如何將可擴(kuò)展DSP用于自動(dòng)駕駛汽車?yán)走_(dá)和激光雷達(dá)設(shè)計(jì)？

Cadence 公司 IP 事業(yè)部產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Ted Chua 分享了，如何將可擴(kuò)展 DSP 用于自動(dòng)駕駛汽車?yán)走_(dá)和激光雷達(dá)設(shè)計(jì)的想法

隨著汽車行業(yè)沿著自動(dòng)駕駛的 6 個(gè)等級(jí)逐步推進(jìn)，每個(gè)等級(jí)都對(duì)車載處理能力提出了更高要求。目前階段，IoT 設(shè)備的智能屬性正在網(wǎng)絡(luò)邊緣端被實(shí)現(xiàn)；汽車行業(yè)也正在經(jīng)歷同樣的變化。

ADAS 和自動(dòng)駕駛傳感器對(duì)精度需求更高，需要以更低的延遲更快處理依舊在不斷增加的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法就是在未來 Zonal 電子電器汽車架構(gòu)下，為傳感器附加更高的處理能力。

汽車的自動(dòng)化水平與對(duì)周圍環(huán)境的感知和理解能力密不可分，能做到這一點(diǎn)的就是傳感器。

對(duì)汽車而言，最關(guān)鍵的三大傳感器模態(tài)分別是雷達(dá)、激光雷達(dá)以及視覺。每種傳感器各有所長(zhǎng)，三種模態(tài)都不可或缺。將多種不同傳感器技術(shù)結(jié)合在一起的傳感器融合系統(tǒng)可以為功能安全性提供足夠的冗余并提高傳感精度。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)元件間互操作性的第四個(gè)要素是互聯(lián)。上述四個(gè)要素共同構(gòu)成了自動(dòng)駕駛汽車的基礎(chǔ)。

滿足 ASIL 認(rèn)證 IP 的需求

自動(dòng)駕駛汽車搭載的多種傳感器皆可歸為三種主要類型之一。

雷達(dá)的占比最高，由20 多個(gè)分布在車身各處的獨(dú)立傳感器組成。

作為最適合提供高精度測(cè)距數(shù)據(jù)的技術(shù)，激光雷達(dá)傳感器在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

至少就汽車應(yīng)用而言，作為最成熟技術(shù)的圖像傳感器也在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域大放異彩。

三類傳感器各司其職，分別負(fù)責(zé)地形監(jiān)測(cè)、其他道路使用者監(jiān)測(cè)、行人監(jiān)測(cè)、天氣狀況監(jiān)測(cè)，以及絕對(duì)速度和相對(duì)速度等參數(shù)監(jiān)測(cè)。傳感器也被用于汽車內(nèi)部監(jiān)測(cè)，識(shí)別并觀察乘客情況。

直面 DSP 的數(shù)據(jù)處理挑戰(zhàn)

其中一個(gè)挑戰(zhàn)是傳感器產(chǎn)生的海量原始數(shù)據(jù)。依賴車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行如此大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸是不現(xiàn)實(shí)的，作為中繼上傳到云端進(jìn)行處理也不切實(shí)際，這兩種方案對(duì)延遲和帶寬的需求會(huì)讓自動(dòng)駕駛的未來無以為繼。所以，原始數(shù)據(jù)的本地處理是唯一選擇。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何讓傳感器解決方案適應(yīng)傳感命令的變化。比如，傳感器的測(cè)距范圍和駕駛速度有關(guān)。雷達(dá)和激光雷達(dá)在精度上互補(bǔ)，但同樣取決于天氣、光照水平和景物對(duì)比度等其他因素。

挑戰(zhàn)是層出不窮的。從工程設(shè)計(jì)的角度來講，高性能處理解決方案的需求已經(jīng)非常明確；但是想要將其商業(yè)化的大前提是通過汽車應(yīng)用的相關(guān)認(rèn)證，且需要以更優(yōu)的方式滿足更高的處理要求。盡管激光雷達(dá)的成本已經(jīng)遠(yuǎn)超雷達(dá)或圖像傳感器，但汽車行業(yè)認(rèn)可了它的不可替代性，因?yàn)橹挥屑す饫走_(dá)才具備滿足特定傳感需求的獨(dú)特能力。

我們亟需一個(gè)可擴(kuò)展的、適用于所有傳感器類型且針對(duì)不同應(yīng)用做了專門優(yōu)化的處理平臺(tái)。自動(dòng)緊急制動(dòng)的運(yùn)作模式與自適應(yīng)巡航控制顯著不同，但兩者都會(huì)用到激光雷達(dá)和雷達(dá)傳感器。同樣的，盲區(qū)檢測(cè)會(huì)在白天時(shí)使用圖像傳感器，但在夜間或天氣狀況較差時(shí)則需要雷達(dá)輔助。

如此多不同用例的每一種都是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛的必要條件，且都各自需要為之量身優(yōu)化的解決方案?？紤]到所需的數(shù)十個(gè)傳感器，OEM 需要更高效的商品化方式。

答案已經(jīng)呼之欲出了，我們需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化且可擴(kuò)展的處理平臺(tái)，也就是采用了分區(qū)控制器的分區(qū)架構(gòu)。而且，為了支持高速信號(hào)處理，并滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景所需的安全等級(jí)，這些分區(qū)控制器必須是可配置的。

功能性安全

Cadence Tensilica ConnX B10 與 B20 DSP針對(duì)包括雷達(dá)和激光雷達(dá)在內(nèi)的新一代傳感應(yīng)用做了優(yōu)化，且支持高性能 V2X 車用無線通信技術(shù)。作為半導(dǎo)體行業(yè)首款專門面向雷達(dá)、激光雷達(dá)和 V2X 開發(fā)的，可授權(quán)的 DSP 產(chǎn)品，它們已經(jīng)通過了 ASIL B 級(jí)隨機(jī)硬件故障及 ASIL D 系統(tǒng)故障的合規(guī)認(rèn)證。滿足 ISO 26262:2018 規(guī)定的功能性安全等級(jí)是 OEM 和一級(jí)供應(yīng)商開發(fā) ADAS 解決方案和自動(dòng)駕駛應(yīng)用 SoC 的必要條件。

ConnX B10 與 B20 DSP 的指令集架構(gòu)（ISA）支持面向雷達(dá)、激光雷達(dá)和 V2X 專門設(shè)計(jì)的加速器。這一特性可以幫助工程師為特定的應(yīng)用優(yōu)化 SoC 設(shè)計(jì)，同時(shí)也能從通用架構(gòu)對(duì)代碼遷移、復(fù)用性及可移植性的支持中獲益。

ConnX DSP（見上圖）采用了基于 VLIW（超長(zhǎng)指令字）架構(gòu)的 SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）矢量處理，支持加載/存儲(chǔ)，MAC 和 ALU 的并行運(yùn)行。ISA 也面向線性代數(shù)和復(fù)雜數(shù)據(jù)，以及向量壓縮和擴(kuò)展做了優(yōu)化。ISA 可以在卡爾曼濾波、MUSIC 及 DML 等傳感器處理的不同階段實(shí)現(xiàn)性能增強(qiáng)。

作為 ConnX 系列時(shí)鐘速度最快的產(chǎn)品，ConnX B10 和 B20 DSP 支持可選的 32 位矢量定點(diǎn) MAC，可被用于加速 FIR、FFT、卷積運(yùn)算和相關(guān)運(yùn)算等雷達(dá)/激光雷達(dá)/V2X 相關(guān)的處理功能。雙精度、單精度以及半精度矢量浮點(diǎn)操作也可以通過硬件進(jìn)行加速。

ConnX B10 和 B20 DSP 已經(jīng)做了優(yōu)化，可以提供先進(jìn)的 MIMO 系統(tǒng)所需的性能，支持矢量濾波、FFT 以及線性代數(shù)處理。我們也考慮到了這些系統(tǒng)對(duì)低階處理的需求，并為此采用了支持不同水平按位操作的指令集。

指令集中涵蓋了針對(duì) 16 位數(shù)據(jù)優(yōu)化的指令，用于執(zhí)行復(fù)雜算術(shù)、多項(xiàng)式求值、矩陣乘法和平方根/倒數(shù)計(jì)算加速。此外，ISA 也支持 16 位與 32 位峰值搜索加速。

隨著高精度 4D 圖像雷達(dá)對(duì)天線數(shù)量需求的增加，以及物理層（PHYs）逐漸過渡到更先進(jìn)的 5G 等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)處理性能的需求也在急劇上升。ConnX 系列 DSP高度并行的可擴(kuò)展架構(gòu)可以滿足這一需求。ConnX B10 和 B20 DSP 也提供多核解決方案，將處理容量擴(kuò)展至超過單一核心。

盡管 DSP 主要負(fù)責(zé)復(fù)雜算法的并行處理，ConnX 系列產(chǎn)品也并未忽視硬件控制的需求。ConnX DSP 在 PHY 應(yīng)用層控制等領(lǐng)域運(yùn)行控制代碼的能力非常突出。需要與硬件模塊連接時(shí)，ConnX DSP 可以通過專屬的定制化接口與外部硬件連接，實(shí)現(xiàn)近乎無限的數(shù)據(jù)帶寬。

為了進(jìn)一步優(yōu)化 DSP IP，ConnX 系列產(chǎn)品可以用 TIE（Tensilica Instruction Extension 指令擴(kuò)展）語言進(jìn)行定制。與 Verilog 類似，這一語言可以被用于設(shè)計(jì)多周期流水線執(zhí)行單元、寄存器文件和 SIMD ALUs 等其它擴(kuò)展核心架構(gòu)的方式。每個(gè)擴(kuò)展都有專屬指令，且屬于整個(gè) ISA 的一部分，方便軟件開發(fā)者實(shí)現(xiàn)硬件擴(kuò)展。

結(jié)論

DSP 架構(gòu)需要高效使用存儲(chǔ)器才能實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計(jì)，同時(shí)將能耗和成本最小化。

ConnX B10 與 B20 是為雷達(dá)、激光雷達(dá)及 5G 通信專門設(shè)計(jì)的 DSP，性能對(duì)比其他軟件兼容的 ConnX 家族產(chǎn)品提高了 10 倍。32 位定點(diǎn) MAC，雙精度、單精度和半精度浮點(diǎn)，更高的可并行性，以及更快的時(shí)鐘速度等特性共同匯聚在可擴(kuò)展的架構(gòu)中。這一架構(gòu)是為了應(yīng)對(duì)雷達(dá)/激光雷達(dá)傳感器，V2X 應(yīng)用計(jì)算鏈條，以及滿足汽車 OEM 實(shí)現(xiàn) Lvel 2 和更高級(jí)別自動(dòng)駕駛而量身設(shè)計(jì)的。

面向雷達(dá)、激光雷達(dá)和 V2X 優(yōu)化的可擴(kuò)展 DSP IP 已獲得 ASIL B 隨機(jī)故障和ASIL D 系統(tǒng)故障合規(guī)認(rèn)證，助力實(shí)現(xiàn)未來更高水平的自動(dòng)化駕駛。

Ted Chua 是 Cadence 公司 IP 事業(yè)部 Tensilica 雷達(dá)、激光雷達(dá)及通信 DSP 的產(chǎn)品管理和營(yíng)銷總監(jiān)

原文標(biāo)題：面向自動(dòng)駕駛的可擴(kuò)展 DSP

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