基于GPU器件行為的創(chuàng)新分布式功能安全機制為智能駕駛保駕護航

作者：商瑞陳嬌

隨著汽車智能化程度的快速提高，大量新的處理器和系統(tǒng)級芯片（SoC）被廣泛引入到車輛中，無論是在駕駛還是座艙等場景，無論采用域控制器模式還是新興的中央控制單元模式，都無一例外地在考慮加入更加智能化的新功能。但是隨之而來的是這些控制單元中的相關(guān)芯片的系統(tǒng)級故障或意外行為可能引起的危險，因此需要發(fā)現(xiàn)這些故障或可能的意外并提供相應(yīng)的保護措施，這個過程就是為汽車芯片建立和提供功能安全（Functional Safety，亦簡稱FuSa）解決方案。

具體到一款微控制器（MCU）、中央處理器（CPU）或者圖形處理器（GPU）或以它們?yōu)楹诵牡腟oC或者專用集成電路（ASIC）上，功能安全就是要確保芯片功能按照設(shè)計的要求去運行，因為如果一輛汽車不能按照你設(shè)計的功能去執(zhí)行，那汽車的諸如目標和指示牌識別、剎車或者其他自動加速功能可能就會失效，這個時候就很危險并為駕駛員、乘客、路人、車輛和其他財物等帶來了威脅。所以功能安全很重要，但也需要付出一定的成本，比如額外的芯片面積，招聘有經(jīng)驗的設(shè)計人員，執(zhí)行嚴格的功能安全研發(fā)流程，進行安全認證等。

圖一、Imagination DXS汽車GPU在提供領(lǐng)先的圖形處理能力和AI算力的同時，還打造了創(chuàng)新的分布式功能安全機制，為相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新提供了一種全新的模式和思路

在實際工作中，汽車芯片功能安全覆蓋了一顆芯片的規(guī)格制定、策略與方法選擇、芯片研發(fā)、機制驗證、芯片生產(chǎn)、下游系統(tǒng)設(shè)計和運行等產(chǎn)品定義及實現(xiàn)，以及生命周期內(nèi)的所有活動及管理過程，同時還需要通過ISO26262等功能安全測試。這一切給汽車芯片設(shè)計制造企業(yè)及車廠和一級供應(yīng)商等環(huán)節(jié)帶來了更高的成本和更多的工作量，使許多車廠最終選擇了忽略或者降低功能安全要求的行為，這在先進駕駛員輔助（ADAS）和自動駕駛（AD）越來越普及的今天帶來了更多不安全因素，因此汽車芯片在功能安全領(lǐng)域內(nèi)迫切需要能夠降低成本和工作量的創(chuàng)新。

現(xiàn)有的汽車功能安全策略和實施方法

目前市場上主要的功能安全解決方案有兩種：應(yīng)用最廣泛的一種被稱為“鎖步（lockstep）”解決方案，這是一種比較簡單粗暴的方法，在汽車CPU中被廣泛使用。該方法就是用兩個處理器內(nèi)核等同樣的邏輯來執(zhí)行一個程序以實現(xiàn)同樣的一個功能，由它們同時執(zhí)行并在執(zhí)行完之后來比較這個結(jié)果，看看這兩個結(jié)果是否一致。在受到高溫或者高濕影響時，如果這兩個內(nèi)核得到的兩個結(jié)果是一致的話，那證明這兩塊邏輯是運行正確的，有關(guān)計算和控制還能正確地執(zhí)行。

圖二、鎖步架構(gòu)原理圖（圖片來源：《車規(guī)芯片——雙核鎖步介紹》）

但這種方案帶來的代價是什么？代價就是兩套相同的計算和處理單元要消耗多一倍的芯片面積，或者就是面向同樣處理功能的汽車芯片的面積要比傳統(tǒng)的手機芯片的面積要大一倍。這種成本大幅提升對于大部分的客戶是沒法接受的，因為對于芯片開發(fā)商來說，一款芯片最重要的成本來自于其片芯的面積（die size）。如果為實現(xiàn)一個新的功能，最終需要增加一倍的片芯面積就意味著在一張8英寸或者12英寸上能夠切出來的芯片數(shù)量減少了超過一半。

第二種實現(xiàn)功能安全的辦法就是去把同一項工作執(zhí)行兩次，如GPU渲染兩次或者CPU計算兩次，再看一下這兩次數(shù)據(jù)處理運算的結(jié)果是否一致。如果兩次運算的結(jié)果不同就會發(fā)現(xiàn)錯誤，因為汽車的使用環(huán)境非常復(fù)雜，芯片里面有些錯誤是隨機錯誤，有些錯誤是長期錯誤。對于隨機錯誤，通過重復(fù)執(zhí)行兩次比較一下結(jié)果，如果是不一樣就上報情況以確認這個功能有問題。這種重復(fù)執(zhí)行的方法就可以避免一些隨機錯誤。這樣的方法帶來的結(jié)果是什么？因為重復(fù)工作所得到的性能就會減到原來的一半，所以這也可能是用戶沒法接受的方案。

圖三、主從式處理器驗證方式（圖片來源：《車規(guī)級處理器中的LockStep技術(shù)》）

圖四、內(nèi)部驗證方式（圖片來源：《車規(guī)級處理器中的LockStep技術(shù)》）

因此，無論是鎖步方案還是重復(fù)執(zhí)行方案給汽車廠商和芯片廠商都帶來了甚至是沒法接受的挑戰(zhàn)，這也導(dǎo)致了功能安全在許多實際汽車應(yīng)用中很難得到全面的接收。最主要的原因為性價比，因為芯片面積增加一倍或者是性能降低為二分之一，對于廠商來說它的成本也就增加了一倍。這個增加一倍的成本，最后都要轉(zhuǎn)嫁到消費者頭上，在過去汽車智能化程度比較低的情況下，沒有太多客戶愿意為這個功能安全買單，所以沒有急迫性一直沒有得到全面的應(yīng)用。但汽車智能化這一趨勢正在迫使行業(yè)做出改變。

創(chuàng)新的分布式功能安全機制帶來全新的模式

不久前，全球領(lǐng)先的圖形處理器及相關(guān)硅知識產(chǎn)權(quán)（IP）提供商Imagination Technologies發(fā)布的一款新型汽車GPU就為功能安全領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新帶來了全新的思路。搭載該公司的GPU IP產(chǎn)品的設(shè)備的出貨量已經(jīng)超過了130億臺，同時在車載GPU行業(yè)已經(jīng)耕耘了超過20年，因此無論是該公司在GPU領(lǐng)域內(nèi)的成就，還是新一代汽車GPU產(chǎn)品的功能安全性能都值得關(guān)注。我們來研究分析其新發(fā)布的全新一代GPU產(chǎn)品Imagination DXS GPU在功能安全方面的創(chuàng)新。

圖五、Imagination DXS GPU的三大創(chuàng)新

DXS GPU是目前汽車應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)性能最高，同時具有完善功能安全的GPU，完美地匹配了今天汽車對于中央計算的要求。它首先是一個強大的圖形處理器，可以支持車內(nèi)所有的屏幕娛樂和交互能力。無論是位于駕駛艙前部的圖顯儀表盤和大屏幕，還是后面后座的娛樂顯示，DXS的硬件性能比前一代提升了50%。由于軟硬件上協(xié)同的投入，對于AI的這一塊的性能提升遠遠超過50%，它提供了遠高于CPU的計算性能，同時提供了遠遠高于NPU以及這類加速器SoC的編程靈活性。

除了性能之外，DXS GPU的最重要創(chuàng)新就是全新的功能安全解決方案：分布式功能安全機制（Distributed Functional Safety）。DXS GPU中創(chuàng)新的分布式安全機制幾乎完全消除了以前的其他功能安全方案實現(xiàn)安全機制帶來的性能以及片芯面積損失，大大降低了實現(xiàn)功能安全的代價，它僅僅額外消耗了大概10%的片芯面積，用10%的片芯面積帶來了100%性能。這是廣受芯片開發(fā)廠商所歡迎的創(chuàng)新，因為用非常小的代價實現(xiàn)了功能安全，解決了汽車芯片的一個非常重要的問題。

圖六、分布式功能安全機制與雙核鎖步和重復(fù)執(zhí)行兩種方案的對比

DXS GPU是怎么成功地解決這個問題的呢？Imagination作為一個傳統(tǒng)的GPU玩家，對GPU怎么運行非常清楚，所以利用了GPU的一些特性來非常靈活地實現(xiàn)了功能安全機制。首先一個特性是：作為一種并行處理器，GPU里面有一套并行計算的機制，GPU為了掩飾和隱藏延遲，在計算時采用了并行的很多線程或者重復(fù)單元。第二個特性就是當一個線程拿不到它要執(zhí)行的資源時，它就會自動地被切換出去或者把它移出執(zhí)行，等到它有資源來到的時候再去執(zhí)行。

根據(jù)這兩個特性，在GPU的一個線程停工等待的時候，就在其中插入一些測試模板或者測試集；利用同樣的測試集，在另一個線程處于等待的時候，也插入同一個測試模板或樣例，然后執(zhí)行這兩個測試。在執(zhí)行完這兩個線程之后，對比結(jié)果就會知道這兩個線程執(zhí)行的結(jié)果是否一致，如果有不同就會上報結(jié)果提醒系統(tǒng)和用戶審核該功能是否安全；該機制也知道了一項功能具體在哪一個硬件上去執(zhí)行，就保證了這些執(zhí)行的硬件的功能安全。DXS GPU可以在相關(guān)等級上一直保證這些硬件的功能正確，沒有受到環(huán)境、濕度、溫度的影響。當然，Imagination還為DXS GPU提供了其他的機制來保證邏輯模塊以及存儲模塊的功能正確。

目前，行業(yè)在汽車功能安全方面已經(jīng)建立了完善的標準、測試方法和分級標定。在ISO26262標準中，根據(jù)嚴重度S、暴露概率E和可控性C三個因素，制定了汽車安全完整性等級（Automotive Safety Integration Level，ASIL）體系，分為A、B、C、D四個等級。作為常用的安全等級衡量標準，ASIL A最低，ASIL D最高，等級越高意味著該產(chǎn)品失效后可能引起的安全風險越大。Imagination DXS GPU可實現(xiàn)ASIL B等級的功能安全性。

圖七、Imagination DXS GPU實現(xiàn)ASIL B等級功能安全性

總結(jié)

隨著汽車新四化的不斷推進，汽車中的芯片數(shù)量將快速增加。除了關(guān)注這些芯片的算力和連接帶寬等性能之外，同樣重要的是打造和推出全新的功能安全解決方案。Imagination結(jié)合GPU這種處理器的架構(gòu)特點，利用GPU的計算模式來打造了創(chuàng)新的分布式功能安全機制，消除了以前的其他功能安全方案實現(xiàn)機制帶來的性能以及片芯面積損失，為電子行業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新提供了一種全新的模式和思路。

審核編輯 黃宇