“7nm高性能智能驾舱芯片算力与架构设计场景拆析”

前几天，在atc汽车技术平台旗下的atc会议上召开的“2021汽车车载芯片技术峰会”在上海顺利召开。 作为业内技术最密集、讨论话题最多的汽车技术交流会，atc汽车技术会议特邀了合作伙伴核心引擎技术产品管理高级总监蒋汉平博士，作为此次芯片峰会的演讲嘉宾，他说:“7纳米高性能智能驾驶舱的芯片计算能力和结构设计西 蒋博士系统阐述了作为高端数字驾驶室的车规芯片应具备的5个必备选项。

纳米工艺是高性能智能驾驶舱车规芯片的必备选项

对于10+nm，7nm的工艺节点提供了显着的优点:

1、芯片集成度更高。 单位面积的晶片上可以放置越来越多的逻辑门，封装面积变小，晶片价格和封装价格节约，成品芯片在单板中所占的面积进一步节约，同样大小的电子产品功能越来越多，速度越来越快。

2、芯片功耗更低。 同样大小的逻辑电路被制作出来，在更高级的过程中耗电量变低，耗电量变低。

3、响应速度更快。 单管的开关速度加快，同一逻辑电路能够运行的主频提高，性能大幅提高。

与10+nm的工艺节点比较，7nm的特点:与10+nm节点工艺比较，7nm平均晶体管密度接近100mtr/mm2，是10+nm工艺的3.3倍，为同等功耗提供了35~40%的速度提高。 且7nm对10+nm提供更高占有率的动态功耗()； 90% )，从而可以实际发挥各计算单元( cpu、gpu等)的有效计算力，降低静态功耗，降低漏电效果，提供高效的热管理。 因此，与高性能的数字驾驶舱soc相比，7nm车的规则是必须的选项。

蒋博士说，技术和设计相辅相成。 代工厂( fab )和芯片设计企业) fabless )的合作模式需要面对。 企业拿着自己设计的芯片开始生产，进行出货检查。 代替工厂进行代工生产和技术改进，中途会出现各种各样的问题。 例如，成品率下降是设计时机不充分，还是工艺有变动； 性能差是设计的循环稳定性不够，还是工艺参数设定错误？ 工艺参数的提取、仿真模型的建立和修订、同一芯片在不同工艺中的参数匹配，最终是fab和fabless共同努力的结果。 比较不同的技术，芯片设计的工作也不同。 冗余电路、备份设计都是芯片设计阶段需要添加的拷贝。 这些都是只有先进技术才会出现和考虑的问题，要完成最终的批量生产，需要长期合作积累经验，没有捷径。

他特别强调，7nm的设计难度更高，对芯片设计企业来说也是机会。 为什么设计难度大是好处呢？ 难度大，电子领域的马太效应增加，越强者越强，弱者总是越弱。 护城河变大，领域墙变高，后来者难以攀登，与10+nm半导体工艺百花齐放相比，许多在10+nm大放异彩的半导体企业在7nm工艺上吃了苦头。 核心发动机工程师团队在10nm以上工艺工序中积累的批量生产经验在行业内处于领先地位，这无疑为高性能智能驾驶舱芯片的批量生产提供了经验和能力保证。

功能安全和新闻安全是汽车仪表盘芯片的必备选项

汽车电子系统越来越多、越来越复杂，电气、电子系统故障带来的风险也越来越高，区分了与移动终端芯片的架构，如何量化判断汽车的功能是否安全，如何减少、避免风险、如何

核心企业拥有专业的功能安全工程师团队，涵盖组织内所有的功能安全项目。 我们有以前流传下来的设计，比如架构设计的一部分内存保护和监视器。 另外，除了硬件组件外，还采取了比较汽车驾驶场景的安全保证措施。 例如，根据iso26262标准，控制板的关键数据和代码属于与娱乐新闻系统不同的功能安全级别，我们芯片上的安全岛( safety island )的安全 通过各子系统与接口的配合，使车内控制板画面上显示的特定部分受到asil-b的保护，实现了性能与安全性的平衡

数字座舱通过mcu/ecu等进行通信，使数字座舱能提供的新闻和反馈越来越实时和高效。 为了确保安全，制造商和大型网络企业以及电信公司需要紧密合作，以确保云数据和车身数据的安全。 核心引擎使用security island (的设计来加强个体和车辆的数据保护，芯片支持sm2/sm3/sm4国密算法。

软硬件解耦是电子电气体系结构的演进和软件定义汽车的必备选项

进入2010年，汽车转型呈现加速剧变的现象，所有领域都面临着新的挑战。 自动驾驶，智能网络，软件定义汽车，应对这个挑战首先需要三个方面的准备。

1、电子电气结构

2、芯片

3、软件生态

汽车软件数量和复杂度的快速发展趋势，基本上呈指数增长的趋势，这一趋势实际上反映了汽车对芯片计算能力的诉求趋势，也反映了汽车电子系统的变化趋势。 第一个阶段是分散型、功能扩展阶段，对新功能的诉求不断相加，但如果继续相加，则会遇到瓶颈。 这个模型很难继续下去； 第二阶段，也就是域融合/集中化阶段，功能正在由软件定义，整个过程是计算集中化和计算力快速增长的过程。 分布式体系结构的软硬件结合在一起，由不同的供应商提供，不容易升级，在中央计算体系结构下软硬件分离，所以容易升级。 集中化体系结构解决跨域功能主要由中央计算单元解决，体系结构和管理简单。

高性能的数字驾驶舱芯片使用异构计算体系结构，系统计算资源更加多样化。 至少包括cpu/gpu/isp/dpu/npu/dsp等，还包括大量的车内高速接口。 虚拟机管理的概念被引入到智能座舱操作系统中。 但是，管理程序在车内软硬件的匹配过程中还是个新事物。 缺乏丰富开发经验的软件人员和成熟高效的硬件适配器计划，不完全依赖虚拟机管理程序，实现各种功能安全级别的操作系统共存，是迅速推进软件集成的关键。

核心引擎技术的架构师根据功能安全性的要求，将主要的计算引擎划分为计算力大小不同的域，并在单芯片架构上形成了硬件隔离方案。 不同的硬件域对实时性要求较高，可以分别支持功能安全性高的os和计算负荷高的os； 随着虚拟机管理程序方案的成熟，后期可以在计算量较大的域中支持虚拟机管理程序，从而顺利地使具有不同要求的操作系统脱颖而出。 在这个演化过程中，芯片架构和软件架构完全一样，通过简单明确的结构可以避免虚拟机管理程序成熟过程中引入的模糊性，提高生态适应能力和批量生产时间。

车企引领诉求引进是提高芯片量产时间的必备选项

迄今为止的智能座舱的各功能都需要用不同的专用芯片来实现，这样不仅提高了车企产品的研发大多度、复杂性和研发投入，后期也很难将功能进一步扩展到现有系统上。 目前，智能座舱已成为各载荷玩家新的战场，新势力造车力量和以前流传的车企主动打破边界，被动接受通用芯片和生态提供的处理方案，主动制造芯片规格和量产车 智能座舱在国内汽车企业的参与下迅速渗透，他们正在积极寻找智能网、自动驾驶的转型升级； 并且，意图将数据的闭环控制和算法的闭环优化完全掌握在自己手中。 所以，真正“完美”的数字驾驶舱方案一定与整车紧密结合。 这就像目前网络大制造商自行制定芯片标准、构建数据服务平台一样，仅靠某一行业的能力结合生态系统控制数字驾驶舱和自动驾驶的芯片设计企业，能够高效地发挥高速技术的进化和诉求

蒋博士从核心发动机数字驾驶舱芯片规格制定和结构设计的过程中，明显感受到吉利集团和亿咖啡通等汽车企业发挥的巨大作用。 吉利集团将提供目前和未来先进的电子电气结构和整车生态，核心发动机芯片在制定规格时将与未来几年量产车型的重要应用进行soc结构设计。 在工程阶段，所有参考设计、软硬件系统框架、价格模型均按指定车型进行规划； 量产阶段，将已经量产的生态系统直接转移到新平台上，所有的研发和生产路径都围绕芯片量产车这个环节展开，数据和算法按照车企的整体规划定制和管理，被所谓的生态系统“大海捞针” 这也是核心发动机企业对量产的数字操纵室芯片充满信心的关键！

准确有效的计算力匹配是支持电子电气体系结构变革的必要选项

芯片是电子电气体系结构变革的基础，随着域融合/中央计算的趋势，芯片计算力的变化趋势和嵌入能力的提高也显著，呈现出加速增长的趋势。

总结了从2007年开始量产的车型典型娱乐域芯片的计算力的趋势。 cpu在年车上的娱乐系统芯片和手机芯片算力的差距，都不是10k dmips的数量级，之后手机芯片算力每年增长25%以上，10年后增长10倍，目前正在研究的车系统芯片算 在gpu上，汽车的高清画面很多，也可以玩3d游戏。 gpu的增长趋势更加陡峭，增长了几十倍。 npu是加速人工智能应用的计算单元，两年后npu的计算力将迅速增长，约为4t至10t左右。 智能语音必须在当地解决语音识别、自然语言理解、语音合成。 基本上业界使用的是cpu+语音dsp+npu的方法，计算力通常在200gops以上。 监控摄像头是欧盟新车安全审查协会( euro ncap ) 2022年的强制标准，包括面部识别、疲劳检查、分心检查、吸烟检查、电话检查等，大部分检查延迟要求在30ms以内。 这里展示的2tops是典型的诉求。 车外摄像头的infoadas算法需要更高的计算力。 包括交通标志识别、车道线识别、雨量识别等环视4个摄像头的目标识别。 对实时性和计算能力的要求很高，至少需要4tops左右的计算能力，可以应对这些诉求。 综合来看，基本的npu计算力诉求为6tops左右。

过去，车内娱乐芯片市场以前流传下来的制造商由文艺复兴、恩智浦、ti、英飞凌等汽车芯片巨头垄断。 核心技术作为高端国产车载芯片设计企业进入智能驱动器市场，蒋博士初步明确了即将量产并提供参考设计的se1000场景的规格。

se1000是新一代高性能、低功耗汽车标准级智能驾驶舱芯片，采用行业领先的7纳米工艺设计，提供了越来越丰富的车载新闻娱乐系统。 高性能定制cpu群集通过专为异构计算而设计的soc系统，为客户提供卓越的性能体验。 内置高性能嵌入式ai神经互联网解决方案单元，提供越来越多的个性化智能语音、机器视觉和自动驾驶辅助体验。 新一代多核显卡解决方案单元，可根据负载动态分配资源；支持和输出多个高分辨率屏幕的多画面多系统高性能音频信号解决单元，以及丰富的音频接口，为客户提供了出色的体验 具有高安全等级的“安全岛”设计符合iso26262车规认证，确保汽车的功能安全； 专业的硬件添加/解密引擎为车载APP提供了安全的可靠保证。 它还提供了丰富的高性能通信和外围接口支持能力。

照片注:从左至右排在第三位的是湖北核心发动机科技有限企业产品管理高级总监蒋汉平博士

作为此次汽车车载芯片应用技术峰会的重要一环，蒋汉平博士将应邀作为采访嘉宾参加此次圆桌会议，并在现场与众多行业领袖和汽车行业相关人士进行深入交流，展开精彩的脑力碰撞，成为汽车芯片领域快速发展的热点 现在芯片领域正处于变革的时间，国内的芯片设计公司认为应该创造尽快引出领域的契机。 牢牢把握方向，快速发展要点领域，处理芯片“寻根”问题，进一步缩小与发达国家的差距，完成中国芯片设计企业的使命和责任。