FPGA的時間同步，消除累計誤差,，實現(xiàn)時鐘源的統(tǒng)一和多傳感器完全融合,。

傳感器高速數(shù)據(jù)交換問題

圖像事件系統(tǒng)含有海量數(shù)據(jù)，要滿足多傳感器深度融合,，這些數(shù)據(jù)就必須要在極短時間完成信息交換,。受流線型處理器啟發(fā)，人們一直采用獨立于處理器的32位或64位局部總線,。該總線最高工作頻率為33MHz/66MHz,，峰值速度達533MB/s。這種總線被稱為外設互聯(lián)標準總線（PCI總線）,。

圖6 PCI總線架構框圖

后來,，在PCI總線的基礎上，又衍生出PCI-X總線協(xié)議,，其工作頻率提高到133MHz,，峰值帶寬達到1064MB/s。再后來,，又發(fā)展到PCI-X 2.0,。

PCI總線在發(fā)展到PCI-X 2.0之后，傳輸速率很難做進一步的提升,。這是因為,，時鐘和數(shù)據(jù)信號之間的傳輸線寄生電感形成串擾，嚴重影響數(shù)據(jù)信號的波形,，很容易對采樣信號形成誤判,，影響通信效率。

圖7 高速數(shù)字信號引發(fā)的碼間干擾

數(shù)字信號在高速傳輸?shù)臅r候,，很容易產生天線效應,，向周圍輻射，產生電磁感應,，形成碼間干擾,。碼間干擾，包括感染源信號和被干擾信號,。這導致傳輸信號判決門檻的不斷提高,。為了提高抗碼間干擾問題，有人提出采用差分傳輸模型。

圖8 差分信號消除碼間干擾

這種差分信號傳輸方法,，后來經(jīng)過一系列演變和改進,，發(fā)展成后來的USB和PCIe傳輸總線，PCIe總線經(jīng)過迭代,，現(xiàn)在已經(jīng)演進到現(xiàn)在都PCIe5.0,，根據(jù)最新消息，PCIe剛剛已經(jīng)發(fā)布PCIe6.0和PCIe7.0規(guī)范,。

圖9 PCIe總線技術提升傳輸速率

不同技術算力的功耗對比

基于SRAM工藝的動態(tài)功耗

目前,，市面上大部分視覺算法處理系統(tǒng)都是基于GPU和FPGA實現(xiàn)的，這些處理器大部分都是基于靜態(tài)隨機存儲器工藝為核心單元,。

圖10 SRAM單元內部架構

SRAM單元用六只N溝道CMOS管組成,，其中四個CMOS管組成基本RS觸發(fā)器，用于記憶二進制代碼,，另外兩個做門控開關,，控制觸發(fā)器和位線。

圖11 SRAM架構動態(tài)功耗

由于SRAM的上管和下管都是工作在深度飽和狀態(tài),。所以,，CMOS反相器從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)轉變到另一種穩(wěn)定工作狀態(tài)時，會出現(xiàn)上下管同時導通的情況,。此時,，CMOS的內阻非常小，此時對應的電流會非常大,，所以,，產生的動態(tài)功耗非常大。

基于Flash工藝的動態(tài)功耗

除了基于CMOS的SRAM處理器之外,，Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu介紹了Microchip推出的一種基于疊柵MOS的Flash架構FPGA處理器,。

圖12 Flash架構FPGA與SRAM架構FPGA的差別

Flash架構的FPGA最大的一個特點，工作點是靜態(tài)的,，動態(tài)切換也不會出現(xiàn)大的電流波動,，可以節(jié)約高達50%的功率損耗。Wolfe表示Microchip最新PolarFire與同類器件28nm產品相比,，其算力能做到其他器件2.6 倍GOPS/W,。

Microchip基于ADAS技術一攬子解決方案

在政策、互聯(lián)網(wǎng)跨界競爭,、消費者內在需求等因素驅動下，ADAS滲透率將快速提升,。也有一些低端車型,，也開始搭載部分ADAS功能，提升賣點,。

Microchip基于時間敏感網(wǎng)絡解決方案

Microchip推出LAN937X系列TSN交換器件,。作為業(yè)界符合IEEE 802.1AS標準的功能的交換解決方案,，可實現(xiàn)更低延遲的數(shù)據(jù)流量和更高的時鐘精度。下一步,，Microchip還會推出集成1000 BASE TI PHY的LAN969X系列產品,。

TSN可以實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸延遲，但是,，由于時鐘晶體存在頻偏差異,，可能引發(fā)不同節(jié)點之間的頻率誤差，為了解決頻偏問題,，人們通常會在節(jié)點中,，采用PLL鎖相環(huán)和VCXO來鎖定時鐘頻率。同時,，為了更進一步同步GPS的1PPS時鐘,，還需要同步1PPS時鐘。Microchip的ZL307XX系列集成5個PLL ,，支持1PPS,，SYNCE。滿足大部分以太網(wǎng)時間同步要求,。目前,，Microchip已經(jīng)和部分車企展開合作，開始評估Microchip的時鐘解決方案,。

圖13 Microchip TSN解決方案

LAN93XX搭配1000BASE-T1 PHY LAN887X,，配合同步數(shù)字鎖相環(huán) ZL307XX的精確計時的IEEE 1588v2和IEEE 802.1AS-2020、用于多傳感器時間同步,，符合IEEE P802.1Qci,、IEEE P802.1Qav等，可以滿足ADAS實時聯(lián)網(wǎng)的需求,。針對低端市場,，Microchip的LAN937X配合100BASE-T1 LAN8770，也可以滿足客戶需求,。

Microchip首款車用PCIe交換機介紹

2022年2月,，Microchip宣布推出市場上首款汽車級認證的PCIe交換機PM430XX/PM440XX。新發(fā)布的PFX,、PSX和PAX交換機解決方案為ADAS提供了尖端的計算互連能力,，第4代PCIe交換機提供高速互連，支持ADAS架構中的分布式實時安全關鍵數(shù)據(jù)處理,。

圖14 Microchip PCIe SWITCH解決方案

Microchip基于FLASH工藝的低功耗FPGA介紹

因為Microchip所采用Flash工藝這一獨特的工藝制程,，其功耗最多只有相同制式的FPGA的50%。

在ADAS機器視覺算法應用中，采用Microchip的FPGA做攝像頭前端采樣,、預處理,，圖像拼接等應用中，有著很好的表現(xiàn),。

Microchip帶功能安全的PolarFire FPGA系列內置安全加密認證,、可以保護設計、數(shù)據(jù),、網(wǎng)絡不受攻擊,，F(xiàn)lash自帶SEU免疫性能的FPGA，是數(shù)據(jù)中心,、工業(yè),、汽車和航空航天應用的理想之選。

圖15 Microchip基于Flash工藝FPGA與友商的功耗比較

除此之外,，Microchip集成功能安全的MCU,、DCDC、USB HUB,、AES加密芯片,，以及諸如CAN、LIN總線等,，也是ADAS和汽車行業(yè)應用的主流方案,。針對Microchip基于ADAS技術一攬子解決方案，Excelpoint世健都提供相應的技術支持和指導,，降低視覺算法算力的功耗,，提高效率，助力自動駕駛技術發(fā)展,。

關于世健——亞太區(qū)領先的元器件授權代理商

世健是完整解決方案的供應商,，為亞洲電子廠商包括原設備生產商(OEM)、原設計生產商(ODM)和電子制造服務提供商(EMS)提供優(yōu)質的元器件,、工程設計及供應鏈管理服務,。

世健與供應商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位,，并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產品當中,。集團分別在新加坡、中國及越南設有研發(fā)中心,，專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案,，幫助客戶提高成本效益并縮短產品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設計可應用于工業(yè),、無線通信及消費電子等領域,。

世健是新加坡的主板上市公司,，總部設于新加坡,，擁有約650名員工,，業(yè)務范圍已擴展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū)，遍及新加坡,、馬來西亞,、泰國、越南,、中國,、印度、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個國家,。世健集團在2020年的年營業(yè)額超過11億美元。1993年,，世健在香港設立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司,，正式開始發(fā)展中國業(yè)務。目前,，世健在中國擁有十多家分公司和辦事處,，遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊,、頂尖的現(xiàn)場應用支持以及豐富的市場經(jīng)驗,，世健在中國業(yè)內享有領先地位。