ADAS和汽車自動化：他山之石，可以攻玉

納入高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能如今已成為汽車設(shè)計提高安全性和易用性的一個重要方面。制造商正在尋求打造具有更高自動化水平的汽車，并最終實現(xiàn)完全自動駕駛（AD）。

ADAS和AD加上用戶對信息娛樂和個性化的期望不斷提高，意味著汽車正在逐漸演變成為移動數(shù)據(jù)中心。因此，軟件定義汽車（SDV）所需的關(guān)鍵硬件元素（IC、電路板或模塊）之間的通信對于成功運營至關(guān)重要。事實上，現(xiàn)在有些汽車已經(jīng)包含超過1億行代碼，而Straits Research預(yù)計到2030年汽車軟件市場的規(guī)模將達到近580億美元，復(fù)合年增長率為14.8%。

軟件充滿了復(fù)雜性以及實時處理來自各種視覺系統(tǒng)傳感器（如攝像頭、雷達、激光雷達和超聲波）的大量數(shù)據(jù)帶來了不小的挑戰(zhàn)。例如，圖1表明汽車行業(yè)使用的傳統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)施和標準已經(jīng)達到極限。以太網(wǎng)和控制器局域網(wǎng)（CAN）總線在未來的汽車架構(gòu)中仍會占有一席之地，但必須進行補充以滿足高性能計算平臺（HPC）在ADAS和AD中嵌入人工智能（AI）和機器學(xué)習(xí)（ML）的需求。

圖1——汽車正在成為車輪上的數(shù)據(jù)中心，因為ADAS必須實時處理來自不同類型傳感器的大量數(shù)據(jù)

PCIe^?技術(shù)

外圍組件互連高速（PCIe）技術(shù)于2003年問世，旨在滿足計算行業(yè)的需求?，F(xiàn)在，PCIe已部署在航空航天和汽車領(lǐng)域，被用于在必須符合DO-254標準的固件中實施安全關(guān)鍵型應(yīng)用。

PCIe是一種點對點雙向總線，作為一種混合串行總線，它可以在單通道或2、4、8或16條并行通道中實施，以實現(xiàn)更大的帶寬。此外，每代PCIe的性能也都在不斷提升。圖2展示了PCIe的演變情況。

圖2——PCIe^?的性能演變

PCIe已經(jīng)在一些汽車應(yīng)用中得到使用，它大約是在第4.0代投入使用。隨著第6.0代技術(shù)的性能提升，其數(shù)據(jù)傳輸速率為64 GTps，如果使用16個通道，則總帶寬可達到128 GBps?，F(xiàn)在正是采用PCIe的大好時機，值得注意的是，PCIe還提供了向后兼容性。

汽車正在成為車輪上的數(shù)據(jù)中心，我們來考慮在這樣一個前提下為什么將PCIe用于陸基數(shù)據(jù)中心。

高性能、低功耗

數(shù)據(jù)中心由一個或多個服務(wù)器和外設(shè)組成，其中包括存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)組件和I/O，以支持云中的HPC。PCIe于當(dāng)今的高性能處理器中發(fā)揮作用，成為在服務(wù)器與外設(shè)之間建立低延時、高速連接的理想總線。

例如，非易失性存儲器標準（NVMe）專門設(shè)計用于通過PCIe接口與閃存配合使用?；赑CIe的NVMe固態(tài)硬盤（SSD）比使用SATA接口的SSD提供更快的讀/寫速度。確實，所有的存儲系統(tǒng)，無論是SSD還是機械硬盤，都無法提供復(fù)雜的AI和ML應(yīng)用所需的性能。

通過PCIe在服務(wù)器中運行的應(yīng)用程序之間提供低延時，這對云性能的提升有直接幫助。這意味著PCIe將被嵌入到處理器和NVMe SSD以外的組件當(dāng)中。它還與許多組件一起，為云與訪問云的系統(tǒng)之間提供網(wǎng)關(guān)。要注意的是，雖然汽車本身正在成為移動數(shù)據(jù)中心，但它們也將成為“智慧城市”之間移動的節(jié)點。

從功耗角度來看，NVMe在數(shù)據(jù)中心的使用也備受青睞。例如，美國能源部估計一個大型數(shù)據(jù)中心（擁有數(shù)萬臺設(shè)備）需要超過100 MW的電力，而這足以供8萬戶家庭的電力使用。而與同等規(guī)模的SATA SSD相比，NVMe SSD消耗的電量不到其三分之一。

在汽車領(lǐng)域，功耗無疑是一個重要因素，尤其是對于電動汽車（EV），會直接影響到續(xù)航里程。事實上，汽車工程師（尤其是電動汽車設(shè)計師），越來越關(guān)注尺寸、重量和功耗（SWaP）問題。鑒于未來實施ADAS可能需要高達1 kW的功率，而且還需要液冷系統(tǒng)來進行熱管理，所以這并不奇怪。

但同樣，我們有機會借鑒其他領(lǐng)域的經(jīng)驗。幾十年來，航空航天工業(yè)一直在設(shè)計滿足嚴格的SWaP和成本（SwaP-C）要求的產(chǎn)品，并且電源等液冷線路可更換單元（LRU）已在某些軍事平臺中使用了十多年之久。

從何處開始？

多年以來，數(shù)據(jù)中心一直在發(fā)揮PCIe硬件的優(yōu)勢，因為它們希望針對不同的工作負載來優(yōu)化系統(tǒng)。它們還擅長開發(fā)采用不同協(xié)議的互連系統(tǒng)；例如，將PCIe用于對時間要求不高的通信（如以太網(wǎng)用于地理上分散的系統(tǒng)）。

在汽車環(huán)境中，那些“對時間要求不高”的通信包括傳感器之間的遙測和照明控制。它們不一定需要PCIe，但在執(zhí)行實時處理且相距僅幾厘米的IC之間，需要使用PCIe來進行短距離、更高數(shù)據(jù)量的通信。因此，優(yōu)化的ADAS/AD系統(tǒng)很可能需要囊括以太網(wǎng)、CAN、SerDes以及PCIe。

與以太網(wǎng)不同，不存在特定的汽車PCIe標準，但這并沒有限制其近年來在汽車應(yīng)用中的使用。同樣，航空航天PCIe標準的缺失也沒有阻止大型航空航天/國防企業(yè)（始終致力于追求SWaP-C優(yōu)勢）在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中使用該協(xié)議。

由于解決方案必須針對互操作性和可擴展性進行優(yōu)化，PCIe也在逐漸成為汽車行業(yè)首選的計算機互連解決方案，為CPU和專用加速器設(shè)備提供超低延時和低功耗的帶寬可擴展性。雖然還沒有出臺特定的汽車PCIe標準，但半導(dǎo)體供應(yīng)商正在努力讓PCIe進一步在嚴苛的汽車環(huán)境中大放光彩。

圖3——低延時、低功耗和連接性能出色的PCIe^?交換芯片

例如，2022年，Microchip推出了業(yè)界首款符合Gen 4要求的汽車級PCIe交換芯片。這些交換芯片被稱為Switchtec? PFX、PSX和PAX，可提供ADAS架構(gòu)中分布式、實時、安全關(guān)鍵型數(shù)據(jù)處理所需的高速互連。除了這些交換芯片外，該公司還提供其他基于PCIe的硬件，包括NVMe控制器、NVRAM驅(qū)動器、重定時器、重驅(qū)動器和定時解決方案，以及基于閃存的FPGA和SoC。

最后，汽車行業(yè)必須考慮的另一件事是數(shù)據(jù)中心將資本支出視為一種對未來年金進行投資的方式。到目前為止，大多數(shù)汽車OEM一直認為資本支出具有一次性回報（在購買時），這對于硬件來說行之有效。誠然，大多數(shù)OEM會不時對軟件更新收費，但SDV的商業(yè)模式需要全盤重新考慮。單純關(guān)注硬件的物料清單成本已不合時宜。

總結(jié)

為了提高汽車的自動化水平，汽車需要成為一個高性能計算的“車輪上的數(shù)據(jù)中心”，處理來自各種傳感器的大量數(shù)據(jù)。慶幸的是，HPC已然成熟，成為高頻交易（HFT）和云的AI/ML應(yīng)用程序的核心。經(jīng)過驗證的硬件架構(gòu)和通信協(xié)議（如PCIe）就擺在面前。這意味著汽車制造商可以從數(shù)據(jù)中心的HPC實施方式中受益匪淺。

由于AWS、Google和其他云服務(wù)提供商多年來一直在開發(fā)和優(yōu)化其HPC平臺，因此大部分硬件和軟件可以在需要時信手拈來。汽車制造商可以坐享這些現(xiàn)有的HPC架構(gòu)，而不用重新發(fā)明，從零開始來打造解決方案。