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智能座舱任重道远,差异化提升舒适度与安全性

当今,汽车对快速存储及处理大量数据的要求越来越高,主机厂一直面临着整合处理能力、保证数字系统流畅运行和成本竞争等方面的压力。现在,新的趋势再次出现,车载信息娱乐系统(IVI)引人入胜的高分辨率屏幕和功能越来越像智能手机,设计人员将车载信息娱乐系统与仪表盘集成,以便实现符合功能安全要求的更为关键的系统。

当今,汽车对快速存储及处理大量数据的要求越来越高,主机厂一直面临着整合处理能力、保证数字系统流畅运行和成本竞争等方面的压力。现在,新的趋势再次出现,车载信息娱乐系统(IVI)引人入胜的高分辨率屏幕和功能越来越像智能手机,设计人员将车载信息娱乐系统与仪表盘集成,以便实现符合功能安全要求的更为关键的系统。

文︱立厷

图︱网络

尽管自动驾驶(AD)风头正盛,但实现起来任重道远,能够逐步落地的莫过于ADAS(高级驾驶辅助系统)和功能丰富的智能座舱,这是当下主机厂打造用户更好驾乘体验的关键,也是半导体产品增长的主要推动力。

现在,汽车驾驶舱和IVE(In-Vehicle Experience车内体验)已成为影响消费者购买决策和主机厂品牌差异化的主要因素。消费者希望能够顺畅联网访问信息,获得类似智能手机的无缝体验,为喜爱的所有手机应用提供本地车载支持;用数量越来越多、尺寸越来越大的高分辨率显示屏支持这些应用,提供身临其境的感受。

主机厂认识到,人们关注的重点已从实际驾乘体验转向基于个人品味、娱乐和工作效率的体验,各种座舱功能需求将使车内体验创新有增无减。智能座舱需要的半导体器件包罗万象,有传统的,也有创新的,这里介绍几类现在流行车载应用用到的几种器件,其对IVE的作用不可小觑。

差异化提升舒适度与安全性

对于主机厂而言,要在当今激烈的市场竞争中脱颖而出,除了依靠车辆的出色效能外,还要打造差异化的智能座舱来提升驾乘人员的舒适度与安全性。Melexis(迈来芯)是一家以汽车半导体为主的半导体厂商,正在践行“让驾乘人员在汽车座舱中享受现代化起居室般体验”的设计理念。

顺应汽车座舱智能化的变革趋势,Melexis的芯片带来了众多创新功能,既包括用户看得见的“外在”创新,也包括隐藏在发动机罩下“内在”创新。

Melexis自主研发的飞行时间(ToF)3D传感器技术可实现驾驶员监测(疲劳监测、视线监测)、手握方向盘检测或者座椅占用监测(安全带检测、小孩留在车中)等各项新功能,进一步提升安全性。

智能座舱任重道远,差异化提升舒适度与安全性

车内ToF记录3D深度视频流与近红外2D对比

备受高端主机厂和用户青睐的手势控制可以3D ToF摄像头带来全新体验。用户只需通过简单的手势即可调节收音机音量和接听电话,或者靠近某个特定的区域时自动开启车内照明。采用VGA(680×480像素)分辨率的3D摄像头芯片MLX75027,仅1个摄像头即可实现多项车内感应用例。

车内照明对安全性和舒适度至关重要,氛围照明和智能动态照明已成为未来趋势。主机厂只需在汽车中安装Melexis的创新产品即可实现氛围灯控制,进一步提升乘员舒适度。此外,车内照明还能够为汽车带来重要功能,特别是在走向自动驾驶的过程中。届时,乘员将无需亲自操控汽车,不必时刻关注路面情况,智能照明将有助于汽车与乘员之间的交互。例如,当遇到危险时,智能座舱会迅速将氛围灯调为红色以引起乘员注意。

除了用户看得见的创新示例,发动机罩下隐藏的众多创新功能同样值得关注。例如,线控功能在油门和换档器中的应用已有数年之久。线控油门可提高燃油经济性、实现精准控制并提升可靠性,通过安装Melexis的线性和角度传感器芯片即可实现这类应用。这类传感器芯片采用小尺寸封装,具备高等级功能安全性。线控转向和制动目前也已进入早期开发阶段,Melexis的传感器芯片可以确保稳定的抗杂散场能力与冗余安全操作,让智能座舱有望搭载线控功能。这方面的主角是磁场位置传感器IC,尤其是采用Triaxis? 技术的芯片将为智能座舱带来许多创新的解决方案。

智能座舱任重道远,差异化提升舒适度与安全性

Triaxis? 的汽车应用

赋能多屏智能座舱与自动驾驶

电动汽车(EV)已成为一种趋势,但其本身就是问题所在,作为未来交通出行的主流工具,即使是在入门级电动汽车中,也可以看到屏幕特别是高分辨率屏幕越来越多,而ADAS和自动驾驶功能也会集成在车辆当中。

随着显示屏亮度的增加和分辨率的提高,不仅需要更高的电源功率,还需要功能更加强大的图形处理器(GPU)。这就带来了一个问题,传统GPU功能强大,但功率效率并不高,这意味着可能会对电动汽车电池产生明显的影响。

对于自动驾驶功能,虽然GPU或CPU可以处理神经网络和AI工作负载,但它们在边缘侧的处理效率也不高。因此,人们往往要借助于神经网络加速器(NNA),在保证低功耗的同时实现相同甚至更好的表现。

以上问题表明,处理器的功耗越来越大,需要寻找一种最佳且最切实际的方法来实现预期功能。在汽车专用半导体IP方面拥有悠久历史的Imagination认为,任何管道都可以作为排气管,但是从成本和效率的角度看,专门为执行这项工作而设计的管道始终是最佳的解决方案。目前,全球超过40%的车辆搭载了Imagination的GPU或NNA,为从车载显示器到ADAS及通用计算等车载应用提供支持。

Imagination最新一代汽车专用多核GPU IMG BXS从一开始就着眼于解决显示分辨率和尺寸增加的问题。BXS采用类似手机GPU的嵌入式架构,可实现无与伦比的功耗、性能和面积(PPA)指标,这意味着它是非常高效且成本合理的产品。

智能座舱任重道远,差异化提升舒适度与安全性

MG BXS的功耗性能比

不仅功能更强大,它还符合ISO 26262安全标准以及ASIL-B等级的要求。这意味着它可以用于信息娱乐和非关键型显示,也可以为屏幕上的速度表、档位指示器和警示灯等安全关键型显示提供支持。

IMG BXS之所以可以高效地实现应用功能,得益于其独特的分块区域保护(TRP)设计,它的显示区域分成多个区块,可以动态指定哪些区块是安全关键型应用,哪些区块是其他应用。这意味着GPU只需要对显示的一小部分而非整体进行特定的安全验证,这样,安全性得以保证,也不会影响性能。

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TRP设计符合ISO 26262安全标准

IMG Series4 NNA是面向汽车自动驾驶的多核神经网络加速器。它能够无限扩展,以满足自动驾驶超过500TOPS(每秒万亿次操作)的算力需求,同时不需要大的芯片面积和大量功耗。

在自动驾驶工作负载中,低延迟对于保证车辆及时做出决策至关重要。借助正在申请专利的Imagination Tensor Tiling(ITT)算法,NNA无需多次向外部存储器传输数据,即可对数据进行处理。这将使延迟降低高达90%,并允许在一颗小的独立芯片上处理更大量的数据。

什么是Tensor Tiling(张量平铺)?Imagination解释说,在电动汽车中,每一个焦耳都很重要,而从外部存储器存取资料就是主要功耗之一。这就是未来将启用ADAS和自动驾驶平台的AI芯片设计人员关心系统中消耗了多少带宽的原因。

在这些系统中,要依赖各种处理(如语音识别、多摄像机/传感器对象检测和跟踪)实现高性能神经网络推理,这通常为SoC内部内存带宽带来了巨大的压力。由于SoC内部的带宽非常宝贵,因此节省的每一位都可以降低功耗,并有助于扩展汽车的续航里程。

张量很大的多维阵列信息元是神经网络中使用的主要关键结构。传统上,这些操作需要频繁重复地从主存储器存取,这会消耗大量的带宽和功率。Imagination Tensor Tiling技术可有效地把张量分为多个区块(tile)并分组更高效地进行处理,结合IMG Series4神经网络加速器(NNA)中的片上存储器,可显著降低功耗,节省芯片面积并降低成本。

智能座舱任重道远,差异化提升舒适度与安全性

有无Tensor Tiling对比

据说,当与装载了Imagination以太网数据包处理器的路由器和交换机一起使用时,该技术可以实现目前电动汽车领域最强大、功率效率最高的计算解决方案之一。

智能座舱还需要高性能存储器

当今,汽车对快速存储及处理大量数据的要求越来越高,主机厂一直面临着整合处理能力、保证数字系统流畅运行和成本竞争等方面的压力。现在,新的趋势再次出现,车载信息娱乐系统(IVI)引人入胜的高分辨率屏幕和功能越来越像智能手机,设计人员将车载信息娱乐系统与仪表盘集成,以便实现符合功能安全要求的更为关键的系统。

这样做主要是为了降低成本和简化架构,加速实现产品创新。尽管这种集成是有益的,但也要考虑功能安全的要求。仪表盘中的某些信息用于提醒驾驶员注意车辆功能,其中一部分信息可能会对车辆和乘客安全产生影响,因此需要符合严格的合规要求。

另外,随着IVI系统的集成,集中式存储在交互式座舱中变得越来越重要。IVI系统架构通常是与仪表盘架构分开的。尽管目前已有主机厂为增强用户体验做出了不懈的努力,但还是未能跟上消费者期待的创新水平——类似智能手机的体验。我们面临的一个关键挑战是:无法在车辆交付后重新配置和更新系统。

基于对汽车市场以及内存安全应用重要作用的深入了解,Micron(美光)与汽车客户紧密合作,为支持ADAS、车载信息娱乐、数字化座舱和机器学习的系统架构设计内存。这种合作通常从产品的系统架构定义阶段的早期即已开始,一直延伸到客户、合作伙伴产品的设计、测试和部署阶段。

Micron近期推出了业界领先的汽车功能安全内存系列解决方案——低功耗DDR5 DRAM(LPDDR5)内存,是为下一代IVI应用的理想解决方案。它满足最高级别的汽车安全完整性等级标准,进一步彰显了Micron 30年来致力于为汽车市场提供功能安全解决方案的承诺。

Micron的LPDDR5产品附有硬件评估报告,由独立的第三方、业界公认的咨询公司exida进行评估。根据exida的分析结论,该产品适用于最高级别系统,包括等级最为严格的ASIL-D。

集中式存储有利于实现功能系统之间的数据共享,也是创造交互式和个性化用户体验的基础,而这正是消费者期待的车内体验,同时可以提供丰富的功能,包括高速、功能数据隔离、加密数据保护、安全远程重新配置等,位密度单价(price-per-density)也和分立式存储设备差不多,这将显著改变未来的设计格局,带来更多可能性。除了消除了设计冗余之外,由于采用了小尺寸封装,其需要的PCB面积也很小。

LPDDR5不光是一种型号,也是一种标准。对于车用LPDDR5来说,它首先符合JEDEC(固态技术协会)对LPDDR5的标准要求,也符合车用标准。

随着ADAS和自动驾驶技术应用的日益普及,数据采集和高效处理能力正逐渐成为汽车创新的关键。如今,伴随数据密集型汽车技术的崛起,配备ADAS的车辆运行代码已超过1亿行,每秒需进行高达数百万亿次的数据处理,与数据中心相仿。LPDDR5能将数据访问速度提高50%,能效提升20%以上,从而有效应对这些需求。这使智能汽车能够近乎实时地处理和决策来自多个传感器和数据源的数据,例如雷达、激光雷达、高分辨率成像、5G网络和光学图像识别等。

智能座舱任重道远,差异化提升舒适度与安全性

DDR5的性能提升

LPDDR5的高能效有助于汽车的高性能计算,同时大幅降低电动汽车和传统汽车的能耗,从而实现更加环保的交通出行,减少尾气排放。Micron的车用LPDDR5还加强了稳固性,可应用于极端温度范围,符合多种汽车可靠性标准,包括美国汽车电子协会的AEC-Q100规范和国际汽车工作组的IATF 16949标准。通过功能安全评估的独特DRAM有助于加快智能安全汽车上市。

为了满足更高的安全要求,LPDDR5包含稳健的安全机制,可在运行期间检测和控制内存错误,系统集成商还可选择部署更多机制,从而进一步降低风险。

据了解,集中式存储和汽车级SSD解决方案将应用于2023年及以后的下一代架构中。这项创新不仅适用于IVI,还适用于主要主机厂及合作伙伴的自动驾驶和中央计算架构。

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