用于自動駕駛汽車和高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的復(fù)雜芯片(SoC)的開發(fā)和驗(yàn)證是一片雷區(qū)，稍不注意，就會觸雷。
每一個可預(yù)期或不可預(yù)期的微小變量，無論是車內(nèi)還是無法預(yù)知的道路條件，都構(gòu)成了一個難點(diǎn)。芯片設(shè)計人員經(jīng)常在完成錯綜復(fù)雜的汽車芯片設(shè)計之后，又意識到他們必須回頭重新編寫，有時甚至需要不停地重復(fù)，直到得到滿意的結(jié)果。
這種迭代設(shè)計的過程，是每個芯片設(shè)計師最可怕的夢魘。
“在開發(fā)和驗(yàn)證汽車芯片時，”西門子公司的自動駕駛與ADAS全球技術(shù)經(jīng)理David Fritz解釋說，“設(shè)計師要應(yīng)對的輸入是‘整個世界’，包括車輛可能遭遇的任何天氣狀況和任何道路狀況。而輸出則是保證他們的新芯片(新車)不會輾過任何人?！?/p>
換句話說，太多東西需要吸收和消化，而結(jié)果是至關(guān)重要的安全。
硅前驗(yàn)證
在此背景之下，西門子此前公布了一款名為PAVE360的硅前自主驗(yàn)證環(huán)境平臺。
西門子的Fritz稱PAVE360是設(shè)計AV/ADAS車輛的“第一個允許多部門、多企業(yè)合作的項(xiàng)目平臺”。該平臺允許多個汽車組件、軟件和子系統(tǒng)供應(yīng)商在設(shè)計高度自動化汽車時進(jìn)行協(xié)作。
Tirias Research首席分析師Jim McGregor告訴我們，“目前業(yè)界已經(jīng)可以在仿真環(huán)境中設(shè)計一顆定制芯片，但還是不能達(dá)到PAVE360的水平?！?/p>
PAVE360 (圖片來源: 西門子)
他解釋說，通過PAVE360，“你可以設(shè)計和測試一輛虛擬汽車，其中的虛擬芯片由虛擬零部件構(gòu)成，而這個虛擬汽車在虛擬環(huán)境條件下在虛擬城市中行駛。”他指出，“PAVE360可以實(shí)現(xiàn)在汽車操作的整個流程中設(shè)計和測試芯片。并且可以更換汽車零件、修改設(shè)計或操作條件，在必要時近乎實(shí)時地測試甚至重新設(shè)計芯片?！?/p>
VSI實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人兼首席顧問Phil Magney解釋了汽車芯片設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)：“你面對的是各種數(shù)據(jù)轟炸，包括來自各種環(huán)境傳感器的大量數(shù)據(jù)，以及來自其他ECU的大量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)最終將影響汽車性能?！?/p>
Magney稱PAVE360是“非常獨(dú)特”的，他說，“我還沒有聽說過如此完整的仿真環(huán)境?！蔽鏖T子的PAVE360平臺基于“數(shù)字孿生(digital twin)”這個概念，數(shù)字孿生是真實(shí)世界的復(fù)制(仿真)版本。Magney說，“對于汽車或零部件的開發(fā)人員來說，這意味著他們可以完全仿真其目標(biāo)，無論是芯片、軟件能力、ECU還是整車?！?/p>
McGregor還補(bǔ)充道，“如果我在通用動力公司從事火箭制造時就有這個工具，我會不惜一切得到它?！?/p>
智能手機(jī)應(yīng)用處理器 vs. 汽車芯片
粗看之下，智能手機(jī)應(yīng)用程序處理器和汽車芯片是兩種截然不同的東西，它們在芯片復(fù)雜性、所需的計算能力、尺寸和功耗方面都完全不同。
而對功能安全性的嚴(yán)格要求，更是給汽車芯片設(shè)計人員帶來額外的壓力。他們設(shè)計的汽車芯片必須完全準(zhǔn)確，因?yàn)槠囆酒霈F(xiàn)的問題可能會導(dǎo)致人的死亡。而用于智能手機(jī)的應(yīng)用程序處理器則不會造成這種危險。
但奇怪的是，雖然汽車芯片設(shè)計的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于智能手機(jī)應(yīng)用處理器的設(shè)計規(guī)格，但目前汽車行業(yè)常見的設(shè)計方法卻不如智能手機(jī)行業(yè)那么精致。
曾在高通和英偉達(dá)(Nvidia)工作過的Fritz為我們提供了改變這種情況的方法。
汽車設(shè)計工程師一般會首先分析ADAS或AV SoC的需求并將其分解為各項(xiàng)功能，為每個功能塊設(shè)置驗(yàn)證。然而最大的挑戰(zhàn)在于變數(shù)越來越多。也許每個功能塊已經(jīng)過驗(yàn)證可以正常工作了，但當(dāng)合并某些ADAS功能時，或者部署一個不同的傳感器組合時，甚或插入一個不同供應(yīng)商的ECU時，一切預(yù)設(shè)都會被推翻。汽車可能會突然出現(xiàn)一種全新的行為模式。這種根本性的變化可能會使汽車芯片設(shè)計人員陷入一種惡性循環(huán)，不斷重新校驗(yàn)、重新驗(yàn)證和重新編寫他們的SoC。
Fritz回顧他在高通擔(dān)任高級總監(jiān)時，智能手機(jī)芯片的開發(fā)環(huán)境完全不同。在智能手機(jī)領(lǐng)域，除非確信將X公司的硅方案放入Y公司的手機(jī)中能夠滿足所有需求，否則應(yīng)用程序處理器的設(shè)計人員不會開始設(shè)計芯片。而這些需求的范圍從基準(zhǔn)測試直到功耗，它們不能超過設(shè)定的閾值，而且必須滿足供應(yīng)商所謂的“用例證據(jù)點(diǎn)(use-case proof points)”。
所有東西，包括由軟件團(tuán)隊驗(yàn)證的軟件，必須在芯片開始開發(fā)之前完成。而這保證了在智能手機(jī)中工作的芯片的高度準(zhǔn)確性。
在Fritz看來，要模仿智能手機(jī)芯片的設(shè)計環(huán)境，汽車AV/ADAS SoC設(shè)計人員需要一個能讓他們進(jìn)行“嚴(yán)格硅前驗(yàn)證”的平臺。而PAVE360就是這個平臺，他說。
(圖片來源: 西門子)
124億美元投資
西門子之所以能夠開發(fā)出這個完整的仿真平臺，源于其多次戰(zhàn)略性的收購。它將新購置的工具與現(xiàn)有的仿真模型拼接起來，使之協(xié)同工作，形成一個完整的平臺。
在西門子于2017年收購Mentor Graphics之前，這家德國公司還收購了測試和機(jī)電一體化仿真軟件供應(yīng)商LMS International。之后又收購了一家全球仿真軟件供應(yīng)商TASS International，除了仿真軟件，該公司還為汽車行業(yè)提供工程與測試服務(wù)。
“據(jù)我們所知，沒有其他公司進(jìn)行過這么多的投資(總計124億美元，包括收購Mentor)，以建立像PAVE360這樣的全方位仿真平臺，”Fritz聲稱。
汽車OEM可以開發(fā)自己的AV SoC？
上個月，特斯拉推出了自己的自動駕駛芯片，稱其為“全自動駕駛”計算機(jī)。
當(dāng)被問及其他汽車OEM是否也在設(shè)計他們自己的自動駕駛芯片時，F(xiàn)ritz肯定“特斯拉并不是唯一一個?！彼赋?，“當(dāng)消費(fèi)者認(rèn)為，未來的汽車價值都體現(xiàn)在AI、算法、軟件和芯片中時，汽車OEM們沒有理由不想自己把握未來?！?/p>
McGregor證實(shí)，許多汽車OEM正在考慮“定制芯片設(shè)計”。但他補(bǔ)充道，“并非所有人都計劃與特斯拉走同一條路，即自己招募一個SoC設(shè)計團(tuán)隊。許多公司選擇與現(xiàn)有的半導(dǎo)體供應(yīng)商和/或設(shè)計公司合作?！?/p>
他說，“但這并不意味著一定會找英偉達(dá)、恩智浦(NXP)、瑞薩(Renesas)、英特爾(Intel)或其他知名公司合作，就像智能手機(jī)、游戲機(jī)和云服務(wù)提供商一樣，汽車OEM正在考慮根據(jù)其應(yīng)用和工作負(fù)載量身定制芯片解決方案?！?/p>
Magney也對此表示贊同?！氨M管許多人發(fā)現(xiàn)加速計算解決方案具有優(yōu)異的性能，但很多開發(fā)人員正試圖通過將他們的算法，與處理器緊密結(jié)合來實(shí)現(xiàn)指令集的優(yōu)化?！比欢琈agney提醒道，“這對很多人來說可能不太實(shí)際。除非你真有些與眾不同的東西，否則沒有必要浪費(fèi)時間做無用功?！?/p>
對于汽車OEM來說，PAVE360可能是非常有效的。例如當(dāng)他們決定將其最滿意的ECU與新的ADAS SoC結(jié)合用于制動控制時，使用開放式接口，OEM可以將該ECU插入PAVE360并模擬ADAS SoC在車輛中的性能。
如何驗(yàn)證AI？
西門子稱，PAVE360“能夠?qū)λ凶詣玉{駛系統(tǒng)核心的傳感/決策/執(zhí)行范例進(jìn)行全面的閉環(huán)驗(yàn)證?！痹撛瓌t同時適用于確定性(基于規(guī)則)和非確定性(基于AI)方法的驗(yàn)證。
但是，當(dāng)設(shè)計師甚至不知道部署在汽車中的AI算法如何決策采取某種行動時，他們?nèi)绾悟?yàn)證這是一個正確的選擇呢？
Fritz解釋說，自動駕駛芯片的輸入不應(yīng)該是1和0這樣的“信號”，而應(yīng)該是“場景” ——道路輪廓、天氣條件和地理環(huán)境中的其他因素。至于結(jié)果，“你只能在整車背景下驗(yàn)證AI的決策?！彼赋觥?/p>
本文同步刊登于電子工程專輯雜志2019年7月刊