在高速演變的汽車(chē)行業(yè)中體現(xiàn)FPGA價(jià)值

當(dāng)前，全球汽車(chē)業(yè)正在步入以智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化、共享化為代表的“新四化”時(shí)代。IHS Markit的數(shù)據(jù)顯示，到2023年，汽車(chē)電子系統(tǒng)總額將高達(dá)1800億美元，平均每輛汽車(chē)會(huì)使用500美元以上的半導(dǎo)體器件，增幅最大的應(yīng)用分別來(lái)自高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和車(chē)載娛樂(lè)信息系統(tǒng)。

新變化帶來(lái)新要求

目前汽車(chē)行業(yè)的技術(shù)和架構(gòu)都正在經(jīng)歷一個(gè)快速演變的過(guò)程，這一現(xiàn)象背后很重要的推手之一，就在于整車(chē)廠越來(lái)越意識(shí)到來(lái)自不同tier 1廠商的ECU之間彼此缺乏關(guān)聯(lián)，他們不得不投入大量時(shí)間和資金加以整合，使得整合ECU成為一件“極為辛苦的工作”。但網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)和自動(dòng)駕駛的快速發(fā)展正在改變這一現(xiàn)狀——在今后的設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的分布式方案將被集成式方案取代，包括ECU、傳感器在內(nèi)的硬件會(huì)得到高度整合；汽車(chē)OEM會(huì)更關(guān)注客戶(hù)在接口軟件層面上的創(chuàng)新，以及為終端客戶(hù)提供差異化產(chǎn)品的能力。

在智能座艙領(lǐng)域，以特斯拉為代表的造車(chē)新勢(shì)力正通過(guò)將儀表板、信息娛樂(lè)系統(tǒng)和屏幕顯示進(jìn)行高度集成，使得一塊屏幕上需要展示的內(nèi)容日趨豐富，加之不同品牌車(chē)型間的顯示器尺寸并不統(tǒng)一，從而對(duì)圖像的分區(qū)切割顯示和多元化融合提出了較高要求。但這對(duì)低功耗FPGA產(chǎn)品而言并非難事，很多車(chē)廠目前都在利用其可編程、并行處理能力強(qiáng)、功耗低、散熱少的特點(diǎn)，加速引入相關(guān)FPGA平臺(tái)。

同時(shí)，隨著車(chē)載顯示大屏化、多屏化、高清化和多形態(tài)化趨勢(shì)日趨明顯。很多新車(chē)搭載的屏幕數(shù)量均突破了2塊，部分車(chē)型甚至達(dá)到了4-5塊。隨著車(chē)內(nèi)顯示屏數(shù)量和尺寸的增加，人們對(duì)顯示質(zhì)量提出了新的要求，希望能夠獲得更高的色域，更高的對(duì)比度等等。特別是為了緩解里程焦慮，如何提升大尺寸屏幕效率，使之更省電，會(huì)是未來(lái)幾年行業(yè)面臨的共同課題。

車(chē)載視覺(jué)系統(tǒng)和人工智能技術(shù)現(xiàn)在也被大量應(yīng)用于駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(DMS)、車(chē)艙內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)(IMS)中，包括：監(jiān)測(cè)駕駛員的疲勞、注意力渙散或損傷；監(jiān)控乘客，確保兒童/寵物不會(huì)被無(wú)意中鎖在車(chē)內(nèi)，或是包、手機(jī)和錢(qián)包等物品不會(huì)無(wú)意中遺忘在車(chē)內(nèi)。

因此，ISP圖像增強(qiáng)會(huì)是極具前景的應(yīng)用之一。例如，對(duì)目前在汽車(chē)中大量使用的LCD屏幕，FPGA可以作定制的背光優(yōu)化，以提升視覺(jué)效果和節(jié)約能耗。同時(shí)，為了支持車(chē)載4K顯示，F(xiàn)PGA對(duì)高速數(shù)據(jù)處理、接口也進(jìn)行了廣泛的支持，包括1.5G-2.5Gbps MIPI、HDMI、DisplayPort等。

而在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)應(yīng)用中，最新數(shù)據(jù)顯示，一輛L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛車(chē)輛將至少配置16個(gè)以上的各型傳感器，由于主處理器需要連接不同的傳感器接口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而且汽車(chē)接口也尚未實(shí)現(xiàn)真正標(biāo)準(zhǔn)化，所以利用FPGA的可編程特性對(duì)不同傳感器進(jìn)行聚合/橋接，或是實(shí)現(xiàn)I/O接口擴(kuò)展，也是新趨勢(shì)之一。同時(shí)，考慮到汽車(chē)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)可能需要5-10年的時(shí)間，方案是否具備可拓展性也左右著用戶(hù)的選型決心。

另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域來(lái)自電動(dòng)汽車(chē)，尤其是伴隨著碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體的廣泛使用，傳統(tǒng)DSP甚至多核DSP控制的精度越來(lái)越難以滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)對(duì)驅(qū)動(dòng)控制的時(shí)效和正確度要求的提升，而FPGA作為替代方案正在被大量使用。

安全性同樣需要引起高度關(guān)注。越來(lái)越多傳感器、自動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)連接的出現(xiàn)，在給汽車(chē)帶來(lái)智能化、便捷化、舒適化體驗(yàn)的同時(shí)，也讓系統(tǒng)更加容易遭受惡意攻擊。OEM廠商必須要能夠即時(shí)檢測(cè)到漏洞并防止網(wǎng)絡(luò)攻擊，還需要電子系統(tǒng)能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境中穩(wěn)定安全運(yùn)行。對(duì)半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)，增加硬件安全引擎，使之能夠在遭到未經(jīng)授權(quán)的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)對(duì)固件進(jìn)行保護(hù)、檢測(cè)和恢復(fù)，就顯得更為關(guān)鍵。

加速開(kāi)發(fā)下一代汽車(chē)應(yīng)用

CertusPro-NX汽車(chē)級(jí)FPGA系列產(chǎn)品，是萊迪思日前面向車(chē)載信息娛樂(lè)(IVI)系統(tǒng)高速視頻互連、5GbE車(chē)載網(wǎng)絡(luò)(IVN)和ADAS傳感器數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用，推出的擁有領(lǐng)先的低功耗、高性能以及同類(lèi)產(chǎn)品最小尺寸的FPGA新品。

但這并不是萊迪思在汽車(chē)領(lǐng)域的首次嘗試。事實(shí)上，面向汽車(chē)照明、信息娛樂(lè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程信息處理等通用需求、高速視頻和傳感器、汽車(chē)設(shè)計(jì)中的平臺(tái)管理和安全應(yīng)用三大方向，萊迪思依次布局了ECP/Certus系列、CrossLink系列和MachXO系列模塊化硬件平臺(tái)，并與Radiant、DIAMOND、Propel設(shè)計(jì)環(huán)境、以及mVision、Automate和sensAI解決方案集合一起，構(gòu)建起了完整的“模塊化硬件平臺(tái)+參考設(shè)計(jì)+神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)IP核+定制設(shè)計(jì)服務(wù)”矩陣，用以加速并簡(jiǎn)化汽車(chē)相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和上市時(shí)間。

作為Nexus家族的第四款產(chǎn)品系列，CertusPro-NX主要是為了滿(mǎn)足智能系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)協(xié)同處理、5G通信基礎(chǔ)設(shè)施中的高帶寬信號(hào)橋接、以及ADAS系統(tǒng)中的傳感器接口橋接等創(chuàng)新應(yīng)用需要而推出的，并在功耗設(shè)計(jì)、系統(tǒng)帶寬、邊緣處理、可靠性、封裝多樣性等多個(gè)方面得到了進(jìn)一步提升。

之所以選擇這樣的設(shè)計(jì)思路，是因?yàn)閺漠?dāng)前的行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備的智能化程度正在大幅提高，它們一方面需要更高的接口帶寬以便于快速傳輸數(shù)據(jù)，另一方面又需要更多小尺寸的系統(tǒng)集成和便于優(yōu)化散熱管理的低功耗方案。

與競(jìng)品相比，CertusPro-NX汽車(chē)級(jí)器件不僅擁有行業(yè)領(lǐng)先的能耗效率和可靠性，還在超小的封裝尺寸中提供了行業(yè)最佳的系統(tǒng)帶寬，且是同類(lèi)產(chǎn)品中唯一支持LPDDR4外部存儲(chǔ)器的FPGA產(chǎn)品。CertusPro-NX汽車(chē)級(jí)器件支持高達(dá)8.1Gbps的SERDES、高達(dá)96k的邏輯單元，擁有同類(lèi)產(chǎn)品中最多的片上存儲(chǔ)器資源，從而實(shí)現(xiàn)的高效處理。

憑借對(duì)高速SERDES的支持，CertusPro-NX汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品還增加了很多獨(dú)特的功能，支持橋接信息娛樂(lè)系統(tǒng)SoC的視頻輸入以及圖像質(zhì)量增強(qiáng)功能，包括局部調(diào)光，F(xiàn)PGA直接視頻處理，支持嵌入式顯示端口。該系列器件可以分擔(dān)系統(tǒng)的視頻增強(qiáng)功能，同時(shí)添加更多連接功能(如下圖所示)。

通過(guò)利用萊迪思在FPGA架構(gòu)方面的創(chuàng)新和28nm低功耗FD-SOI制造工藝，CertusPro-NX器件的功耗比同類(lèi)競(jìng)品FPGA低四倍。通過(guò)改變基底的偏壓，開(kāi)發(fā)人員可以自由選擇采用高性能(HP)還是低功耗(LP)模式運(yùn)行。

CertusPro-NX FPGA支持多達(dá)8個(gè)可編程SERDES通道，速度高達(dá)8.1Gbps，提供同類(lèi)產(chǎn)品中最高的系統(tǒng)帶寬(是同類(lèi)競(jìng)品FPGA的兩倍之多)，并支持主流的通信和顯示接口，如10Gigabit Ethernet、PCI Express、SLVS-EC、CoaXPress和DisplayPort。

CertusPro-NX FPGA的設(shè)計(jì)面積僅為81mm²，比競(jìng)品器件小6.5倍，例如擁有相同邏輯單元的Xilinx Artix-7 100K LC的尺寸面積為529mm²，是CertusPro-NX的6.5倍；而尺寸面積為121mm2的Intel Cyclone V GT 77K LC，邏輯單元僅有77K。這樣的小尺寸設(shè)計(jì)對(duì)于汽車(chē)、工業(yè)攝像頭或通信系統(tǒng)中使用SFP模塊的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。

此外，考慮到汽車(chē)、工業(yè)和通信領(lǐng)域的關(guān)鍵型應(yīng)用必須有高的可靠性，實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)的性能并確保用戶(hù)安全，萊迪思將CertusPro-NX器件抗軟錯(cuò)誤能力提高了100倍，并可在-40℃至125℃的結(jié)溫范圍內(nèi)正常工作。同時(shí)，為了保護(hù)其位流免于未經(jīng)授權(quán)的訪(fǎng)問(wèn)，CertusPro-NX FPGA還支持AES-256加密和橢圓曲線(xiàn)數(shù)字簽名算法(ECDSA)位流身份驗(yàn)證。這意味著，CertusPro-NX FPGA能夠以合理的商業(yè)成本為下一代通信、嵌入式、工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用帶來(lái)極高的可靠性，幫助系統(tǒng)時(shí)刻保持在線(xiàn)，保障最終用戶(hù)的安全。

CertusPro-NX FPGA的上述特性和優(yōu)勢(shì)現(xiàn)已通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證，可供汽車(chē)制造商使用。首發(fā)器件CPNX-100K擁有96K的邏輯單元數(shù)量，EBR(嵌入式memory)和大型RAM分別達(dá)到3.7Mb和3.6Mb，18×18 DSP與PLL數(shù)量最高可達(dá)156個(gè)和4個(gè)，并支持10GE PCS、PCIe Gen 3、SGMII CDR、ADC等硬核模塊，預(yù)計(jì)將于2023年Q1實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

自面世以來(lái)，CertusPro-NX一直被萊迪思視作主流FPGA市場(chǎng)的“新標(biāo)桿”，有機(jī)會(huì)通過(guò)PCIe Gen3和LPDDR4等新技術(shù)來(lái)鞏固其市場(chǎng)地位，更好地服務(wù)于汽車(chē)、5G基站、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器視覺(jué)等新興市場(chǎng)。