开发下一代ADAS和自动驾驶汽车的技术挑战

随着高级驾驶辅助系统 (ADAS) 在汽车中越来越普及，未来指向自动驾驶系统。然而，开发下一代 ADAS 和自动驾驶汽车涉及许多关键的技术挑战。本文探讨了汽车原始设备制造商 (OEMs) 在从 2 级 ADAS 过渡到 3 级和 4 级自动驾驶系统过程中面临的关键技术挑战，以及 Microchip 引入的相关解决方案。 

可扩展的高性能计算架构以应对海量数据增长

这些日益先进的ADAS和自动驾驶系统正在引入市场，将逐渐帮助驾驶员在驾驶时更专注于其他事物。然而，要实现这一目标，首先需要调整计算架构。尽管车辆中的电子控制单元（ECU）数量不断增加，传统的汽车计算架构却将每个特定功能的处理任务集中在单个计算元素中，该计算元素整合来自专用传感器或输入的数据。这种方法即使对于较低级的ADAS系统也充满挑战。在较高级别的自动驾驶系统中，所需处理的成本、数据速率和功耗使依赖单一处理元素变得不切实际。   应对数据的大量增长需要对计算架构进行修订，将工作负载分布在一个或多个处理器内的多个核心中。此架构形成一个中央计算集群，有效地创建一个“车轮上的数据中心”。在这个数据中心模型中，专门的处理元素对摄像头数据流进行图像分析。独立的处理核心或CPU可以将摄像头数据与雷达或激光雷达数据融合，通过不同传感器类型的数据“融合”来更好地理解车辆周围环境。其他核心则可以专注于“策略”处理，根据传感器分析结果来决定所需的行动。   从几十年的数据中心发展中学习，已经确定了一些可扩展高性能计算（HPC）架构的基本元素。这些包括具有专用图像处理（推理和加速）引擎的HPC系统芯片（SoC），以及用于SoC之间数据传输的高带宽、低延迟的PCIe®互连。此外，车内以太网网络连接与HPC集群连接，将传感器数据流和控制信号传输到其他主要的车辆系统。一个安全处理元素管理HPC系统的运行。

解决不断增长的复杂性

下一代汽车将由引入汽车行业的新技术来定义。制造商渴望利用最新的5G无线通信来提高安全性和用户体验。车辆将成为动态网络的一部分，与其他道路使用者甚至交通控制基础设施共享信息，以使旅行更安全、更高效。这种车联网 (V2X) 通信将要求车辆配备比通常更多的传感器、控制和计算能力。   在广为宣传和备受期待的向自动驾驶或无人驾驶汽车的转变中，这将更加关键。高级驾驶辅助系统 (ADAS) 已经为驾驶者提供了复杂的道路安全解决方案。与其他道路使用者的互动将取决于能够以最低延迟收集、分析并对周围环境信息采取行动的系统。   然而，汽车环境对安全关键系统而言是一个挑战。即使是因振动导致的片刻连接中断也可能导致关键信息的重大损失。设计人员将需要一系列微型化连接器解决方案，这些解决方案在振动下具有容忍性，同时提供比汽车行业今天所见速度要高得多的数据传输速率。

用于汽车高性能计算的典型数据中心类型架构

以太网作为车内网络主干的主导技术

在高速公路和城市环境中，数据传输中的任何延迟或延误都可能是致命的。为了快速有效地将数据从传感器传输到边缘处理器，然后再传输到或在中央计算单元之间，车辆的数据网络必须是其最关键的系统。   以太网已成为大多数全球OEM制造商车载网络骨干的主流技术。作为全球数据中心的标准，以太网提供了庞大的供应商基础、具有成本效益和可扩展的带宽选项，以及多种适合汽车行业的调整。对于主流网络需求，百兆和千兆速度的单对以太网（BASE-T1）标准满足了大多数要求，并在全球广泛部署。BASE-T1减少了电缆数量，提供了减重和降低以太网物理层成本的潜力。   10BASE-T1S技术的出现提供了一种低带宽、具有成本吸引力的替代CAN网络的方案。10BASE-T1S标准支持多点功能，简化了不同车辆区域中传感器的布线。它还可能消除以前用于处理和路由CAN消息的ECU，简化区域网络控制节点的设计。这些节点在车辆内部的不同点上将数据流聚合到骨干网上，类似于高速公路的入口。   串行器-解串器（SerDes）技术为连续的、主要是单向的数据传输需求提供了高带宽、具有成本效益的解决方案。带有原始数据接口的摄像头利用SerDes实现高性能图像识别所需的实时数据传输。使用SerDes接口无需在摄像头上进行预处理，允许原始数据直接发送到ADAS SoC，优化的视频引擎可以更高效地处理完整像素的数据。这提高了整体系统性能，避免了摄像头端冗余预处理硬件的成本。在实践中，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，使得摄像头上的数据预处理成为不必要的资源消耗。   对于只有以太网连接或像素完整数据非必需（例如：倒车摄像头）的应用，以太网摄像头可以更具成本效益。以前，SerDes解决方案通常是专有的，将OEM设计锁定在特定供应商的硬件和软件限制中。现在，随着来自汽车SerDes联盟（ASA-ML）的Motion Link标准出现，提供了可扩展和互操作的产品，为OEM提供了更优越和灵活的长期生态系统，提升摄像头数据管理效率和系统兼容性。   PCIe是数据中心内高带宽CPU间通信的标准。PCIe提供了极低的延迟，这对于处理安全关键数据至关重要。PCIe通过简单地增加在任何给定“端口”内的通道数（接收/发送对）来实现可扩展的带宽，允许连接根据实际带宽需求轻松优化。此外，PCIe协议几乎被所有高性能处理器支持，这在选择来自不同供应商的SoC执行不同任务时是一个显著的优势。虽然没有特定的汽车PCIe标准，但其优越的延迟和低处理开销使其在汽车应用中得到广泛采用，并且已有汽车资格认证的芯片可用。当前ADAS SoC中常用的四通道Gen4连接提供了64 GT/s（大致相当于64 Gbps）的带宽，使其非常适合于高速共享图像数据。

用于“车轮上的数据中心”的高速接口

软件定义车辆作为未来汽车应用的核心

软件开发已成为几乎所有车辆功能的核心，不仅仅是开发AI系统来解读车辆的环境并应对紧急情况。在早期的车辆平台中，软件主要用于实现诸如防抱死制动系统 (ABS) 之类的独特的高级功能。随着信息娱乐和人机界面的发展，类似于智能手机中的应用软件开始在车载应用处理器上运行。如今，车辆的底盘、动力传动、安全功能和信息娱乐越来越多地通过软件来实现。这催生了软件定义车辆 (SDV) 的概念，使车辆在整个生命周期中可以升级，增强现有功能并添加新功能。   传统上，针对传统功能专用系统如发动机管理的软件升级是在维修期间通过数据线完成的。现在，越来越多的制造商采用空中（OTA）更新。OEM的OTA更新可以包括错误修复、新功能添加或性能增强，例如高海拔驾驶或越野处理的改进。   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。新功能可以在车辆离开生产线数年后添加，可能降低折旧率。增强的维护功能可以作为一个套餐出售，实现对零件磨损的实时监控，并根据实际使用情况而不是仅仅行驶里程来安排维护。   然而，汽车公司如果在实施基本数据中心技术方面的经验有限，必须投入发展新技能。网络管理已成为一个以前独立系统不需要的专业功能领域。汽车独有的功能安全流程，如ISO 26262，与数据中心硬件和软件相结合，影响电子和软件系统的开发和实施。

数据通过PCIe®互连在HPC系统中流动

用于ADAS和自动驾驶应用的综合产品组合

Microchip 提供广泛的产品线以满足高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶应用的需求。该领域的主要技术平台包括功能安全、嵌入式安全、触控和手势以及以太网技术，形成了相当完整的产品组合。   终端产品的稳健性、可靠性和安全性变得越来越重要。在功能安全产品组合中，Microchip 支持符合功能安全标准或已做好功能安全准备的产品，如微控制器（MCUs）和数字信号控制器（DSCs），包括 AVR® 和 PIC® MCUs、dsPIC® DSCs、SAM 和 PIC32 MCUs，以及现场可编程门阵列（FPGAs）和 SoCs。这些产品采用最新的硬件安全特性和支持文档，以帮助实现 ISO 26262、IEC 61508 和 IEC 60730 安全认证。部分 Microchip 的设备已经获得功能安全认证，意味着它们遵循 ISO 26262 兼容流程开发，根据 AEC-Q100 标准设计，并具有专业的硬件安全特性。   对于嵌入式安全平台，Microchip 提供全面的安全 IC 产品组合，以及以安全为重点的 MCUs、微处理器（MPUs）和 FPGAs。它还提供软件库、增强协议、开发套件、培训和其他资源，以帮助客户快速开始构建安全解决方案。   在触控和手势应用平台中，Microchip 提供带触控功能的 MCUs、电容触控控制器和 3D 手势控制器，使机械按钮替换为触控或手势控制接口，以增强产品的用户交互体验。Microchip 为各种应用提供电容触控解决方案。其触控产品包括即插即用的电容触控控制器、用于在大多数 PIC®、AVR® 和 SAM MCUs 实现触控感应的触控库，以及 dsPIC33C DSCs，和用于几乎任何产品添加手势识别的单芯片解决方案。   Microchip 还提供灵活的以太网解决方案，以将稳健可靠的高速通信添加到嵌入式设计中。Microchip 的独立设备以及以太网功能的 MCUs 和 MPUs 使以太网在应用中易于实现。Microchip 为其以太网产品提供定时解决方案，以帮助在设计中实现更高的可靠性和更低的功耗，满足汽车网络应用的 AEC-Q100 要求。Microchip 的高性能以太网收发器（PHYs）显著减少了占用空间、功耗和成本，提供 10BASE-T、10BASE-T1S、100BASE-TX、100BASE-T1 和 1000BASE-T PHYs。Microchip 的以太网桥通过 USB、高速芯片间（HSIC）、PCI™ 或 PCI Express®（PCIe®）接口实现灵活的以太网连接至主处理器，从而缩短开发时间。

结论