随着高级驾驶辅助系统（ADAS）在汽车中的应用日渐普及，未来更将朝向自动驾驶系统发展。不过，在开发下一代 ADAS 和自动驾驶汽车时，也面临着许多关键的技术挑战。本文将为您探讨汽车原始设备制造商（OEM）在从Level-2 级ADAS向Level-3和Level-4 自动驾驶系统转型过程中，所面临的关键技术挑战，以及由 Microchip 所推出的相关解决方案。
可扩展高性能计算架构应对数据量的巨大增长
市面上所推出的这些越来越高级的ADAS与自动驾驶系统，将能够协助驾驶员逐步地将注意力和思维从前方道路上移开。不过，想要达到这个目标，首先需要对计算架构进行调整。尽管车辆中的电子控制单元（ECU）数量不断增加，汽车计算架构传统上仍将每个特定功能的处理任务整合到单一的计算单元中，该单元负责集成来自专用传感器或输入的数据。即使在较低级别的ADAS系统中，这种做法也很困难。而在更高级别的自动驾驶系统中，所需处理的成本、数据速率和功耗，使得仅依靠单一处理单元变得不可能。
应对数据量的巨大增长，需要对处理架构进行调整，将计算工作负载分布到一个或多个处理器中的多个计算内核。这种架构形成了一个中央计算集群，实际上就是一个“车载数据中心”。在这种数据中心模式下，专用处理单元负责对摄像头数据流进行图像分析。独立的处理内核或CPU可以将摄像头数据与雷达或激光雷达数据结合，通过对不同类型传感器数据的“融合”，更好地理解车辆周围的环境。其他内核则可以专注于“策略”处理，即根据传感器分析的结果决定所需的行动。
借鉴数十年来数据中心发展的经验，可扩展HPC架构的基本要素已经明确，其包括具有专用图像处理（推理与加速）引擎的高性能计算系统级芯片（SoC），以及高带宽、低延迟的PCIe®互连，可用于在SoC之间传输数据。此外，车载以太网网络连接至HPC集群，用于传输传感器数据流和控制信号到其他主要车辆系统，安全处理单元则负责管理HPC系统的运行。
汽车高性能计算（HPC）的典型数据中心型架构
以太网已经成为车载网络主干的主流技术
无论是在高速还是城市环境中，任何延迟或数据传输滞后都可能是致命的。为了将传感器的数据快速高效地传输到边缘处理器，再到中央计算单元或它们之间，车辆的数据网络必须成为最关键的系统。
以太网已经成为全球多数OEM车载网络主干的主流技术。作为全球数据中心的标准，以太网不仅拥有庞大的供应商基础，还能提供具有成本效益和可扩展性的带宽选择，并且其多种适配方式也非常适合汽车行业。对于主流网络需求，100M和1G速率的单对以太网（BASE-T1）标准能够满足绝大多数要求，并已在全球范围内广泛应用。BASE-T1通过减少线缆数量，为汽车带来了减重优势，并有望降低以太网物理层的成本。
10BASE-T1S技术的出现，为CAN网络提供了一种低带宽、低成本的替代方案。10T1S标准支持多点接入功能，这简化了在不同车辆区域内传感器的布线。同时，它还有可能取消原本用于处理和转发CAN消息的ECU，从而简化了区域网络控制节点的设计。这些控制节点在车辆内部的各个位置汇聚数据流到主干网，类似于高速公路的入口。
串行器-解串器（SerDes）技术则为持续且主要为单向的数据传输需求，提供了高带宽、低成本的理想解决方案。许多采用原始数据接口的摄像头，利用SerDes技术，能够实现高性能图像识别所需数据的实时传输。通过SerDes接口，摄像头无需进行预处理，便可以将原始数据直接发送到ADAS SoC，由其内置的优化视频引擎高效处理完整像素数据。这不仅提升了系统整体性能，也避免了在摄像头端重复投入预处理硬件的成本。实际上，几乎所有面向ADAS的SoC处理器都集成了多个摄像头接口和图像处理引擎，因此在摄像头端进行数据预处理会造成资源浪费。
对于仅有以太网连接或无需完整像素数据的应用场景（如倒车摄像头），以太网摄像头则具有更高的性价比。过去，SerDes解决方案多为专有技术，导致OEM设计受限于特定供应商，并受到相关软硬件的约束。如今，随着汽车SerDes联盟（ASA-ML）推出Motion Link标准，市场上开始涌现出可扩展、可互操作的产品，为OEM打造了更优越、灵活的长期生态系统，有效提升了摄像头数据的管理效率和系统兼容性。
PCIe是数据中心领域高带宽CPU间通信的标准。PCIe具备极低的延迟，这对于处理安全关键数据至关重要。PCIe通过在任意“端口”中简单增加通道数量（即收发对），实现了可扩展的带宽，因此可以根据实际带宽需求灵活优化连接方式。此外，几乎所有高性能处理器都支持PCIe协议，这对于在不同任务中选用不同厂商的SoC来说，是一个重要优势。虽然目前还没有专门的汽车PCIe标准，但PCIe卓越的低延迟和低处理开销，使其在汽车领域得到广泛应用，并且已经有通过汽车认证的相关芯片上市。目前ADAS SoC常用的四通道Gen4连接，带宽可达64 GT/s（约等于64 Gbps），非常适合图像数据的高速共享。
用于“车载数据中心”的高速接口
软件定义汽车将成为汽车应用发展的核心
软件开发几乎已经成为所有车辆功能的核心，不仅仅是开发用于解读车辆周围环境和应对紧急情况的AI系统。在早期的汽车平台中，软件主要用于实现一些独特且先进的功能，比如防抱死制动系统（ABS）。随着信息娱乐系统和人机交互的发展，应用软件开始在类似于智能手机的应用处理器上运行，并被引入到汽车中。如今，车辆底盘、动力系统、安全功能以及信息娱乐系统，越来越多地通过软件来实现。这也催生了“软件定义汽车（SDV）”这一概念，使得车辆在整个生命周期内都可以进行升级，不断增强现有功能并添加新的功能。
以往，针对发动机管理等传统、功能专用系统的软件升级，通常需要在车辆保养时通过数据线进行传输。而如今，越来越多的制造商开始采用空中下载（OTA）方式进行软件更新。OEM通过OTA推送的更新不仅包括漏洞修复，还能新增功能或提升性能，例如高海拔驾驶或越野操控等。
从软件的角度来看，SDV现在可以被视为一个移动的数据中心。新功能可以在车辆出厂多年后随时添加，这有望降低车辆的折旧率。增强型的维护功能还可以作为服务包进行销售，实现对零部件磨损情况的实时监控，并根据实际使用情况而不仅仅是行驶里程来安排维护计划。
然而，对于那些在基础数据中心技术实施方面经验有限的汽车企业来说，必须投入资源来培养新的技能。网络管理将成为一个此前在独立系统中并不需要的专业领域。对于汽车行业来说，独特的功能安全流程（如ISO-26262）与数据中心硬件和软件的结合，将影响电子系统和软件系统的开发与实施。
PCIe® 互连在HPC系统中的数据流动
完整的产品线满足ADAS与自动驾驶应用需求
Microchip有众多的产品线可以满足ADAS与自动驾驶应用的需求，在此领域主要可以分成功能安全、嵌入式安全、触摸和手势、以太网技术等技术平台，产品线相当完整。
最终产品的稳健性、可靠性和安全性正变得越来越重要。在功能安全产品组合中，Microchip支持符合功能安全标准和功能安全就绪的产品，像是微控制器（MCU）和数字信号控制器（DSC），包括AVR®和PIC® MCU、dsPIC® DSC、SAM和PIC32 MCU、现场可编程门阵列（FPGA）、SoC等。这些产品包含最新的硬件安全特性和支持资料，可帮助您获得ISO 26262、IEC 61508和IEC 60730安全认证。Microchip的部分器件已获得功能安全认证，这意味着Microchip遵循符合ISO 26262标准的开发流程，以及符合AEC-Q100标准进行设计的芯片，将具备专业的硬件安全特性。
针对嵌入式安全平台，Microchip提供全面的安全IC，以及专注于安全的MCU、微处理器（MPU）和FPGA产品组合，并提供软件库、增强协议、开发套件、培训和其他资源，帮助客户立即开始构建安全的解决方案。
在触摸和手势应用平台中，Microchip推出带触摸功能的MCU、电容式触摸控制器和3D手势控制器，可用触摸或手势控制界面取代机械按钮，增强终端产品的用户交互体验。Microchip提供适用于各种应用的电容式触摸解决方案，Microchip的触摸产品包括交钥匙电容式触摸控制器、用于在大多数PIC®、AVR® 和SAM MCU，以及dsPIC33C DSC上实现触摸感应的触摸库，以及为几乎所有产品添加手势识别功能的单芯片解决方案。
Microchip还提供灵活的以太网解决方案，为嵌入式设计增添稳健可靠的高速通信。Microchip的独立器件以及支持以太网的MCU和MPU都能帮助您轻松在应用中实现以太网。Microchip还提供用于以太网产品的时钟解决方案，帮助在设计中实现更高的可靠性和更低的功耗，并满足汽车网络应用的AEC-Q100要求。Microchip的高性能以太网收发器（PHY）可显着减少占用空间、功耗和成本，可提供10BASE-T、10BASE-T1S、100BASE-TX、100BASE-T1和1000BASE-T PHY。Microchip的以太网桥接器可通过USB、高速芯片间互连（HSIC）、PCI™或PCI Express®（PCIe®）接口实现与主机处理器的灵活以太网连接，从而缩短开发时间。
文章来源：艾睿电子