隨著電子的不斷發(fā)展，FPGA在汽車中的應(yīng)用越來越廣泛，在汽車的更多系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。

FPGA在汽車相機和傳感器中的應(yīng)用已經(jīng)很成熟，同時也在一系列新技術(shù)中贏得了一席之地，包括將成為自動駕駛汽車中心邏輯的人工智能系統(tǒng)，以及新型傳感和通信技術(shù)。

西門子事業(yè)部Mentor的Catapult HLS綜合與驗證高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Stuart Clubb表示：“駕駛輔助應(yīng)用的自動處理有很多概念，」「各種文章都在討論怎樣去做，但首先要考慮的是它昂貴的價格。你不能在一輛價值2萬美元的車?yán)镅b一個12000美元的液冷英偉達(dá) GPU盒子”，就算是福特?zé)o法投入足夠的資金來做到這一點。他強調(diào)。

汽車業(yè)是一個相對利潤率低、業(yè)務(wù)量大的企業(yè)。雖然數(shù)量肯定不能與過去十年一直保持摩爾定律的智能手機相比，但汽車制造商過去的數(shù)十年一直努力從供應(yīng)鏈中擠出成本。隨著越來越多的電子產(chǎn)品被應(yīng)用到汽車中，芯片和電子子系統(tǒng)也有了價格壓力。

但汽車領(lǐng)域為芯片制造商增加了一些主要障礙。除了盡可能降低成本外，它們還必須符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 26262和ASIL A、B、C和D，并滿足十年或更長時間內(nèi)的彈性、老化和可靠性要求。這就是問題的源頭，因為技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)幾乎一直在發(fā)展，這也是汽車公司開始依賴FPGA作為首選處理器架構(gòu)的原因。

Clubb說：「這不僅是「我們運行了30分鐘，看起來不錯，發(fā)貨吧。」這是完全不同的一個方面。」「如果看一下人工智能目前的進(jìn)展，那人們正討論的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是機器學(xué)習(xí)中最重要的事情。傳統(tǒng)的高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）指行人檢測、雷達(dá)處理等，但CNN是一個巨大的實驗領(lǐng)域，因為沒有人真正了解它們的工作原理。沒有數(shù)學(xué)依據(jù)證明它們?yōu)槭裁垂ぷ饕约叭绾喂ぷ鳎鼈冎皇悄菢幼隽恕Ｋň矸e池和訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)訓(xùn)練一件事的網(wǎng)絡(luò)時，它看起來很好，但當(dāng)你訓(xùn)練幾件事時，它就不工作了。大家一度認(rèn)為解決方案有很多并且有很多浮點，這可能是英特爾推出Stratix 10器件上所有浮點單元的原因，因為這將是機器學(xué)習(xí)[平臺]。它要么推斷，要么訓(xùn)練，這是非常棒的。」

那是在GPU贏得算法訓(xùn)練市場之前。現(xiàn)在已經(jīng)證明GPU是一種低價的訓(xùn)練架構(gòu)，因為它們很容易并行化，并且大多數(shù)算法開發(fā)人員都很熟悉。這使得它們成為開發(fā)訓(xùn)練算法的數(shù)據(jù)中心的理想選擇。但它并不是推理的最佳架構(gòu)，其功耗、性能和面積比訓(xùn)練更重要。

Clubb說，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是量化。 「哪種網(wǎng)絡(luò)？我如何建立該網(wǎng)絡(luò)？什么是內(nèi)存架構(gòu)？通過網(wǎng)絡(luò)，雖然只有幾層，開始時輸入大量數(shù)據(jù)和一些系數(shù)，它很快就會轉(zhuǎn)向百萬個系數(shù)，它的內(nèi)存帶寬變得非常可怕，沒有人知道真正的架構(gòu)是什么。」

這些問題與用戶強烈地共鳴，因為EDA領(lǐng)域的許多工具提供商都提出了強烈的需求，并參加了有關(guān)AI/機器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)相關(guān)的研討會和活動。當(dāng)答案尚不明確時，設(shè)計定制ASIC的成本太高。

他說：「你唯一能做的就是買帶有一堆加速器的CPU，但是沒人真正找到正確的答案。福特和通用汽車已經(jīng)表示他們希望整個自動駕駛系統(tǒng)的功耗為100瓦甚至更低，而現(xiàn)在證明這相當(dāng)于驅(qū)動后備箱的100臺筆記本電腦，因此這還有很長的路要走，而不是僅僅通過一堆GPU來解決。有人會找到通用的解決方案或具有某些可更新的具體的定制方案。這也是我們開始看到嵌入式FPGA之類的事物已經(jīng)復(fù)蘇的原因。」

圖1：英特爾的FPGA和加速堆棧。來源：英特爾。

eFPGAs的角色越來越重要

分立FPGA的最大問題是汽車公司無法使輸入和輸出這些芯片的數(shù)據(jù)足夠快，F(xiàn)lex Logix首席執(zhí)行官Geoff Tate說：「FPGA上有很多SerDes通信，而且它們的性能很好，但如果你看128位總線可以在芯片上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量時，SerDes就并沒有那么快。因此，任何時候任何芯片的輸入和輸出，通常是一個瓶頸。為了發(fā)揮FPGA的作用，它通常要和FPGA之外的事物通話。這就是Xilinx和Altera開發(fā)SoC芯片的原因，這一定程度上可以緩解這一狀況。但Zynq-type 芯片非常大而且很貴，所以一類客戶喜歡通過FPGA實現(xiàn)更具成本效益的解決方案，但不一定需要數(shù)百萬個LUT或數(shù)十萬個LUT。」

市場觀察發(fā)現(xiàn)，Tate相信有許多SoC和微控制器公司希望集成FPGA。「他們看到了它的價值。我們發(fā)布的應(yīng)用展示了基于可重配置FPGA的加速器比Arm處理器快在哪里。但目前的挑戰(zhàn)是大多數(shù)微控制器公司都習(xí)慣C語言編程，他們通常不會用Verilog編程。另一個挑戰(zhàn)是如果你看一個FPGA，這些東西的編程模型通常是一個客戶編寫所有的代碼。現(xiàn)在，通過計算機或時間共享和多核，有許多程序在操作系統(tǒng)里同時運行。有人問如何轉(zhuǎn)向模塊化或多核FPGA架構(gòu)，這就相當(dāng)于一個應(yīng)用程序庫，可以在多個不同的SoC和微控制器上運行，無需人們學(xué)習(xí)RTL。如何使FPGA更像處理器，可以同時運行塊代碼，不同人可以同時寫不同塊的代碼，或繞過當(dāng)前的大塊的RTL模型，一個人一次完成編程？這會讓不是RTL專家的人更容易獲得嵌入式FPGA的價值主張。」

分立FPGA長期以來一直用于汽車領(lǐng)域，其中包括了從儀表控制臺和娛樂功能（統(tǒng)稱為信息娛樂系統(tǒng)），到駕駛員輔助。Arteris IP首席技術(shù)官Ty Garibay表示：「Altera在激光雷達(dá)，聲納和雷達(dá)的傳感器融合方面贏得了眾多席位。你可以通過不同的格式將數(shù)據(jù)在每個接口合并，在另一端口吐出。因此，F(xiàn)PGA幾乎可以用在任何高端汽車上。例如在360度全景攝影上，Altera和Xilinx幾乎擁有所有后視攝像頭市場。」

他指出，F(xiàn)PGA對汽車制造商來說也具有成本效益，因為傳感器技術(shù)可能會發(fā)展，但整個FPGA不需要重新認(rèn)證。

但是，分立FPGA并不適用于所有產(chǎn)品，Achronix的系統(tǒng)架構(gòu)師Kent Orthner說：「對于向駕駛員提供指導(dǎo)或警告的駕駛員輔助來說，傳統(tǒng)的FPGA就足夠了。通過對自適應(yīng)巡航、自動換道和自動平行停車應(yīng)用制動或油門，「駕駛員輔助」的意思正在轉(zhuǎn)變?yōu)椤格{駛員操控車輛」。由于FPGA負(fù)責(zé)汽車的自動操控，功能安全要求變得更加嚴(yán)格，更加難以滿足。」

他說，一支擁有開發(fā)滿足汽車功能安全要求的ASIC或SoC所需經(jīng)驗的設(shè)計團隊可以使用該設(shè)備——將eFAGA作為整個解決方案的一個組成部分。「然后這個團隊可以將他們的功能安全知識應(yīng)用于汽車eFPGA SoC的設(shè)計、驗證、記錄和描述，從而使該設(shè)備比傳統(tǒng)的獨立FPGA更容易滿足安全要求。此外，eFPGA提供了更多機會，從而可以根據(jù)手頭的應(yīng)用定制FPGA的內(nèi)核。對于汽車而言，這意味著可以使用專門的硬件電路來滿足彈性要求和冗余。」

另一種力量

汽車領(lǐng)域?qū)﹄娏ο嚓P(guān)的問題并不陌生。功率預(yù)算會影響每加侖或每次充電的里程數(shù)，特別是當(dāng)電動汽車越來越多時。除了這些新的電子技術(shù)外，汽車制造商也必須滿足政府所有的里程要求。

Mentor的Clubb說：「特斯拉有三種冷卻系統(tǒng)，有常規(guī)冷卻系統(tǒng)、HVAC等等。電池有一個冷卻系統(tǒng)，然后是基于GPU的大型顯示器的冷卻系統(tǒng)。它用在10萬美元的車上很好，但我認(rèn)為并不適用于本田思域。出于同樣的原因，我也不會在上面投入5000美元的FPGA。過去的經(jīng)驗是，如果向最終客戶銷售的產(chǎn)品成本低于1000美元，那就不會在其中加入FPGA。盡管如此，工程團隊還是有一個不同的說法，「我有個非常復(fù)雜的加速算法，不能通過軟件做，當(dāng)然不能在Arm處理器上做到這一點（GPU是沒問題的，但是價格方面），所以需要一些自定義硬件。因為我不確定我已經(jīng)有正確的方案了，所以需要一個中途可編程的解決方案。」這就是Soc盛行的原因。但FPGA SoC的危險在于它很容易被鎖定在提供的IP中。」

圖2：特斯拉的帶狀冷卻管。資料來源：Teslarati.com

IP在其它地方都不一定發(fā)揮很好的作用。

他說：「現(xiàn)在，讓你鎖在FPGA平臺的障礙需要慎重考慮，即使RTL中有你為FPGA編寫的秘密，甚至是你用FPGA工具完成的HLS，這些又會鎖住你。使用這種設(shè)計方法你做不了任何事情，如果你正在進(jìn)行概念驗證并希望被亞馬遜或Facebook收購，這是可以的，但如果你打算生產(chǎn)真正的產(chǎn)品，那需要考慮擺脫這種情況，因為你實際上已經(jīng)設(shè)計了IP或購買了它。這會使5000美元的FPGA看起來沒有那么貴，因為你還沒有為這個IP付費；但這也是一個你將如何付費的問題。人們的生產(chǎn)預(yù)算和發(fā)展預(yù)算上做了很大的區(qū)分。」

汽車市場提出了非常具體的要求，因此汽車的好消息/壞消息是，雖然有這些嚴(yán)格的要求，但他們也希望這些芯片能夠工作至少10年，高級主管Piyush Sancheti說道。「在我們開始使用一次性汽車之前 ，我們希望我們的汽車至少可以工作10年。」

這種動態(tài)本身給專注于消費產(chǎn)品的半導(dǎo)體公司帶來了新的挑戰(zhàn)。

Marvell連接業(yè)務(wù)集團技術(shù)營銷總監(jiān)Avinash Ghirnikar表示，對其他人來說，靈活性帶來了不同的方法。自2005年來，該公司一直致力于汽車和通過汽車專用設(shè)備（如88Q9098無線SoC）改變汽車需求的方法。「這款設(shè)備不是我們?yōu)?a target="_blank">手機設(shè)計的，而是剛剛進(jìn)入了汽車市場。正如我們和Tier One和OEM談過的那樣，他們中的很多人都表達(dá)了制定可定制解決方案的愿望，因此我們提供固件SDK，使他們定制他們的WiFi解決方案。這意味著如果通用汽車想要凱迪拉克和雪佛蘭科魯茲的解決方案，他們可以為凱迪拉克創(chuàng)造一些定制，這可能與雪佛蘭科魯茲的定制不同。環(huán)境不同，它們的用例可能略有不同。」

最后，設(shè)計方法以及FPGA等技術(shù)的靈活性為汽車原始設(shè)備制造商定制汽車提供了更多的選擇，并隨著汽車需求的成熟而適應(yīng)不斷變化的要求。