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                      在高速演變的汽車行業中體現FPGA價值

                      2025China.cn   2022年09月27日

                        當前,全球汽車業正在步入以智能化、網聯化、電動化、共享化為代表的“新四化”時代。IHS Markit的數據顯示,到2023年,汽車電子系統總額將高達1800億美元,平均每輛汽車會使用500美元以上的半導體器件,增幅最大的應用分別來自高級駕駛輔助系統、動力系統和車載娛樂信息系統。

                      新變化帶來新要求

                        目前汽車行業的技術和架構都正在經歷一個快速演變的過程,這一現象背后很重要的推手之一,就在于整車廠越來越意識到來自不同tier 1廠商的ECU之間彼此缺乏關聯,他們不得不投入大量時間和資金加以整合,使得整合ECU成為一件“極為辛苦的工作”。但網聯汽車和自動駕駛的快速發展正在改變這一現狀——在今后的設計中,傳統的分布式方案將被集成式方案取代,包括ECU、傳感器在內的硬件會得到高度整合;汽車OEM會更關注客戶在接口軟件層面上的創新,以及為終端客戶提供差異化產品的能力。

                        在智能座艙領域,以特斯拉為代表的造車新勢力正通過將儀表板、信息娛樂系統和屏幕顯示進行高度集成,使得一塊屏幕上需要展示的內容日趨豐富,加之不同品牌車型間的顯示器尺寸并不統一,從而對圖像的分區切割顯示和多元化融合提出了較高要求。但這對低功耗FPGA產品而言并非難事,很多車廠目前都在利用其可編程、并行處理能力強、功耗低、散熱少的特點,加速引入相關FPGA平臺。

                        同時,隨著車載顯示大屏化、多屏化、高清化和多形態化趨勢日趨明顯。很多新車搭載的屏幕數量均突破了2塊,部分車型甚至達到了4-5塊。隨著車內顯示屏數量和尺寸的增加,人們對顯示質量提出了新的要求,希望能夠獲得更高的色域,更高的對比度等等。特別是為了緩解里程焦慮,如何提升大尺寸屏幕效率,使之更省電,會是未來幾年行業面臨的共同課題。

                        車載視覺系統和人工智能技術現在也被大量應用于駕駛員狀態監測系統(DMS)、車艙內監控系統(IMS)中,包括:監測駕駛員的疲勞、注意力渙散或損傷;監控乘客,確保兒童/寵物不會被無意中鎖在車內,或是包、手機和錢包等物品不會無意中遺忘在車內。

                        因此,ISP圖像增強會是極具前景的應用之一。例如,對目前在汽車中大量使用的LCD屏幕,FPGA可以作定制的背光優化,以提升視覺效果和節約能耗。同時,為了支持車載4K顯示,FPGA對高速數據處理、接口也進行了廣泛的支持,包括1.5G-2.5Gbps MIPI、HDMI、DisplayPort等。

                        而在高級駕駛輔助系統應用中,最新數據顯示,一輛L3級別的自動駕駛車輛將至少配置16個以上的各型傳感器,由于主處理器需要連接不同的傳感器接口進行數據處理,而且汽車接口也尚未實現真正標準化,所以利用FPGA的可編程特性對不同傳感器進行聚合/橋接,或是實現I/O接口擴展,也是新趨勢之一。同時,考慮到汽車平臺的開發可能需要5-10年的時間,方案是否具備可拓展性也左右著用戶的選型決心。

                        另一個值得關注的領域來自電動汽車,尤其是伴隨著碳化硅等寬禁帶半導體的廣泛使用,傳統DSP甚至多核DSP控制的精度越來越難以滿足汽車行業對驅動控制的時效和正確度要求的提升,而FPGA作為替代方案正在被大量使用。

                        安全性同樣需要引起高度關注。越來越多傳感器、自動控制和網絡連接的出現,在給汽車帶來智能化、便捷化、舒適化體驗的同時,也讓系統更加容易遭受惡意攻擊。OEM廠商必須要能夠即時檢測到漏洞并防止網絡攻擊,還需要電子系統能夠在嚴酷的環境中穩定安全運行。對半導體器件來說,增加硬件安全引擎,使之能夠在遭到未經授權的訪問時對固件進行保護、檢測和恢復,就顯得更為關鍵。

                      加速開發下一代汽車應用

                        CertusPro-NX汽車級FPGA系列產品,是萊迪思日前面向車載信息娛樂(IVI)系統高速視頻互連、5GbE車載網絡(IVN)和ADAS傳感器數據處理等應用,推出的擁有領先的低功耗、高性能以及同類產品最小尺寸的FPGA新品。

                        但這并不是萊迪思在汽車領域的首次嘗試。事實上,面向汽車照明、信息娛樂系統和遠程信息處理等通用需求、高速視頻和傳感器、汽車設計中的平臺管理和安全應用三大方向,萊迪思依次布局了ECP/Certus系列、CrossLink系列和MachXO系列模塊化硬件平臺,并與Radiant、DIAMOND、Propel設計環境、以及mVision、Automate和sensAI解決方案集合一起,構建起了完整的“模塊化硬件平臺+參考設計+神經網絡IP核+定制設計服務”矩陣,用以加速并簡化汽車相關系統設計流程和上市時間。

                        作為Nexus家族的第四款產品系列,CertusPro-NX主要是為了滿足智能系統中的數據協同處理、5G通信基礎設施中的高帶寬信號橋接、以及ADAS系統中的傳感器接口橋接等創新應用需要而推出的,并在功耗設計、系統帶寬、邊緣處理、可靠性、封裝多樣性等多個方面得到了進一步提升。

                        之所以選擇這樣的設計思路,是因為從當前的行業發展趨勢來看,網絡邊緣設備的智能化程度正在大幅提高,它們一方面需要更高的接口帶寬以便于快速傳輸數據,另一方面又需要更多小尺寸的系統集成和便于優化散熱管理的低功耗方案。

                        與競品相比,CertusPro-NX汽車級器件不僅擁有行業領先的能耗效率和可靠性,還在超小的封裝尺寸中提供了行業最佳的系統帶寬,且是同類產品中唯一支持LPDDR4外部存儲器的FPGA產品。CertusPro-NX汽車級器件支持高達8.1Gbps的SERDES、高達96k的邏輯單元,擁有同類產品中最多的片上存儲器資源,從而實現的高效處理。

                        憑借對高速SERDES的支持,CertusPro-NX汽車級產品還增加了很多獨特的功能,支持橋接信息娛樂系統SoC的視頻輸入以及圖像質量增強功能,包括局部調光,FPGA直接視頻處理,支持嵌入式顯示端口。該系列器件可以分擔系統的視頻增強功能,同時添加更多連接功能(如下圖所示)。

                        通過利用萊迪思在FPGA架構方面的創新和28nm低功耗FD-SOI制造工藝,CertusPro-NX器件的功耗比同類競品FPGA低四倍。通過改變基底的偏壓,開發人員可以自由選擇采用高性能(HP)還是低功耗(LP)模式運行。

                        CertusPro-NX FPGA支持多達8個可編程SERDES通道,速度高達8.1Gbps,提供同類產品中最高的系統帶寬(是同類競品FPGA的兩倍之多),并支持主流的通信和顯示接口,如10Gigabit Ethernet、PCI Express、SLVS-EC、CoaXPress和DisplayPort。

                        CertusPro-NX FPGA的設計面積僅為81mm2,比競品器件小6.5倍,例如擁有相同邏輯單元的Xilinx Artix-7 100K LC的尺寸面積為529mm2,是CertusPro-NX的6.5倍;而尺寸面積為121mm2的Intel Cyclone V GT 77K LC,邏輯單元僅有77K。這樣的小尺寸設計對于汽車、工業攝像頭或通信系統中使用SFP模塊的開發人員來說,是一個關鍵的設計考慮因素。

                        此外,考慮到汽車、工業和通信領域的關鍵型應用必須有高的可靠性,實現可預測的性能并確保用戶安全,萊迪思將CertusPro-NX器件抗軟錯誤能力提高了100倍,并可在-40℃至125℃的結溫范圍內正常工作。同時,為了保護其位流免于未經授權的訪問,CertusPro-NX FPGA還支持AES-256加密和橢圓曲線數字簽名算法(ECDSA)位流身份驗證。這意味著,CertusPro-NX FPGA能夠以合理的商業成本為下一代通信、嵌入式、工業和汽車應用帶來極高的可靠性,幫助系統時刻保持在線,保障最終用戶的安全。

                        CertusPro-NX FPGA的上述特性和優勢現已通過AEC-Q100認證,可供汽車制造商使用。首發器件CPNX-100K擁有96K的邏輯單元數量,EBR(嵌入式memory)和大型RAM分別達到3.7Mb和3.6Mb,18×18 DSP與PLL數量最高可達156個和4個,并支持10GE PCS、PCIe Gen 3、SGMII CDR、ADC等硬核模塊,預計將于2023年Q1實現量產。

                        自面世以來,CertusPro-NX一直被萊迪思視作主流FPGA市場的“新標桿”,有機會通過PCIe Gen3和LPDDR4等新技術來鞏固其市場地位,更好地服務于汽車、5G基站、工業物聯網和機器視覺等新興市場。

                      (轉載)

                      標簽:萊迪思 我要反饋 
                      西克
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