【導讀】隨著汽車智能化程度的快速提高，大量新的處理器和係統級芯片（SoC）被(bei)廣(guang)泛(fan)引(yin)入(ru)到(dao)車(che)輛(liang)中(zhong)，無(wu)論(lun)是(shi)在(zai)駕(jia)駛(shi)還(hai)是(shi)座(zuo)艙(cang)等(deng)場(chang)景(jing)，無(wu)論(lun)采(cai)用(yong)域(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)模(mo)式(shi)還(hai)是(shi)新(xin)興(xing)的(de)中(zhong)央(yang)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)模(mo)式(shi)，都(dou)無(wu)一(yi)例(li)外(wai)地(di)在(zai)考(kao)慮(lv)加(jia)入(ru)更(geng)加(jia)智(zhi)能(neng)化(hua)的(de)新(xin)功(gong)能(neng)。但(dan)是(shi)隨(sui)之(zhi)而(er)來(lai)的(de)是(shi)這(zhe)些(xie)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)中(zhong)的(de)相(xiang)關(guan)芯(xin)片(pian)的(de)係(xi)統(tong)級(ji)故(gu)障(zhang)或(huo)意(yi)外(wai)行(xing)為(wei)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)的(de)危(wei)險(xian)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)發(fa)現(xian)這(zhe)些(xie)故(gu)障(zhang)或(huo)可(ke)能(neng)的(de)意(yi)外(wai)並(bing)提(ti)供(gong)相(xiang)應(ying)的(de)保(bao)護(hu)措(cuo)施(shi)
，這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)就(jiu)是(shi)為(wei)汽(qi)車(che)芯(xin)片(pian)建(jian)立(li)和(he)提(ti)供(gong)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)（Functional Safety
，亦簡稱FuSa）解決方案。

隨著汽車智能化程度的快速提高
，大量新的處理器和係統級芯片（SoC）被(bei)廣(guang)泛(fan)引(yin)入(ru)到(dao)車(che)輛(liang)中(zhong)
，無(wu)論(lun)是(shi)在(zai)駕(jia)駛(shi)還(hai)是(shi)座(zuo)艙(cang)等(deng)場(chang)景(jing)，無(wu)論(lun)采(cai)用(yong)域(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)模(mo)式(shi)還(hai)是(shi)新(xin)興(xing)的(de)中(zhong)央(yang)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)模(mo)式(shi)
，都(dou)無(wu)一(yi)例(li)外(wai)地(di)在(zai)考(kao)慮(lv)加(jia)入(ru)更(geng)加(jia)智(zhi)能(neng)化(hua)的(de)新(xin)功(gong)能(neng)。但(dan)是(shi)隨(sui)之(zhi)而(er)來(lai)的(de)是(shi)這(zhe)些(xie)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)中(zhong)的(de)相(xiang)關(guan)芯(xin)片(pian)的(de)係(xi)統(tong)級(ji)故(gu)障(zhang)或(huo)意(yi)外(wai)行(xing)為(wei)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)的(de)危(wei)險(xian)
，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)發(fa)現(xian)這(zhe)些(xie)故(gu)障(zhang)或(huo)可(ke)能(neng)的(de)意(yi)外(wai)並(bing)提(ti)供(gong)相(xiang)應(ying)的(de)保(bao)護(hu)措(cuo)施(shi)

，這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)就(jiu)是(shi)為(wei)汽(qi)車(che)芯(xin)片(pian)建(jian)立(li)和(he)提(ti)供(gong)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)（Functional Safety，亦簡稱FuSa）解決方案。

具體到一款微控製器（MCU）

、中央處理器（CPU）或者圖形處理器（GPU）或以它們為核心的SoC或者專用集成電路（ASIC）上shang，功gong能neng安an全quan就jiu是shi要yao確que保bao芯xin片pian功gong能neng按an照zhao設she計ji的de要yao求qiu去qu運yun行xing
，因yin為wei如ru果guo一yi輛liang汽qi車che不bu能neng按an照zhao你ni設she計ji的de功gong能neng去qu執zhi行xing，那na汽qi車che的de諸zhu如ru目mu標biao和he指zhi示shi牌pai識shi別bie、刹車或者其他自動加速功能可能就會失效，這個時候就很危險並為駕駛員、乘客、路人、車che輛liang和he其qi他ta財cai物wu等deng帶dai來lai了le威wei脅xie。所suo以yi功gong能neng安an全quan很hen重zhong要yao，但dan也ye需xu要yao付fu出chu一yi定ding的de成cheng本ben
，比bi如ru額e外wai的de芯xin片pian麵mian積ji
，招zhao聘pin有you經jing驗yan的de設she計ji人ren員yuan
，執zhi行xing嚴yan格ge的de功gong能neng安an全quan研yan發fa流liu程cheng
，進jin行xing安an全quan認ren證zheng等deng。

圖一

、Imagination DXS汽車GPU在提供領先的圖形處理能力和AI算力的同時，還打造了創新的分布式功能安全機製，為相關領域內的創新提供了一種全新的模式和思路

在實際工作中
，汽車芯片功能安全覆蓋了一顆芯片的規格製定、策略與方法選擇、芯片研發、機製驗證、芯片生產、下遊係統設計和運行等產品定義及實現
，以及生命周期內的所有活動及管理過程，同時還需要通過ISO26262denggongnenganquanceshi。zheyiqiegeiqichexinpianshejizhizaoqiyejichechangheyijigongyingshangdenghuanjiedailailegenggaodechengbenhegengduodegongzuoliang，shixuduochechangzuizhongxuanzelehulvehuozhejiangdigongnenganquanyaoqiudexingwei
，zhezaixianjinjiashiyuanfuzhu（ADAS）和自動駕駛（AD）越來越普及的今天帶來了更多不安全因素，因此汽車芯片在功能安全領域內迫切需要能夠降低成本和工作量的創新。

現有的汽車功能安全策略和實施方法

目前市場上主要的功能安全解決方案有兩種：應用最廣泛的一種被稱為“鎖步（lockstep）”解決方案，這是一種比較簡單粗暴的方法，在汽車CPU中(zhong)被(bei)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)。該(gai)方(fang)法(fa)就(jiu)是(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)處(chu)理(li)器(qi)內(nei)核(he)等(deng)同(tong)樣(yang)的(de)邏(luo)輯(ji)來(lai)執(zhi)行(xing)一(yi)個(ge)程(cheng)序(xu)以(yi)實(shi)現(xian)同(tong)樣(yang)的(de)一(yi)個(ge)功(gong)能(neng)，由(you)它(ta)們(men)同(tong)時(shi)執(zhi)行(xing)並(bing)在(zai)執(zhi)行(xing)完(wan)之(zhi)後(hou)來(lai)比(bi)較(jiao)這(zhe)個(ge)結(jie)果(guo)，看(kan)看(kan)這(zhe)兩(liang)個(ge)結(jie)果(guo)是(shi)否(fou)一(yi)致(zhi)。在(zai)受(shou)到(dao)高(gao)溫(wen)或(huo)者(zhe)高(gao)濕(shi)影(ying)響(xiang)時(shi)
，如(ru)果(guo)這(zhe)兩(liang)個(ge)內(nei)核(he)得(de)到(dao)的(de)兩(liang)個(ge)結(jie)果(guo)是(shi)一(yi)致(zhi)的(de)話(hua)
，那(na)證(zheng)明(ming)這(zhe)兩(liang)塊(kuai)邏(luo)輯(ji)是(shi)運(yun)行(xing)正(zheng)確(que)的(de)，有(you)關(guan)計(ji)算(suan)和(he)控(kong)製(zhi)還(hai)能(neng)正(zheng)確(que)地(di)執(zhi)行(xing)。

圖二、鎖步架構原理圖（圖片來源：《車規芯片——雙核鎖步介紹》）

但(dan)這(zhe)種(zhong)方(fang)案(an)帶(dai)來(lai)的(de)代(dai)價(jia)是(shi)什(shen)麼(me)？代(dai)價(jia)就(jiu)是(shi)兩(liang)套(tao)相(xiang)同(tong)的(de)計(ji)算(suan)和(he)處(chu)理(li)單(dan)元(yuan)要(yao)消(xiao)耗(hao)多(duo)一(yi)倍(bei)的(de)芯(xin)片(pian)麵(mian)積(ji)
，或(huo)者(zhe)就(jiu)是(shi)麵(mian)向(xiang)同(tong)樣(yang)處(chu)理(li)功(gong)能(neng)的(de)汽(qi)車(che)芯(xin)片(pian)的(de)麵(mian)積(ji)要(yao)比(bi)傳(chuan)統(tong)的(de)手(shou)機(ji)芯(xin)片(pian)的(de)麵(mian)積(ji)要(yao)大(da)一(yi)倍(bei)。這(zhe)種(zhong)成(cheng)本(ben)大(da)幅(fu)提(ti)升(sheng)對(dui)於(yu)大(da)部(bu)分(fen)的(de)客(ke)戶(hu)是(shi)沒(mei)法(fa)接(jie)受(shou)的(de)，因(yin)為(wei)對(dui)於(yu)芯(xin)片(pian)開(kai)發(fa)商(shang)來(lai)說(shuo)
，一(yi)款(kuan)芯(xin)片(pian)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)成(cheng)本(ben)來(lai)自(zi)於(yu)其(qi)片(pian)芯(xin)的(de)麵(mian)積(ji)（die size）。如果為實現一個新的功能，最終需要增加一倍的片芯麵積就意味著在一張8英寸或者12英寸上能夠切出來的芯片數量減少了超過一半。

第二種實現功能安全的辦法就是去把同一項工作執行兩次，如GPU渲染兩次或者CPU計ji算suan兩liang次ci
，再zai看kan一yi下xia這zhe兩liang次ci數shu據ju處chu理li運yun算suan的de結jie果guo是shi否fou一yi致zhi。如ru果guo兩liang次ci運yun算suan的de結jie果guo不bu同tong就jiu會hui發fa現xian錯cuo誤wu
，因yin為wei汽qi車che的de使shi用yong環huan境jing非fei常chang複fu雜za，芯xin片pian裏li麵mian有you些xie錯cuo誤wu是shi隨sui機ji錯cuo誤wu
，有you些xie錯cuo誤wu是shi長chang期qi錯cuo誤wu。對dui於yu隨sui機ji錯cuo誤wu
，通tong過guo重zhong複fu執zhi行xing兩liang次ci比bi較jiao一yi下xia結jie果guo

，如ru果guo是shi不bu一yi樣yang就jiu上shang報bao情qing況kuang以yi確que認ren這zhe個ge功gong能neng有you問wen題ti。這zhe種zhong重zhong複fu執zhi行xing的de方fang法fa就jiu可ke以yi避bi免mian一yi些xie隨sui機ji錯cuo誤wu。這zhe樣yang的de方fang法fa帶dai來lai的de結jie果guo是shi什shen麼me？因yin為wei重zhong複fu工gong作zuo所suo得de到dao的de性xing能neng就jiu會hui減jian到dao原yuan來lai的de一yi半ban，所suo以yi這zhe也ye可ke能neng是shi用yong戶hu沒mei法fa接jie受shou的de方fang案an。

圖三、主從式處理器驗證方式（圖片來源：《車規級處理器中的LockStep技術》）

圖四、內部驗證方式（圖片來源：《車規級處理器中的LockStep技術》）

因yin此ci，無wu論lun是shi鎖suo步bu方fang案an還hai是shi重zhong複fu執zhi行xing方fang案an給gei汽qi車che廠chang商shang和he芯xin片pian廠chang商shang都dou帶dai來lai了le甚shen至zhi是shi沒mei法fa接jie受shou的de挑tiao戰zhan，這zhe也ye導dao致zhi了le功gong能neng安an全quan在zai許xu多duo實shi際ji汽qi車che應ying用yong中zhong很hen難nan得de到dao全quan麵mian的de接jie收shou。最zui主zhu要yao的de原yuan因yin為wei性xing價jia比bi，因yin為wei芯xin片pian麵mian積ji增zeng加jia一yi倍bei或huo者zhe是shi性xing能neng降jiang低di為wei二er分fen之zhi一yi
，對dui於yu廠chang商shang來lai說shuo它ta的de成cheng本ben也ye就jiu增zeng加jia了le一yi倍bei。這zhe個ge增zeng加jia一yi倍bei的de成cheng本ben
，最zui後hou都dou要yao轉zhuan嫁jia到dao消xiao費fei者zhe頭tou上shang
，在zai過guo去qu汽qi車che智zhi能neng化hua程cheng度du比bi較jiao低di的de情qing況kuang下xia
，沒mei有you太tai多duo客ke戶hu願yuan意yi為wei這zhe個ge功gong能neng安an全quan買mai單dan
，所suo以yi沒mei有you急ji迫po性xing一yi直zhi沒mei有you得de到dao全quan麵mian的de應ying用yong。但dan汽qi車che智zhi能neng化hua這zhe一yi趨qu勢shi正zheng在zai迫po使shi行xing業ye做zuo出chu改gai變bian。

創新的分布式功能安全機製帶來全新的模式

不久前，全球領先的圖形處理器及相關矽知識產權（IP）提供商Imagination Technologies發布的一款新型汽車GPU就為功能安全領域內的創新帶來了全新的思路。搭載該公司的GPU IP產品的設備的出貨量已經超過了130億台，同時在車載GPU行業已經耕耘了超過20年，因此無論是該公司在GPU領域內的成就
，還是新一代汽車GPU產品的功能安全性能都值得關注。我們來研究分析其新發布的全新一代GPU產品Imagination DXS GPU在功能安全方麵的創新。

圖五
、Imagination DXS GPU的三大創新

DXS GPU是目前汽車應用領域內性能最高，同時具有完善功能安全的GPU，wanmeidipipeilejintianqicheduiyuzhongyangjisuandeyaoqiu。tashouxianshiyigeqiangdadetuxingchuliqi，keyizhichicheneisuoyoudepingmuyulehejiaohunengli。wulunshiweiyujiashicangqianbudetuxianyibiaopanhedapingmu，haishihoumianhouzuodeyulexianshi
，DXS的硬件性能比前一代提升了50%。由於軟硬件上協同的投入，對於AI的這一塊的性能提升遠遠超過50%，它提供了遠高於CPU的計算性能
，同時提供了遠遠高於NPU以及這類加速器SoC的編程靈活性。

除了性能之外，DXS GPU的最重要創新就是全新的功能安全解決方案：分布式功能安全機製（Distributed Functional Safety）。DXS GPU中zhong創chuang新xin的de分fen布bu式shi安an全quan機ji製zhi幾ji乎hu完wan全quan消xiao除chu了le以yi前qian的de其qi他ta功gong能neng安an全quan方fang案an實shi現xian安an全quan機ji製zhi帶dai來lai的de性xing能neng以yi及ji片pian芯xin麵mian積ji損sun失shi，大da大da降jiang低di了le實shi現xian功gong能neng安an全quan的de代dai價jia，它ta僅jin僅jin額e外wai消xiao耗hao了le大da概gai10%的片芯麵積，用10%的片芯麵積帶來了100%性能。這是廣受芯片開發廠商所歡迎的創新
，因為用非常小的代價實現了功能安全
，解決了汽車芯片的一個非常重要的問題。

圖六、分布式功能安全機製與雙核鎖步和重複執行兩種方案的對比

DXS GPU是怎麼成功地解決這個問題的呢？Imagination作為一個傳統的GPU玩家，對GPU怎麼運行非常清楚，所以利用了GPU的一些特性來非常靈活地實現了功能安全機製。首先一個特性是：作為一種並行處理器
，GPU裏麵有一套並行計算的機製
，GPU為(wei)了(le)掩(yan)飾(shi)和(he)隱(yin)藏(zang)延(yan)遲(chi)，在(zai)計(ji)算(suan)時(shi)采(cai)用(yong)了(le)並(bing)行(xing)的(de)很(hen)多(duo)線(xian)程(cheng)或(huo)者(zhe)重(zhong)複(fu)單(dan)元(yuan)。第(di)二(er)個(ge)特(te)性(xing)就(jiu)是(shi)當(dang)一(yi)個(ge)線(xian)程(cheng)拿(na)不(bu)到(dao)它(ta)要(yao)執(zhi)行(xing)的(de)資(zi)源(yuan)時(shi)，它(ta)就(jiu)會(hui)自(zi)動(dong)地(di)被(bei)切(qie)換(huan)出(chu)去(qu)或(huo)者(zhe)把(ba)它(ta)移(yi)出(chu)執(zhi)行(xing)

，等(deng)到(dao)它(ta)有(you)資(zi)源(yuan)來(lai)到(dao)的(de)時(shi)候(hou)再(zai)去(qu)執(zhi)行(xing)。

根據這兩個特性
，在GPU的一個線程停工等待的時候，就在其中插入一些測試模板或者測試集；liyongtongyangdeceshiji，zailingyigexianchengchuyudengdaideshihou
，yecharutongyigeceshimobanhuoyangli
，ranhouzhixingzhelianggeceshi。zaizhixingwanzhelianggexianchengzhihou，duibijieguojiuhuizhidaozhelianggexianchengzhixingdejieguoshifouyizhi

，ruguoyoubutongjiuhuishangbaojieguotixingxitongheyonghushenhegaigongnengshifouanquan；該機製也知道了一項功能具體在哪一個硬件上去執行，就保證了這些執行的硬件的功能安全。DXS GPU可以在相關等級上一直保證這些硬件的功能正確，沒有受到環境、濕度
、溫度的影響。當然

，Imagination還為DXS GPU提供了其他的機製來保證邏輯模塊以及存儲模塊的功能正確。

目前，行業在汽車功能安全方麵已經建立了完善的標準、測試方法和分級標定。在ISO26262標準中，根據嚴重度S、暴露概率E和可控性C三個因素，製定了汽車安全完整性等級（Automotive Safety Integration Level，ASIL）體係，分為A
、B
、C、D四個等級。作為常用的安全等級衡量標準
，ASIL A最低，ASIL D最高
，等級越高意味著該產品失效後可能引起的安全風險越大。Imagination DXS GPU可實現ASIL B等級的功能安全性。

圖七、Imagination DXS GPU實現ASIL B等級功能安全性

總結

隨(sui)著(zhe)汽(qi)車(che)新(xin)四(si)化(hua)的(de)不(bu)斷(duan)推(tui)進(jin)，汽(qi)車(che)中(zhong)的(de)芯(xin)片(pian)數(shu)量(liang)將(jiang)快(kuai)速(su)增(zeng)加(jia)。除(chu)了(le)關(guan)注(zhu)這(zhe)些(xie)芯(xin)片(pian)的(de)算(suan)力(li)和(he)連(lian)接(jie)帶(dai)寬(kuan)等(deng)性(xing)能(neng)之(zhi)外(wai)
，同(tong)樣(yang)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)打(da)造(zao)和(he)推(tui)出(chu)全(quan)新(xin)的(de)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。Imagination結合GPU這種處理器的架構特點，利用GPUdejisuanmoshilaidazaolechuangxindefenbushigongnenganquanjizhi，xiaochuleyiqiandeqitagongnenganquanfanganshixianjizhidailaidexingnengyijipianxinmianjisunshi
，weidianzixingyezaixiangguanlingyuneidechuangxintigongleyizhongquanxindemoshihesilu。

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