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ADAS高功耗、低效率所帶來的能源危機 作者：Excelpoint世健 新能源車發熱和能耗問題 根據中國國家應急管理部門統計，2022年第一季度，智能汽車發生自燃的事故一共發生了640起，平均1天有7輛電動車發生自燃。電動車起火的原因主要是以下幾點：電池過熱、電池老化、電池遭受碰撞、高負荷運行等等。其中，電池的高負荷運行是最嚴重的原因之一。 視覺算法算力的高功耗和低效率 隨著特斯拉通過視覺算法來實現自動駕駛。各大Tier 1大廠紛紛進入算力的軍備競賽，算力不斷加大，較大的算力需要消耗較高的功耗。 
圖1 視覺算法引發功率消耗問題 ADAS的多傳感器融合策略 實際上自動駕駛領域，變化的區域占整個圖像的很小一部分，大部分視覺數據是無用數據。傳統的視覺處理花費了大量精力來處理這些無用的背景，這浪費了大量的算力和時間。采用事件處理系統，通過時間系統觸發判斷方式，可以提高100-1000倍的處理速度，減少運算量。
圖2 多傳感器融合技術策略 事件相機無法提供深度信息，目前依靠相機的計算方式還屬于簡單的蠻力計算。采用事件相機結合激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達等方式就可以實現完美的3D感知。同時，也可以避免依靠海量數據和海量算力造成的資源浪費。 ADAS域架構多傳感器融合技術 多傳感器同步問題 圖像事件系統能解決視覺識別的大部分算法，但是，它也存在一些局限性。除了傳統的圖像算法，激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達也越來越多地被用于ADAS。隨著ADAS的智能化要求的不斷提高，自動駕駛系統需要采用多個不同類型的傳感器協同處理的方式實現。
圖3 多傳感器融合面臨時間延遲的挑戰 各傳感器采集數據，然后通過總線發送給域控制器，存在一定程度的延時，并且，各傳感器延時的時長不固定。為了提高自動駕駛的傳感器之間的深度融合、決策規劃和融合定位等性能，自動駕駛高級域控制器與其關聯的傳感器均需要做時間同步。 常用的時間同步主要包括：GPS同步、SyncE、NTP和PTP（IEEE 1588）時間同步。對于ADAS來說，主要采用的是時間敏感網絡TSN（Time Sensitive Network）技術。
圖4 時間敏網絡技術TSN原理 TSN最初來源于音視頻領域Ethernet AVB的應用需求，用于解決音視頻網絡的高帶寬、高實時性、和高傳輸質量的需求。TSN的核心原理是基于時間流量調度和管理，通過TSN網絡中的時間感知整形器TAS（Time Aware Shaper）的調度來實現的。
圖5 采用鎖相環技術實現時鐘頻率相位鎖定 TSN可以比較精確的計算出傳輸線的時延問題。但是，如果主從設備采用自己獨立的時鐘，還會存在頻偏問題，這就需要采用精度非常高的晶振來實現傳輸功能。基于成本等綜合考慮，通常采用OCXO/VCXO+PLL的方式實現從設備時鐘的頻率鎖定，與主時鐘實現頻率同步。 在ADAS應用中，采用TSN結合OCXO+鎖相環的方式，就可以實現各傳感單元和GPU/FPGA的時間同步，消除累計誤差，實現時鐘源的統一和多傳感器完全融合。 傳感器高速數據交換問題 圖像事件系統含有海量數據，要滿足多傳感器深度融合，這些數據就必須要在極短時間完成信息交換。受流線型處理器啟發，人們一直采用獨立于處理器的32位或64位局部總線。該總線最高工作頻率為33MHz/66MHz，峰值速度達533MB/s。這種總線被稱為外設互聯標準總線（PCI總線）。
圖6 PCI總線架構框圖 后來，在PCI總線的基礎上，又衍生出PCI-X總線協議，其工作頻率提高到133MHz，峰值帶寬達到1064MB/s。再后來，又發展到PCI-X 2.0。 PCI總線在發展到PCI-X 2.0之后，傳輸速率很難做進一步的提升。這是因為，時鐘和數據信號之間的傳輸線寄生電感形成串擾，嚴重影響數據信號的波形，很容易對采樣信號形成誤判，影響通信效率。
圖7 高速數字信號引發的碼間干擾 數字信號在高速傳輸的時候，很容易產生天線效應，向周圍輻射，產生電磁感應，形成碼間干擾。碼間干擾，包括感染源信號和被干擾信號。這導致傳輸信號判決門檻的不斷提高。為了提高抗碼間干擾問題，有人提出采用差分傳輸模型。
圖8 差分信號消除碼間干擾 這種差分信號傳輸方法，后來經過一系列演變和改進，發展成后來的USB和PCIe傳輸總線，PCIe總線經過迭代，現在已經演進到現在都PCIe5.0，根據最新消息，PCIe剛剛已經發布PCIe6.0和PCIe7.0規范。
圖9 PCIe總線技術提升傳輸速率 不同技術算力的功耗對比 基于SRAM工藝的動態功耗 目前，市面上大部分視覺算法處理系統都是基于GPU和FPGA實現的，這些處理器大部分都是基于靜態隨機存儲器工藝為核心單元。
圖10 SRAM單元內部架構 SRAM單元用六只N溝道CMOS管組成，其中四個CMOS管組成基本RS觸發器，用于記憶二進制代碼，另外兩個做門控開關，控制觸發器和位線。
圖11 SRAM架構動態功耗 由于SRAM的上管和下管都是工作在深度飽和狀態。所以，CMOS反相器從一種穩定工作狀態轉變到另一種穩定工作狀態時，會出現上下管同時導通的情況。此時，CMOS的內阻非常小，此時對應的電流會非常大，所以，產生的動態功耗非常大。 基于Flash工藝的動態功耗 除了基于CMOS的SRAM處理器之外，Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu介紹了Microchip推出的一種基于疊柵MOS的Flash架構FPGA處理器。
圖12 Flash架構FPGA與SRAM架構FPGA的差別 Flash架構的FPGA最大的一個特點，工作點是靜態的，動態切換也不會出現大的電流波動，可以節約高達50%的功率損耗。Wolfe表示Microchip最新PolarFire與同類器件28nm產品相比，其算力能做到其他器件2.6 倍GOPS/W。 Microchip基于ADAS技術一攬子解決方案 在政策、互聯網跨界競爭、消費者內在需求等因素驅動下，ADAS滲透率將快速提升。也有一些低端車型，也開始搭載部分ADAS功能，提升賣點。 Microchip基于時間敏感網絡解決方案 Microchip推出LAN937X系列TSN交換器件。作為業界符合IEEE 802.1AS標準的功能的交換解決方案，可實現更低延遲的數據流量和更高的時鐘精度。下一步，Microchip還會推出集成1000 BASE TI PHY的LAN969X系列產品。 TSN可以實現網絡傳輸延遲，但是，由于時鐘晶體存在頻偏差異，可能引發不同節點之間的頻率誤差，為了解決頻偏問題，人們通常會在節點中，采用PLL鎖相環和VCXO來鎖定時鐘頻率。同時，為了更進一步同步GPS的1PPS時鐘，還需要同步1PPS時鐘。Microchip的ZL307XX系列集成5個PLL ，支持1PPS，SYNCE。滿足大部分以太網時間同步要求。目前，Microchip已經和部分車企展開合作，開始評估Microchip的時鐘解決方案。
圖13 Microchip TSN解決方案 LAN93XX搭配1000BASE-T1 PHY LAN887X，配合同步數字鎖相環 ZL307XX的精確計時的IEEE 1588v2和IEEE 802.1AS-2020、用于多傳感器時間同步，符合IEEE P802.1Qci、IEEE P802.1Qav等，可以滿足ADAS實時聯網的需求。針對低端市場，Microchip的LAN937X配合100BASE-T1 LAN8770，也可以滿足客戶需求。 Microchip首款車用PCIe交換機介紹 2022年2月，Microchip宣布推出市場上首款汽車級認證的PCIe交換機PM430XX/PM440XX。新發布的PFX、PSX和PAX交換機解決方案為ADAS提供了尖端的計算互連能力，第4代PCIe交換機提供高速互連，支持ADAS架構中的分布式實時安全關鍵數據處理。
圖14 Microchip PCIe SWITCH解決方案 Microchip基于FLASH工藝的低功耗FPGA介紹 因為Microchip所采用Flash工藝這一獨特的工藝制程，其功耗最多只有相同制式的FPGA的50%。 在ADAS機器視覺算法應用中，采用Microchip的FPGA做攝像頭前端采樣、預處理，圖像拼接等應用中，有著很好的表現。 Microchip帶功能安全的PolarFire FPGA系列內置安全加密認證、可以保護設計、數據、網絡不受攻擊，Flash自帶SEU免疫性能的FPGA，是數據中心、工業、汽車和航空航天應用的理想之選。
圖15 Microchip基于Flash工藝FPGA與友商的功耗比較 除此之外，Microchip集成功能安全的MCU、DCDC、USB HUB、AES加密芯片，以及諸如CAN、LIN總線等，也是ADAS和汽車行業應用的主流方案。針對Microchip基于ADAS技術一攬子解決方案，Excelpoint世健都提供相應的技術支持和指導，降低視覺算法算力的功耗，提高效率，助力自動駕駛技術發展。 |
