納入高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能如今已成為汽車設(shè)計提高安全性和易用性的一個重要方面,。制造商正在尋求打造具有更高自動化水平的汽車，并最終實現(xiàn)完全自動駕駛（AD）,。

　　ADAS和AD加上用戶對信息娛樂和個性化的期望不斷提高,，意味著汽車正在逐漸演變成為移動數(shù)據(jù)中心。因此,，軟件定義汽車（SDV）所需的關(guān)鍵硬件元素（IC,、電路板或模塊）之間的通信對于成功運營至關(guān)重要。事實上,，現(xiàn)在有些汽車已經(jīng)包含超過1億行代碼,，而Straits Research預(yù)計到2030年汽車軟件市場的規(guī)模將達到近580億美元,，復(fù)合年增長率為14.8%。

　　軟件充滿了復(fù)雜性以及實時處理來自各種視覺系統(tǒng)傳感器（如攝像頭,、雷達,、激光雷達和超聲波）的大量數(shù)據(jù)帶來了不小的挑戰(zhàn)。例如,，圖1表明汽車行業(yè)使用的傳統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施和標準已經(jīng)達到極限,。以太網(wǎng)和控制器局域網(wǎng)（CAN）總線在未來的汽車架構(gòu)中仍會占有一席之地，但必須進行補充以滿足高性能計算平臺（HPC）在ADAS和AD中嵌入人工智能（AI）和機器學習（ML）的需求,。

　圖1——汽車正在成為車輪上的數(shù)據(jù)中心,，因為ADAS必須實時處理來自不同類型傳感器的大量數(shù)據(jù)

　　PCIe^?技術(shù)

　　外圍組件互連高速（PCIe）技術(shù)于2003年問世，旨在滿足計算行業(yè)的需求?，F(xiàn)在,，PCIe已部署在航空航天和汽車領(lǐng)域，被用于在必須符合DO-254標準的固件中實施安全關(guān)鍵型應(yīng)用,。

　　PCIe是一種點對點雙向總線,，作為一種混合串行總線，它可以在單通道或2,、4,、8或16條并行通道中實施，以實現(xiàn)更大的帶寬,。此外,，每代PCIe的性能也都在不斷提升。圖2展示了PCIe的演變情況,。

　　圖2——PCIe^?的性能演變

　　PCIe已經(jīng)在一些汽車應(yīng)用中得到使用,，它大約是在第4.0代投入使用。隨著第6.0代技術(shù)的性能提升,，其數(shù)據(jù)傳輸速率為64 GTps,，如果使用16個通道，則總帶寬可達到128 GBps?，F(xiàn)在正是采用PCIe的大好時機,，值得注意的是，PCIe還提供了向后兼容性,。

　　汽車正在成為車輪上的數(shù)據(jù)中心,，我們來考慮在這樣一個前提下為什么將PCIe用于陸基數(shù)據(jù)中心。

　　高性能,、低功耗

　　數(shù)據(jù)中心由一個或多個服務(wù)器和外設(shè)組成,，其中包括存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)組件和I/O,，以支持云中的HPC,。PCIe于當今的高性能處理器中發(fā)揮作用,，成為在服務(wù)器與外設(shè)之間建立低延時、高速連接的理想總線,。

　　例如,，非易失性存儲器標準（NVMe）專門設(shè)計用于通過PCIe接口與閃存配合使用?；赑CIe的NVMe固態(tài)硬盤（SSD）比使用SATA接口的SSD提供更快的讀/寫速度,。確實,，所有的存儲系統(tǒng),，無論是SSD還是機械硬盤，都無法提供復(fù)雜的AI和ML應(yīng)用所需的性能,。

　　通過PCIe在服務(wù)器中運行的應(yīng)用程序之間提供低延時,，這對云性能的提升有直接幫助。這意味著PCIe將被嵌入到處理器和NVMe SSD以外的組件當中,。它還與許多組件一起,，為云與訪問云的系統(tǒng)之間提供網(wǎng)關(guān)。要注意的是,，雖然汽車本身正在成為移動數(shù)據(jù)中心,，但它們也將成為“智慧城市”之間移動的節(jié)點。

　　從功耗角度來看,，NVMe在數(shù)據(jù)中心的使用也備受青睞,。例如，美國能源部估計一個大型數(shù)據(jù)中心（擁有數(shù)萬臺設(shè)備）需要超過100 MW的電力,，而這足以供8萬戶家庭的電力使用,。而與同等規(guī)模的SATA SSD相比，NVMe SSD消耗的電量不到其三分之一,。

　　在汽車領(lǐng)域,，功耗無疑是一個重要因素，尤其是對于電動汽車（EV）,，會直接影響到續(xù)航里程,。事實上，汽車工程師（尤其是電動汽車設(shè)計師）,，越來越關(guān)注尺寸,、重量和功耗（SWaP）問題。鑒于未來實施ADAS可能需要高達1 kW的功率,，而且還需要液冷系統(tǒng)來進行熱管理,，所以這并不奇怪。

　　但同樣,，我們有機會借鑒其他領(lǐng)域的經(jīng)驗,。幾十年來,，航空航天工業(yè)一直在設(shè)計滿足嚴格的SWaP和成本（SwaP-C）要求的產(chǎn)品，并且電源等液冷線路可更換單元（LRU）已在某些軍事平臺中使用了十多年之久,。

　　從何處開始,？

　　多年以來，數(shù)據(jù)中心一直在發(fā)揮PCIe硬件的優(yōu)勢,，因為它們希望針對不同的工作負載來優(yōu)化系統(tǒng),。它們還擅長開發(fā)采用不同協(xié)議的互連系統(tǒng)；例如,，將PCIe用于對時間要求不高的通信（如以太網(wǎng)用于地理上分散的系統(tǒng)）,。

　　在汽車環(huán)境中，那些“對時間要求不高”的通信包括傳感器之間的遙測和照明控制,。它們不一定需要PCIe,，但在執(zhí)行實時處理且相距僅幾厘米的IC之間，需要使用PCIe來進行短距離,、更高數(shù)據(jù)量的通信,。因此，優(yōu)化的ADAS/AD系統(tǒng)很可能需要囊括以太網(wǎng),、CAN,、SerDes以及PCIe。

　　與以太網(wǎng)不同,，不存在特定的汽車PCIe標準,，但這并沒有限制其近年來在汽車應(yīng)用中的使用。同樣,，航空航天PCIe標準的缺失也沒有阻止大型航空航天/國防企業(yè)（始終致力于追求SWaP-C優(yōu)勢）在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中使用該協(xié)議,。

　　由于解決方案必須針對互操作性和可擴展性進行優(yōu)化，PCIe也在逐漸成為汽車行業(yè)首選的計算機互連解決方案,，為CPU和專用加速器設(shè)備提供超低延時和低功耗的帶寬可擴展性,。雖然還沒有出臺特定的汽車PCIe標準，但半導體供應(yīng)商正在努力讓PCIe進一步在嚴苛的汽車環(huán)境中大放光彩,。

　　圖 3——低延時,、低功耗和連接性能出色的PCIe^?交換芯片

　　例如，2022年,，Microchip推出了業(yè)界首款符合Gen 4要求的汽車級PCIe交換芯片,。這些交換芯片被稱為Switchtec? PFX、PSX和PAX,，可提供ADAS架構(gòu)中分布式,、實時、安全關(guān)鍵型數(shù)據(jù)處理所需的高速互連,。除了這些交換芯片外,，該公司還提供其他基于PCIe的硬件,，包括NVMe控制器、NVRAM驅(qū)動器,、重定時器,、重驅(qū)動器和定時解決方案，以及基于閃存的FPGA和SoC,。

　　最后,，汽車行業(yè)必須考慮的另一件事是數(shù)據(jù)中心將資本支出視為一種對未來年金進行投資的方式。到目前為止,，大多數(shù)汽車OEM一直認為資本支出具有一次性回報（在購買時）,，這對于硬件來說行之有效。誠然,，大多數(shù)OEM會不時對軟件更新收費,，但SDV的商業(yè)模式需要全盤重新考慮,。單純關(guān)注硬件的物料清單成本已不合時宜,。

　　總結(jié)

　　為了提高汽車的自動化水平，汽車需要成為一個高性能計算的“車輪上的數(shù)據(jù)中心”,，處理來自各種傳感器的大量數(shù)據(jù),。慶幸的是，HPC已然成熟,，成為高頻交易（HFT）和云的AI/ML應(yīng)用程序的核心,。經(jīng)過驗證的硬件架構(gòu)和通信協(xié)議（如PCIe）就擺在面前。這意味著汽車制造商可以從數(shù)據(jù)中心的HPC實施方式中受益匪淺,。

　　由于AWS,、Google和其他云服務(wù)提供商多年來一直在開發(fā)和優(yōu)化其HPC平臺，因此大部分硬件和軟件可以在需要時信手拈來,。汽車制造商可以坐享這些現(xiàn)有的HPC架構(gòu),，而不用重新發(fā)明，從零開始來打造解決方案,。

　　參考資料

　　1.https://straitsresearch.com/report/automotive-software-market

　　2.https://www.eia.gov/outlooks/aeo/

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