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進駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）是增長最快速的汽車應用。以安全性為核心的駕駛員輔助系統(tǒng)，支持行人偵測/避讓、車道偏離報警/糾正、交通標志識別、全景視圖、疲勞監(jiān)控等，這些應用以及其他多種應用（如圖1所示），需要一類新型的半導體系統(tǒng)級芯片（SoC）來滿足該系統(tǒng)日益增長的需求。 在消費者利益和政府法規(guī)的助推下，為了改善道路安全性，汽車制造商正在要求一級供應商（Tier 1）和半導體產(chǎn)品供應商去開發(fā)包含最新多媒體標準、運行多種基于視覺的算法且結合影像和雷達系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)的SoC。為了實現(xiàn)高性能操作所需的先進協(xié)議，ADAS SoC使用了比大多數(shù)高端消費性應用都更嚴格的前沿設計和工藝技術。這類新型ADASSoC的設計人員依靠IP供應商來幫助他們戰(zhàn)勝挑戰(zhàn)——需要面向特定應用的IP實現(xiàn)，并幫助他們在越來越短的設計和驗證、定型周期中，滿足汽車應用的魯棒性、可靠性和安全性需求。 圖1 各種先進駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）應用 ADAS SoC設計準則 從應用和系統(tǒng)的兩個角度來看，這類新型的ADASSoC都擁有特定的設計準則，以確保實現(xiàn)高效的SoC設計。為ADAS應用構建SoC的設計人員需要把高性能IP功能和節(jié)能IP功能結合在一起，以幫助實現(xiàn)整體系統(tǒng)吞吐量并滿足實時服務質量要求（如圖2所示）。應用處理器的性能要求至少是32位、1GHz以上頻率運行的處理器。實際上，支持多種基于視覺應用的ADAS SoC已經(jīng)開始向64位處理器遷移。 除了高性能應用處理器外，該SoC還需要一個單獨的視覺處理器以實現(xiàn)諸如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）等的最新視覺算法。一個附加的圖形處理器或定制的DSP內核實現(xiàn)高速率像素處理，該功能被連接至HDMI或MIPI D-PHY這種多媒體接口，同時支持越來越大的高清顯示。 為了支持提供影像和雷達/激光雷達數(shù)據(jù)的多個攝像機和雷達傳感器，需要一個傳感器和控制子系統(tǒng)來為應用處理器分擔傳感器數(shù)據(jù)管理負擔，從而支持高度的傳感器融合。新一代ADASSoC需要高達8GB的汽車級LPDDR4內存，以支持處理器應用軟件，并支持多媒體數(shù)據(jù)流的廣泛的系統(tǒng)連接，后者由以太網(wǎng)音視頻橋接技術（Ethernet AVB）和時間敏感網(wǎng)絡（TSN）提供。 SoC的外設提供額外的接口連接，例如PCI Express總線、SATA接口、UART（通用異步收發(fā)傳輸器）、SPI/QSPI（串行外設接口/排隊式串行外設接口）、CAN總線和FlexRay總線等。最后，為了支持基于一塊外部Bluetooth Smart、Wi-Fi或4G LTE無線芯片的云連接，ADAS SoC必須包括穩(wěn)健的、基于硬件的安全協(xié)議，以支持安全啟動、安全識別與驗證、加密以及解密。 圖2 基于16/14nm工藝制程的ADASSoC，圖中紫色部分為Synopsys的DesignWare IP產(chǎn)品 除了IP的功能是設計人員必須為ADASSoC考慮的以外，汽車行業(yè)的一級供應商及半導體SoC的設計人員和架構師還需要考慮延遲、功耗、可靠性，以及工藝相關的設計挑戰(zhàn)。低延遲是一條基本準則，以滿足實時多媒體服務等級保障。除了低延遲，該SoC在不斷引入最新多媒體協(xié)議和關鍵特性的同時，例如行人偵測與校正等特定的ADAS應用所需要的嵌入式視覺處理功能，還需要保持功耗最小化。 對ADASSoC的設計人員而言，另一項關鍵的挑戰(zhàn)是確保汽車原始設備制造商（OEM）所要求的高可靠性和連續(xù)操作性，因此芯片需要實現(xiàn)關鍵錯誤檢查和糾正（ECC）技術以及奇偶校驗技術。由于需要高性能和高集成度，設計人員正在將先進的半導體工藝作為目標，如許多設計團隊尚不熟悉的16/14nm FinFET工藝節(jié)點。對于下一代汽車ADAS應用SoC而言，應對低延遲、低功耗、先進協(xié)議、錯誤檢查和糾正等挑戰(zhàn)，以及能否提供用于16/14nm FinFET工藝的任務關鍵型IP都成為關鍵問題。 支持功能化安全性、可靠性和質量管理的IP 一套產(chǎn)品門類齊全、支持領先晶圓代工廠工藝中最新協(xié)議和算法的IP產(chǎn)品組合，為下一代ADAS SoC的開發(fā)打下了基礎。除了提供ADAS應用所需要的先進特性、小面積、高性能和低功耗外，IP供應商必須滿足汽車行業(yè)供應鏈的嚴格要求。盡管高性能消費性應用和移動應用中的SoC包含與ADASSoC相似的功能，但是汽車SoC對于魯棒性、可靠性和安全性的額外需求，依然對IP供應商提出了更多的要求。 例如，德國電氣和電子制造商協(xié)會（ZVEI）的汽車應用消費性電子元件工作組已經(jīng)在汽車用半導體元器件和消費性元器件之間，確定了66種可能的區(qū)別，包括功能化的安全性、可靠性和質量管理等等。工作組的意見書確定了嚴苛的汽車環(huán)境問題對芯片和芯片知識產(chǎn)權（silicon IP）帶來的影響，這些汽車環(huán)境問題包括更高的電壓、更高的靜電放電（ESD）電壓、更高的溫度、誤差校正，以及更高的測試覆蓋目標等等。工作組總結出了結論：“需要重新評估和重新定義汽車原始設備制造商、一級供應商和元器件供應商在開發(fā)階段進行的合作，以辨別出并降低產(chǎn)業(yè)價值鏈上各環(huán)節(jié)中的那些新風險。” 德國電氣和電子制造商協(xié)會的意見書強調了兩項關鍵的要求。第一，對于諸如行人偵測與校正這類ADAS應用，功能安全性是一項關鍵的要求。第二，ADAS應用必須滿足由汽車行業(yè)定義的ISO 26262功能安全性標準。使用已經(jīng)按照ISO 26262標準獲得認證的IP，將幫助SoC設計人員降低產(chǎn)業(yè)價值鏈風險，并加速其SoC級功能安全性的需求規(guī)格確定、設計、實現(xiàn)、集成、驗證、確認和配置等進程。類似地，為了滿足高可靠性要求，汽車SoC必須滿足AEC Q100規(guī)范，以作為汽車應用生產(chǎn)質量認證的一部分。 通過選擇已針對AEC Q100要求進行過測試和鑒定的IP，能夠幫助設計人員成功地獲得AEC Q100資質認證。通過使用已經(jīng)進行過先期AEC Q100壓力測試的半導體IP，設計人員可以降低風險并加速其SoC的資質認證。最后，通過選擇根據(jù)ISO/TS 16949質量標準開發(fā)IP產(chǎn)品的IP供應商，可有助于確保包括集成于其中的IP在內的汽車SoC的產(chǎn)品規(guī)劃、設計、開發(fā)、驗證和確認等流程，可以滿足汽車行業(yè)供應鏈所要求的質量等級。諸如Synopsys這樣的IP供應商已經(jīng)邁出了下一步，在已擁有可用于基于視覺的高性能ADAS應用的、門類齊全的IP產(chǎn)品組合基礎上，去滿足汽車SoC將面臨的基于標準的功能安全性、可靠性和質量等方面的要求。 ISO 26262功能安全性標準 從汽車行業(yè)的角度來看，2011年發(fā)布的ISO 26262功能安全性標準是相對最新的標準。該標準將電氣和（或）電子系統(tǒng)中的功能安全性施加于道路車輛。它涉及安全性生命周期中的所有行為，例如安全性相關系統(tǒng)的設計與開發(fā)，并包括了被歸類到獨立安全單元（Safety-Elements-out-of-Context，SEooC）的SoC。ISO 26262標準提供了一種汽車行業(yè)特定的方法，以探明汽車安全性完整性等級（Automotive Safety Integrity Levels，ASIL），并制定了多項措施來驗證和確認所達到的安全等級。其目的是通過定義功能需求、嚴格開發(fā)流程等方法，以及采取包括故障注入、系統(tǒng)性分析和度量報告等在內的必要設計手段，將對隨機硬件故障的敏感性降至最低。因為ISO 26262不能專為某一款設備進行更改，所以IP供應商必須創(chuàng)立一套安全文化，包括政策、流程和策略等，以及授權安全性經(jīng)理參與安全性關鍵型IP的開發(fā)。 一個獲得ISO 26262標準認證的IP安全性方案包的交付形式或“工作成果”包括集成在內的硬件安全性特性、驗證計劃、安全性計劃、驗證報告、安全性手冊，以及失效模式效應和診斷分析（FMEDA），后者將被SoC設計人員作為其SoC級FMEDA報告的輸入，從而加速其SoC的開發(fā)。將SoC和IP作為獨立安全單元（SEooC）組件而進行的合規(guī)認證，由諸如SGS-TUV SAAR等可信任的行業(yè)審核認證機構來實施，他們執(zhí)行產(chǎn)品和流程的檢查、評估和審核等工作。 AEC Q100標準提供的可靠性 為了確保最高的可靠性，汽車電子委員會（AEC）的零組件技術分委會制定了AEC Q100標準，以確保零組件都經(jīng)過認證而可用于嚴苛的汽車環(huán)境中。AEC Q100標準定義了汽車行業(yè)供應鏈所認可的半導體SoC資質認證要求及測試方法與指南。該標準包含一套基于失效機理的壓力測試，以及半導體SoC供應商在不同的溫度等級上對其SoC進行認證的多項條件。目的是通過在一種加速方式（與標準的汽車使用情況相比）中使故障得以顯現(xiàn)，從而來確保高可靠性。 盡管AEC Q100資質認證適用于SoC級的零組件，但IP供應商也可以通過對IP實施AEC Q100測試，來實現(xiàn)設計的資質認證成功可能性最大化。對自己的IP執(zhí)行AEC Q100測試并提供關鍵測試標定報告的IP供應商，可以證實其滿足汽車行業(yè)客戶提出的嚴苛的可靠性要求，這些關鍵測試可見諸于加速環(huán)境壓力測試、加速生命周期仿真測試、片芯制造可靠性測試，以及電氣驗證測試等。只有那些與具有領先工藝的晶圓代工廠、領先的芯片供應商和一級供應商密切合作的IP供應商，才能幫助設計人員為了支持ADAS應用在汽車溫度等級和任務子集上對其SoC進行操作。 TS 16949質量管理標準 對于為ADAS SoC設計人員提供IP產(chǎn)品的IP供應商而言，另外一個十分關鍵的焦點是滿足汽車行業(yè)的質量要求。TS 16949質量管理標準適用于產(chǎn)品開發(fā)流程，它為汽車產(chǎn)品定義了質量度量指標。該標準對開發(fā)一種質量管理體系進行了定義，該體系是為了實現(xiàn)持續(xù)改進而準備的，它強調汽車行業(yè)供應鏈中的缺陷預防和一致性。TS 16949質量管理標準適用于為客戶制造特定的、用于生產(chǎn)的零組件的各個場所。 支持汽車產(chǎn)品設計的設計中心和IP供應商，可以構成SoC設計/制造認證的一部分，但是無法獲得獨立的TS 16949認證。因為SoC的設計中心可以作為整個TS 16949認證的一部分，所以選擇對必需的開發(fā)流程、最佳實踐和質量規(guī)范擁有深刻理解，并保證完成和遵從開發(fā)流程的IP供應商，將有助于設計人員滿足汽車行業(yè)的質量等級。 德國汽車工業(yè)協(xié)會質量管理中心（VDA-QMC）認定了ISO/TS 16949認證是供應商進入汽車行業(yè)的入場券，VDA-QMC經(jīng)理Heinz-Günter Plegniere表示：“在超越一級/二級供應商，并貫穿整個汽車行業(yè)的供應鏈上，對ISO TS 16949標準的宣傳并不完整，因此可發(fā)現(xiàn)我們特別需要有所行動。”需要滿足TS 16949標準要求的設計人員，可以選擇已經(jīng)將其開發(fā)流程進行了升級，且可以為設計人員提供必需的度量指標與證明材料的IP供應商，這些度量指標與證明材料包括質量手冊、產(chǎn)品管理流程（PMP）、用于文件和記錄控制的程序、控制和文檔保存的證明材料，以及支持等級等。 總結 IP供應商在汽車行業(yè)供應鏈中扮演了關鍵的角色，他們使新一代高性能ADAS SoC得以實現(xiàn)。基于視覺的SoC可以包含大量的第三方IP，以實現(xiàn)關鍵的嵌入式視覺、傳感器融合、多媒體、安全性和先進連接等功能。盡管IP供應商已經(jīng)在消費性、移動、PC和通信應用等領域，進入了半導體產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，但并非所有的IP供應商都能夠支持嚴苛的汽車級要求。 隨著設計人員啟動其下一代ADASSoC項目，他們必須評估IP供應商是否具備提供ISO 26262安全性方案包的能力，該方案包括ISO 26262認證、AEC Q100測試和TS 16949質量管理和認證。勇于承諾并擁有可以滿足汽車行業(yè)要求的資源的IP供應商，將有助于保證汽車SoC供應商、一級供應商和原始設備制造商的要求被成功滿足，利用28nm和16/14nm FinFET等目標工藝技術達到ADASSoC的功能性、性能、質量和可靠性等級。 |
