智能汽车里高等级「功能安全」芯片为何还未普及？

汽车行业正快速朝着智能化的方向发展。汽车的智能化将驱动汽车架构转向中央计算架构。

中央计算能在降低成本的同时提高通信效率，还可以实现远程升级（OTA），让智能汽车也能像智能手机一样持续升级，拥有更好的智能化体验。既然是中央计算，芯片的安全性和性能都尤为重要。

“随着自动驾驶接管车辆的时间越来越长，汽车芯片的功能安全将无法忽视。”Imagination Technologies车载GPU产品线的产品总监章政指出，“在车上用消费级芯片只是短期过渡。”

目前大量的智能汽车虽符合国家的法规要求，但考虑成本等多方面的因素，满足的是系统级安全，整车符合汽车安全要求，但使用了一些消费级芯片，而非高等级的功能安全芯片，这是为什么？

最核心的原因还是因为成本，传统方式要实现功能安全，会带来成倍的成本增加，阻碍了高功能安全等级的汽车芯片普及。

近期Imagination发布了业界高等级功能安全和最高性能的汽车GPU IP DXS。

通过创新的分布式安全机制，Imagination DXS GPU对性能的影响几乎为零，芯片面积的代价估计仅为10%，实现了ASIL-B功能安全等级。

并且Imagination DXS GPU IP，峰值性能比Imagination上一代汽车GPU提高了50%，可扩展至192 GPixel/s、6 TFLOPS和 24 TOPS，AI性能更是有高达10倍的提升。

Imagination的全新产品无疑将推动高功能安全等级车载芯片在智能汽车中的普及。

用10%的芯片面积代价，实现高等级功能安全

所谓功能安全，指的是确保芯片按照设计的功能运行。如果芯片不能按照汽车设计的功能执行，可能会威胁到驾驶员、乘客、路人的安全。

要达到功能安全，就要付出一定的成本，比如招聘有经验的设计人员，执行严格的功能安全研发流程，进行安全认证等。

对于芯片来说，实现功能安全最重要的成本来自增加的芯片面积，因为所有新功能的实现，都需要增加芯片面积。

实现汽车芯片功能安全有两种常见的方式，一种双核锁步法，另一种是工作负载重复法。

双核锁步法用两个相同的逻辑单元实现同一个功能，同时执行任务比较结果是否一致，如果一致说明逻辑运行正确。通过双核锁步法实现功能安全的代价是多一倍的芯片面积。

工作负载重复法，就是把同一个工作执行两次，对比两次的结果是否一致，这种方法可以避免随机错误，但难以避免长期错误，并且因为要进行两次重复的工作，相当于性能降低为二分之一。

无论是双核锁步法增加一倍的芯片面积，还是工作负载重复法相同的芯片面积性能降低一半，实现功能安全的代价都是十分高昂，自然难以普及。

自动驾驶逐步普及之后，汽车芯片的功能安全就难以被忽略。如何才能用最小成本实现高等级功能安全？

Imagination DXS开创性地实现了仅增加10%的芯片面积，对GPU的性能几乎零影响，通过分布式安全机制实现了ASIL-B功能安全。

根据ISO 26262汽车安全完整性等级（ASIL）体系，ASIL-A等级的要求最低，ASIL-D等级的要求最全面。

“今天我们可以轻松达到ASIL-B，这个等级基本可以满足L2级自动驾驶的需求。如果需要更高功能安全等级，可以通过2个ASIL-B系统交叉确认实现。未来我们会进一步提高安全等级。”章政告诉雷峰网(公众号：雷峰网)。

Imagination DXS能够以足够小的代价，实现足够高的功能安全等级的核心是利用了处理器固有的并行性，以及任何线程都不会被完全利用的事实。

也就是说，DXS会利用一个GPU线程等待的时间，插入安全测试，使用相同的安全测试在另一个线程等待时插入，执行完成后对比结果是否一致。

这是DXS实现高等级功能安全逻辑模块的功能安全，也是实现整个功能安全的难点所在，需要能够迅速在模块中定位错误，这只是实现功能安全的其中一半。

DXS另一半的功能安全是内存，包括Cache或SRAM。章政介绍Imagination会通过ECC、parity或者CRC校验，保证内存的功能正确。

Imagination通过独特的分布式安全机制（DMS），利用空闲时不停发送很小的测试向量，在ASIL标准设定的时间范围内识别故障，实现高等级功能安全。

DXS在执行安全相关的任务时，效率是同级别竞品的2倍，再借助分布式功能安全机制，DXS的优势还能翻倍。

Imagination已经为这个机制申请了专利。章政说，“DSM机制不仅可以用于车载电子，对于功能安全要求高的其它的领域，比如航空、医疗和工业，也都适用。” 

AI性能的数量级提升

对于自动驾驶汽车芯片，与功能安全同样重要的是高性能。因为自动驾驶仍在不断发展，智能化功能在不断扩展，高性能和可扩展性都非常重要。

得益于增加了一个新的SPU单元，使用5nm节点，算力可从单核0.25 TFLOPS的配置，扩展到1.5 TFLOPS的处理能力，DXS的性能相比上一代XS整体提升了50%。

Imagination为SPU做了很多优化工作，比如增加了2D双速纹理处理（2D dual-rate texturing），更新了固件处理器（firmware processor），新增了可变分辨率渲染（fragment shading rate）。

整体而言，对于渲染类任务，DXS单位面积的性能高出竞品2倍。对于以计算为中心的图形处理任务，DXS单位面积性能高出竞品28%左右。

自动驾驶芯片的AI性能也值得单独关注，这是实现更高级别自动驾驶的关键所在。

4核配置的DXS，用于FP16半精度浮点计算时，DXS能提供12 TFLOPS的性能；用于int8计算时，DXS能提供254TOPS。

“这是运行在1GHz主频上的数据，如果芯片设计公司后端能力够强，DXS可以运行在1.2GHz甚至1.5GHz的主频，其性能将更高。”章政表示，“我们研究发现，大部分AI负载FP16的精度就足够满足要求，FP32确实有更高精度，但带宽会增加一倍，系统可能没办法提供这么高的带宽。当然我们的DXS也支持FP32。”

带宽也是限制汽车ADAS实现的重要原因， Imagination DXS增加了片上存储，尽量把所有计算都控制在一个GPU内，大幅降低系统的带宽需求。

不过对于发挥芯片的AI性能，上层的软件同样关键。

由于GPU的人才相对匮乏，为了让开发者充分利用GPU的性能，Imagination开发了一系列库，比如几何库、BLAS库（imgBLAS），专门的CNN 库（imgNN），还有专门处理车载工作的库，如处理雷达数据需要的FFT库（imgFFT）。

Imagination的目标是帮助软件开发人员实现高达80%的GPU利用率。

这些库与新的参考工具包oneAPI和TVM相结合，构成了一个基于开放标准的实用软件栈，软件开发人员可以利用该软件栈轻松地将其计算应用移植到基于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达近10倍。其中，硬件性能大概提升了50%，所以更大的的提升来自软件的支持和协同。

“计算库提升了2-4倍的性能，采用双速率FP16带来了3倍提升，所以DXS在典型工作负载上带来了6-12倍的性能提升。”章政表示，“DXS大模型、路况视觉观察、驾驶员行为监测、激光雷达系统数据处理等方面已经具备了商用能力。DXS覆盖从座舱到L2/L3自动驾驶的需求，DXS 8-256 MC1主要用于低成本的HMI应用，最高端的IMG DXS-48-1536 MC4满足ADAS的这个需求。”

不同的公司可以根据产品定位，灵活选择合适的配置，甚至可以在下一代产品更新时增加一个新的GPU模块。

这就离不开DXS硬件和软件的灵活性。

为了应对高端制程大芯片良率越来越低的挑战，DXS原生支持小芯片（Chiplet）封装，这得益于Imagination内核之间的低带宽总线和对隔离的支持。

软件层面，基于硬件的虚拟化技术使Imagination GPU能够同时运行8个操作系统，并通过完全的内存隔离，实现完全安全的GPU多任务处理。

目前Imagination的汽车GPU支持OpenGL ES、Vulkan、OpenGL和OpenCL。它们可运行流行的汽车操作系统，如QNX和Green Hills软件公司的INTEGRITY RTOS，以及Linux和Android。

随着高安全等级且高性能DXS的发布，高功能安全的汽车芯片的普及将扫清障碍。