淺談GPU在汽車駕駛輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)今汽車行業(yè)最受關(guān)注的話題之一是先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），該系統(tǒng)可以多種方式幫助駕駛員處理潛在問(wèn)題。它們可以為駕駛員提供視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)警告，也可以控制制動(dòng)器、加速器和轉(zhuǎn)向裝置，使汽車遠(yuǎn)離危險(xiǎn)。

ADAS系統(tǒng)依賴于來(lái)自越來(lái)越多的離散傳感器的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，例如光探測(cè)和測(cè)距傳感系統(tǒng)（LiDAR），它使用脈沖激光測(cè)量與目標(biāo)物體之間的距離；還有無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距傳感系統(tǒng)（RADAR），其類似于LiDAR，但RADAR使用無(wú)線電波代替激光和紅外（IR）相機(jī)系統(tǒng)。

以上這些都使ADAS能夠更好地認(rèn)知周邊環(huán)境并提高其輔助駕駛的能力。

ADAS中的GPU

在汽車的中央電子控制單元（ECU）中，您可以找到一個(gè)或多個(gè)大型硅器件，其中包含一個(gè)多核中央處理單元（CPU），一個(gè)圖形處理單元（GPU），一個(gè)為傳感器數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)處理的內(nèi)存子系統(tǒng)，以及一系列其他內(nèi)核，如I / O、外設(shè)連接、專用視頻和DSP。

GPU高度并行，以吞吐量為導(dǎo)向的特性使其非常適合ADAS應(yīng)用，并可應(yīng)對(duì)諸多挑戰(zhàn)。它就像是一個(gè)“渦輪增壓”的乘法累加引擎，而且是以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型算法為基礎(chǔ)的。因此，毫無(wú)疑問(wèn)，當(dāng)今許多領(lǐng)先的ADAS供應(yīng)商都開(kāi)始利用嵌入式GPU的能力和性能，來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車所需要的功能和性能的提升。

從歷史上看，GPU在汽車的技術(shù)構(gòu)成中起的作用較為傳統(tǒng)，即驅(qū)動(dòng)顯示器。然而消費(fèi)者越來(lái)越期望他們的新車提供與智能手機(jī)或平板電腦相同的尖端技術(shù)。因此，我們看到，應(yīng)用正在向具有多個(gè)高分辨率屏幕的數(shù)字儀表板轉(zhuǎn)變，目前，1080p在中檔車中很常見(jiàn)，且有越來(lái)越多的4K屏幕被指定用于豪華車和行政車。

這些更大、更高分辨率且響應(yīng)更快的屏幕使駕駛員和乘客能夠以更自然、更直觀的方式與他們的汽車互動(dòng)。 因此，對(duì)于汽車OEM來(lái)說(shuō)，從小型CPU或微控制器轉(zhuǎn)向功能更強(qiáng)大的GPU來(lái)驅(qū)動(dòng)這些屏幕是必要的，鑒于此，嵌入式GPU在這一領(lǐng)域取得了明顯的進(jìn)展。

不只是圖形處理，ADAS對(duì)GPU提出了更多、更高的要求，這些是與傳統(tǒng)的渲染功能截然不同的東西。如果我們看一下計(jì)算機(jī)圖形處理，會(huì)發(fā)現(xiàn)計(jì)算著色器的使用現(xiàn)在是提供高級(jí)圖形效果的標(biāo)準(zhǔn)。從本質(zhì)上講，GPU運(yùn)行小型計(jì)算機(jī)程序，定義屏幕上數(shù)百萬(wàn)個(gè)像素的顏色和陰影。ADAS平臺(tái)可以利用此GPU計(jì)算功能實(shí)時(shí)處理和分析傳感器數(shù)據(jù)，而不只是圖形處理。

實(shí)際上，不僅僅是傳感器，還有傳統(tǒng)的攝像頭，可以為GPU提供很方便使用的數(shù)據(jù)。圖像處理是GPU的看家本領(lǐng)，因此，幾乎任何類型的密集并行計(jì)算難題都可以用GPU去解決。從這個(gè)層面來(lái)看，GPU是這類應(yīng)用的最佳選擇。

汽車GPU虛擬化

未來(lái)ADAS平臺(tái)的性能水平將需要越來(lái)越大的GPU，這將不可避免地增加制造成本。為了應(yīng)對(duì)這種情況，平臺(tái)供應(yīng)商希望通過(guò)使用它來(lái)在汽車中執(zhí)行多個(gè)工作負(fù)載來(lái)增加GPU的價(jià)值。只有GPU對(duì)硬件加速虛擬化有堅(jiān)如磐石的支持，才有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。虛擬化允許GPU運(yùn)行多個(gè)操作上下文，例如app / OS集，同時(shí)，這些上下文彼此又沒(méi)有任何了解，且不會(huì)以任何方式相互影響。

這個(gè)很重要。想象一下，儀表板軟件的問(wèn)題能夠影響駕駛員輔助系統(tǒng)的正確操作。這可能是災(zāi)難性的，必須不惜一切代價(jià)避免。擁有GPU支持的受保護(hù)、虛擬化的執(zhí)行上下文的能力將確保不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

當(dāng)硬件支持為每個(gè)上下文使用完全獨(dú)立的托管地址空間以及重新啟動(dòng)或刷新行為不正常的上下文時(shí)，虛擬化可以發(fā)揮最佳作用。這種隔離是允許合作使用（cooperative use）GPU的關(guān)鍵，同時(shí)保持關(guān)鍵軟件（例如駕駛員輔助系統(tǒng)）不被任何其他操作影響或破壞。

新的收入來(lái)源

從汽車OEM的角度來(lái)看，虛擬化提供了額外的好處，它使得更安全的環(huán)境能夠提供各種應(yīng)用和服務(wù)，而無(wú)需擔(dān)心電子系統(tǒng)被流氓軟件所取代。這也意味著，與信息娛樂(lè)和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)固定軟件的傳統(tǒng)硬件盒子相比，汽車成為了靈活、可配置的軟件平臺(tái)，可通過(guò)無(wú)線方式更新。它將使OEM能夠輕松地交換付費(fèi)服務(wù)，而不會(huì)中斷汽車的運(yùn)行，從而為他們提供潛在的新收入來(lái)源。

GPU在ADAS中的應(yīng)用實(shí)例

下面，我們就以PowerVR為例，分析一下 GPU在ADAS中的應(yīng)用及其功能。

據(jù)悉，新的PowerVR GPU內(nèi)部的核心計(jì)算架構(gòu)是從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)的，旨在提供快速性能和低功耗，以實(shí)現(xiàn)精度降低計(jì)算，尤其是半精度浮點(diǎn)（FP16）。以較低的精度（通常被歸類為小于32位）運(yùn)行是降低嵌入式GPU功耗而不會(huì)顯著降低精度的最佳方法之一。 我們將FP16硬件設(shè)計(jì)為與全精度FP32硬件分開(kāi)的數(shù)據(jù)路徑。

雖然共享數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)很常見(jiàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谠S多方面都比較簡(jiǎn)單，但每個(gè)設(shè)備都有獨(dú)立的硬件，這使我們能夠提供最佳的功耗和效率，因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)路徑在設(shè)計(jì)中接受的損害較小，無(wú)法做到需要做的事情。

正如我們所描述的，虛擬化使得在GPU上運(yùn)行的所有上下文能夠彼此隔離地運(yùn)行，以確保所有ADAS功能都安全運(yùn)行，并且由于硬件支持，它可以在所需的性能級(jí)別上執(zhí)行此操作。硬件支持的虛擬化是PowerVR的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

此外，還有一個(gè)工具集，支持跨GPU和AI加速器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和部署。它是一個(gè)統(tǒng)一的工具鏈，使開(kāi)發(fā)人員能夠采用多個(gè)框架和多種網(wǎng)絡(luò)類型，并將它們轉(zhuǎn)換為GPU上的計(jì)算引擎，其可在PowerVR Series2NX和3NX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器上部署，或者將這兩者混合使用。

因此，ADAS平臺(tái)設(shè)計(jì)人員可以將GPU用作汽車整體系統(tǒng)架構(gòu)中的一流組件，同時(shí)允許系統(tǒng)供應(yīng)商通過(guò)使用GPU加速車載信息娛樂(lè)軟件，在安全和可用的情況下攤薄他們的投資。

綜上，GPU微體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有理想的電源效率和內(nèi)存帶寬，是一種平衡的GPU設(shè)計(jì)，可以很好地滿足汽車的技術(shù)需求，非常適合下一代ADAS應(yīng)用。尤為突出的是，它為駕駛員和乘客互動(dòng)的大型和高分辨率顯示器提供出色的性能。

展望未來(lái)

GPU固有的特性和優(yōu)勢(shì)正好與ADAS的要求相吻合，特別是在圖像分析和并行信號(hào)處理領(lǐng)域。隨著ADAS系統(tǒng)在車輛中變得越來(lái)越普遍，使用GPU的重要性也會(huì)隨之增加，也可以說(shuō)，不使用GPU和具有特定功能加速器的系統(tǒng)將會(huì)落伍。

從目前和可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)看，是GPU，而不是CPU，能夠提供應(yīng)用所需要的計(jì)算能力，使未來(lái)的汽車能夠更加了解周圍環(huán)境，以便它們可以如我們預(yù)想的那樣平穩(wěn)、安全地運(yùn)行。