高性能、高安全：Imagination DXS GPU 重塑車載計(jì)算

 在近期（2024年9月11日）舉行的發(fā)布會(huì)上，Imagination Technologies 推出了其最新的 GPU IP 產(chǎn)品，強(qiáng)調(diào)了在功能安全和計(jì)算性能方面的重大突破。Imagination車載GPU產(chǎn)品總監(jiān)，章政先生向業(yè)界介紹了公司最新研發(fā)的車載 GPU 產(chǎn)品——DXS GPU。他表示，該產(chǎn)品專為汽車市場(chǎng)設(shè)計(jì)，以滿足不斷增長(zhǎng)的自動(dòng)駕駛和智能座艙的需求。而這款新一代 GPU 將為汽車市場(chǎng)帶來更智能的駕駛體驗(yàn)、更迅速的人機(jī)交互以及更豐富的娛樂功能，同時(shí)降低能耗。

章政先生表示，車載市場(chǎng)正以每年8%到10%的速度快速增長(zhǎng)，尤其在ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）和車內(nèi)人機(jī)界面 (HMI) 領(lǐng)域。隨著電氣化的推進(jìn)，越來越多的新玩家進(jìn)入市場(chǎng)，OEM 和 ODM 廠商也開始自主研發(fā)芯片，以滿足對(duì)高性能計(jì)算的需求。

傳統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域的芯片廠商也紛紛切入汽車市場(chǎng)，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。而在傳統(tǒng)的汽車架構(gòu)之中，一般都采用分布式 ECU（電子控制單元）控制各個(gè)模塊，存在升級(jí)困難、布線復(fù)雜、成本高昂等問題。隨著電氣化的發(fā)展，汽車架構(gòu)正逐漸向中央計(jì)算和虛擬化轉(zhuǎn)變。通過虛擬化技術(shù)，可以將多個(gè) ECU 功能整合到一個(gè)計(jì)算單元中，并通過遠(yuǎn)程升級(jí) (OTA) 方式不斷更新功能，提升用戶體驗(yàn)。

在當(dāng)前的車載市場(chǎng)的大背景之下，章政進(jìn)一步談到，Imagination作為一家擁有39年歷史的IP公司，一直致力于圖形處理器技術(shù)的研發(fā)。特別是在車載行業(yè)，Imagination已深耕超過二十年，自2004年與瑞薩合作推出首款車載產(chǎn)品以來，其GPU產(chǎn)品出貨量已達(dá)130億顆，其中3.95億顆器件被安裝在車輛中。

多年的技術(shù)積累讓Imagination在數(shù)字座艙、安全儀表盤和后排娛樂等方面提供了類似智能手機(jī)的視覺體驗(yàn)，同時(shí)在功能安全和多任務(wù)處理方面為傳統(tǒng)和新興車廠提供了卓越的用戶體驗(yàn)。Imagination的GPU架構(gòu)之所以在汽車領(lǐng)域受到歡迎，是因?yàn)樗軌驖M足車輛座艙顯示和自動(dòng)駕駛計(jì)算的雙重需求。PowerVR GPU原生支持多達(dá)8個(gè)虛擬機(jī)，可以完成車上所有任務(wù)，同時(shí)提供高效的渲染和高性能的計(jì)算能力。不僅如此，Imagination與合作伙伴長(zhǎng)期在功能安全領(lǐng)域投入，推出了針對(duì)汽車需求的XS產(chǎn)品線。該產(chǎn)品線不斷推出新功能，以更靈活的方式滿足功能安全需求，提高效率和安全性。研發(fā)過程遵循嚴(yán)格的V字型流程，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

在回顧了Imagination的技術(shù)積累和車載市場(chǎng)的發(fā)展之后，章政向各位隆重介紹了本次線下會(huì)的全新產(chǎn)品——Imagination DXS GPU。章政表示，新一代車載GPU產(chǎn)品將給汽車消費(fèi)者帶來更智能的駕駛，更迅速的交互、更豐富的娛樂以及更低的電力消耗。

DXS GPU代表了Imagination在車載GPU領(lǐng)域的最新成就，它不僅是一款高性能的圖形處理器，能夠支持車內(nèi)所有屏幕的娛樂和交互需求，而且在硬件性能上比前一代產(chǎn)品提升了50%。DXS GPU的推出，標(biāo)志著Imagination在AI性能上的提升也遠(yuǎn)超50%。

DXS GPU的設(shè)計(jì)理念完美契合了當(dāng)前汽車架構(gòu)從分布式向中央計(jì)算轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。它不僅提供了超越CPU的計(jì)算性能，而且在編程靈活性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了NPU和加速器SoC，這使得DXS GPU成為高性能中央計(jì)算的理想選擇。

DXS GPU最引人注目的創(chuàng)新之一是其全新的功能安全解決方案——分布式安全機(jī)制（DSM）。這一機(jī)制幾乎完全消除了傳統(tǒng)功能安全方案在性能和芯片面積上的損失，為車載GPU的安全性能樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)。在車載應(yīng)用中，功能安全是至關(guān)重要的。它確保了車輛的電子系統(tǒng)能夠在各種條件下穩(wěn)定運(yùn)行，從而保障駕駛員、乘客和行人的安全。DXS GPU通過其創(chuàng)新的分布式安全機(jī)制，不僅提升了GPU的性能，同時(shí)也確保了功能安全，這對(duì)于自動(dòng)駕駛和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的發(fā)展具有重要意義。

提到安全，如今隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)，功能安全成為汽車行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。章政表示，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)往往缺乏真實(shí)場(chǎng)景中的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)因素，例如行人、障礙物等。然而，當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車駛上街頭，功能安全變得至關(guān)重要，它直接關(guān)系到人員安全和車輛可靠性。

功能安全的核心目標(biāo)是確保自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在面對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，能夠按照預(yù)定的安全策略執(zhí)行，避免發(fā)生事故。任何自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)的偏差，都可能導(dǎo)致無法預(yù)料的后果，這對(duì)于企業(yè)、家庭和個(gè)人都是無法承受的損失。因此，功能安全已成為汽車領(lǐng)域不可或缺的重要趨勢(shì)。

功能安全并非一刀切的標(biāo)準(zhǔn)，而是根據(jù)不同的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分。例如，車載娛樂系統(tǒng)可能不需要嚴(yán)格的功能安全保障，而車身狀態(tài)顯示、行人識(shí)別等與安全直接相關(guān)的功能，則需要滿足高等級(jí)的功能安全要求。為了應(yīng)對(duì)這些多樣化的需求，Imagination 提供了相應(yīng)的解決方案，例如利用虛擬化技術(shù)來解耦不同安全等級(jí)的任務(wù)，確保關(guān)鍵安全功能不受其他非安全任務(wù)的影響，從而實(shí)現(xiàn)安全高效的自動(dòng)駕駛體驗(yàn)。

在討論功能安全之后，章政開始介紹全新發(fā)布的DXS GPU的性能。

他談到，DXS GPU在設(shè)計(jì)中引入了新的SPU單元，使其硬件性能提升了50%。DXS GPU采用5納米工藝節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行頻率更高，支持多核配置，四核配置下可達(dá)到1.5GHz主頻，提供9 TFLOOS FP32性能和32 TOPS int 8性能，同時(shí)處理288G像素每秒。DXS GPU的設(shè)計(jì)還考慮了高端制程大芯片良率問題，采用多小芯片（chiplet）封裝技術(shù)提高良率和設(shè)計(jì)靈活性。DXS GPU支持將兩個(gè)chiplet組合成一個(gè)GPU或單獨(dú)作為兩個(gè)獨(dú)立GPU使用，通過靈活的總線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工作負(fù)載的均勻分配。

在SPU方面，DXS GPU進(jìn)行了多項(xiàng)優(yōu)化，包括2D雙速紋理處理技術(shù)，以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的紋理處理需求，提升性能。此外，針對(duì)Vulkan等游戲中小型任務(wù)的頻繁切換，DXS GPU改進(jìn)了流水線數(shù)據(jù)主控，減少了任務(wù)切換時(shí)的性能損失，并更新了固件處理器以提高任務(wù)調(diào)度效率。

DXS GPU引入了可變分辨率渲染和ASTC HDR支持等新功能，顯著提升了游戲性能和效率。與傳統(tǒng)圖形處理相比，DXS GPU在硬件性能上高出競(jìng)品四倍，在渲染類任務(wù)上單位面積性能高出競(jìng)品兩倍，在計(jì)算為中心的圖形處理任務(wù)上單位面積性能高出競(jìng)品28%。

在安全性方面，DXS GPU的分布式功能安全機(jī)制使功能安全相關(guān)的應(yīng)用性能翻倍。DXS GPU在軟件和AI方面也有所提升，支持FP16半精度浮點(diǎn)計(jì)算和int 8精度計(jì)算，提供強(qiáng)大的AI計(jì)算能力。DXS GPU的生態(tài)系統(tǒng)基于開放標(biāo)準(zhǔn)，如OpenCL、Vulkan和one API，有利于降低研發(fā)成本和市場(chǎng)推廣。

DXS GPU的靈活性使其能夠通過虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同工作任務(wù)的和諧共存，如自動(dòng)停車和ADAS功能。在安全性方面，DXS GPU致力于提供高可靠性的ADAS計(jì)算結(jié)果，并保證運(yùn)行時(shí)的功能安全。

面對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)的帶寬和工藝節(jié)點(diǎn)瓶頸，DXS GPU通過架構(gòu)創(chuàng)新，如FP16功能和雙速率FP16單元，提高了AI工作負(fù)載的性能。DXS GPU還通過增加片上存儲(chǔ)，減少了系統(tǒng)產(chǎn)品的帶寬要求，降低了ADAS實(shí)現(xiàn)的限制。

在硬件之外，Imagination DXS GPU 通過一系列軟件優(yōu)化和庫的支持，極大地提升了 GPU 的易用性和性能，降低了開發(fā)者的門檻，使得廣泛的應(yīng)用開發(fā)者能夠充分利用 DXS GPU 的強(qiáng)大性能。為了幫助開發(fā)者尤其是應(yīng)用開發(fā)者充分利用 GPU 的性能，Imagination 開發(fā)了多種底層庫，包括幾何庫、BLAS庫（imgBLAS）、CNN庫（imgNN）以及專門處理車載工作的庫，如 FFT 庫（imgFFT）。這些底層庫經(jīng)過大量軟件調(diào)優(yōu)，確保了在 Imagination GPU 上的效率最高。

另一方面，Imagination 認(rèn)識(shí)到并非所有開發(fā)者都使用底層庫，因此將這些庫對(duì)接到 open API 上，并進(jìn)行了優(yōu)化。作為 oneAPI 基金會(huì)的成員，Imagination 支持 oneAPI 的發(fā)展，并為基金會(huì)貢獻(xiàn)專業(yè)知識(shí)，加速其發(fā)展。此外，對(duì)于習(xí)慣使用其他框架的開發(fā)者，Imagination 提供了 PVRtune 工具，幫助他們?cè)?DXS GPU 上分析框架和工作負(fù)載，發(fā)現(xiàn)性能瓶頸。另外，DXS GPU 支持計(jì)算機(jī)視覺等應(yīng)用，如 ADAS 數(shù)據(jù)的預(yù)處理和后處理。Imagination 與 OEM、ODM 和領(lǐng)先供應(yīng)商合作，確保這些應(yīng)用能夠高效運(yùn)行。同時(shí)，Imagination 遵循 UXL 基金會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)軟件在不同架構(gòu)間的自由遷移，降低遷移成本。DXS GPU 在 AI 性能上同樣也實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍，相較于前一代產(chǎn)品提升了近十倍。這一提升部分得益于硬件性能的增加（約 50%），但更多來自于軟件支持和協(xié)同，特別是在計(jì)算庫方面的 2 到 4 倍性能提升。通過優(yōu)化帶寬使用和片上內(nèi)存，以及盡量保持計(jì)算在片上進(jìn)行，DXS GPU 不僅節(jié)省了帶寬，還降低了能耗。

最后，Imagination DXS GPU 不僅是最強(qiáng)的車載功能安全 GPU，還通過軟件優(yōu)化和計(jì)算庫的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了硬件利用率的最大化。DXS GPU 提供了靈活的配置選項(xiàng)，滿足不同廠商的產(chǎn)品定位和性能要求。隨著計(jì)算庫的不斷進(jìn)步，DXS GPU 能夠?qū)崿F(xiàn)更多的 ADAS 工作，并支持靈活的 ADAS 算法，使客戶的產(chǎn)品更具可持續(xù)性。憑借 GPU 的可編程性和強(qiáng)大的算力，DXS GPU 能夠快速適應(yīng)新的自動(dòng)駕駛算法或功能，滿足市場(chǎng)和客戶的需求。