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改善道路安全性 ADAS SoC设计准则（一）

2020.10.26

　　先进驾驶辅助系统（Advanced DriverAssistance Systems，ADAS）是成长最快速的汽车应用。市场研究机构Gartner的报告估计，此市场规模将从2014年的56亿美元成长至2018年的102亿美元，在2013~2018年之间实现17.1%的年复合成长率（CAGR）；ADAS相关半导体产品的消耗量同时间则将从13.8亿美元成长至24亿美元，其间年复合成长率将达到15.5%。

　　以安全性为核心的驾驶辅助系统，支持行人侦测/避让、车道偏离警报/纠正、交通标志识别、全景影像、疲劳监控等，这些应用以及其他多种应用（如图1所示），需要一种全新类别的系统单芯片（SoC）来满足该系统日益成长的需求。

　　在消费者利益和政府法规的推助下，为了改善道路安全性，汽车制造商正在要求一级零组件供货商（Tier 1）和半导体产品供货商去开发包含最新多媒体标准、执行多种基于视觉的算法，且结合影像和雷达系统传感器数据的SoC。

　　 ADAS SoC设计准则，支持大量第三方IP

　　图1 各种ADAS应用。

　　为了实现高性能运作所需的先进通讯协议，ADAS SoC使用了比大多数高阶消费性应用更严格的尖端设计和工艺技术；这类组件的设计者仰赖IP供货商协助他们克服实现特定应用IP需求的挑战，在越来越短的设计、成形周期中满足汽车应用对强韧度、可靠性和安全性的需求。

　　ADAS SoC设计准则

　　从应用和系统的两个角度来看，这类新型ADAS SoC都拥有特定的设计准则，以确保高效率的SoC设计实作；为ADAS应用构建SoC的设计人员需要结合高性能与省电的IP功能，以协助实现整体系统吞吐量，并满足实时性的服务质量要求（如图2）。

　　 ADAS SoC设计准则，支持大量第三方IP

　　图2 采用16/14奈米工艺的ADASSoC，图中紫色部分为Synopsys的Design WareIP产品。

　　这类应用处理器的性能要求至少是32位、1GHz以上频率运行的处理器；实际上，支持多种基于视觉之应用的ADAS SoC已经开始转向64位。除了高性能应用处理器，这类SoC还需要一个独立的视觉处理器，实现诸如卷积神经网络（ConvolutionalNeural Networks，CNN）等的最新视觉算法。

　　此外一个附加的绘图处理器或客制化数字信号处理器（DSP）核心负责高速率像素处理，与高画质多媒体接口（HDMI）或行动产业处理器接口（MIPI）D-PHY等多媒体接口链接，同时支持尺寸越来越大的高画质显示器。为了支持提供影像和雷达/光达（lidar）数据的多个摄影机和雷达传感器，还需要一个传感器和控制子系统来为应用处理器（Application Processor）分担传感器数据管理任务，以实现高等级的传感器融合。

　　新一代ADAS SoC需要高达8GB的车规LPDDR4内存，以支持处理器应用软件，与以太网络音频桥接技术（Ethernet AVB）与时效性网络（Time SensitiveNetworking，TSN）所提供、支持多媒体数据流量的广泛系统链接。SoC外围则提供额外的PCI Express、SATA、通用异步收发器（UART）、SPI/QSPI、CAN与FlexRay等界面。

　　最后，为了支持由外部Bluetooth Smart、Wi-Fi或4G LTE无线芯片实现的云端链接，ADAS SoC必须内含坚固的、以硬件为基础的安全通讯协议，以支持安全开机（boot）、安全识别与身分验证、加密以及解密。

　　除了IP功能是ADAS SoC设计工程师必须考虑的元素，汽车产业的一级零组件供货商及半导体SoC设计人员、架构师还需要考虑延迟、功耗、可靠性以及与工艺相关的设计挑战。

　　低延迟是因应实时多媒体服务等级保证的基本原则；除了低延迟，这类SoC在不断采用最新多媒体协议和关键特性─例如行人侦测与校正等特定ADAS应用所需的嵌入式视觉处理功能─的同时，还需要保持最低功耗。对ADAS SoC设计人员而言，另一项关键挑战是确保车厂所要求的高可靠性和连续运作，因此芯片需要实现关键错误检查和纠正（ECC）与同等技术。

　　由于需要高性能和高整合度，设计人员锁定先进半导体工艺，例如许多设计团队尚不熟悉的16/14奈米鳍式场效晶体管（FinFET）工艺节点。对于下一代汽车ADAS应用SoC而言，因应低延迟、低功耗、先进通讯协议、ECC等SoC挑战，以及16/14奈米FinFET工艺任务关键型IP的可取得性等都是关键议题。

　　支持功能安全性、可靠度和质量管理的IP

　　领导级晶圆代工厂工艺可提供种类广泛、支持最新协议和算法的IP产品组合，为新一代ADAS SoC的开发奠定基础。除了提供ADAS应用所需要的先进特性、小面积、高性能和低功耗外，IP供货商必须满足汽车产业供应链的严格要求。

　　尽管高效能消费性应用和行动应用中的SoC包含与ADAS SoC相似的功能，但是汽车SoC对于强韧度、可靠性和安全性的额外需求，依然为IP供货商带来更高要求。

　　例如，德国电气和电子制造商协会（ZVEI）的汽车应用消费性电子组件工作小组，已经在车用半导体组件和消费性组件之间，定义出66种可能的区隔性，包括功能安全性、可靠性和质量管理等。该工作小组的意见书确定了严苛汽车环境问题对芯片和硅智财带来的影响，包括更高的电压、更高的静电放电（ESD）电压、更高的温度、误差校正，以及更高的测试覆盖目标等。

　　工作小组的结论是：「需要重新评估和重新定义汽车原厂、一级零组件供货商和组件供货商在开发阶段进行的合作，以辨别出并降低产业价值链上各环节出现的新风险。」

　　ZVEI的意见书还强调了两项关键要求：第一，对于诸如行人侦测与校正等ADAS应用，功能安全性是一项关键要素；第二，ADAS应用必须满足由汽车产业定义的ISO 26262功能安全性标准，使用已经获得ISO 26262认证的IP，将帮助SoC设计工程师降低产业价值链风险，并加速其SoC层级功能安全性的规格需求、设计、实作、整合、验证、确认和配置。

　　类似地，为了满足高可靠性要求，车用SoC还必须符合汽车应用生产质量认证的AEC Q100规范；通过选择已通过AEC Q100测试与认证的IP，能够帮助工程师确保其设计符合AEC Q100要求。通过采用已经预先通过AEC Q100压力测试的半导体IP，设计人员可以降低风险并加速其SoC的质量认证。

　　最后，通过选择依循ISO/TS 16949质量标准开发IP产品的供货商，可有助于确保包括整合于其中的IP在内的车用SoC产品规划、设计、开发、验证和确认等流程，满足汽车产业供应链所要求的质量水平。像是Synopsys这样能针对高性能、基于视觉ADAS应用提供种类广泛IP产品组合的供货商，已经朝向满足车用SoC对标准化功能安全性、可靠性和质量等方面的要求迈出了下一步。

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周锦帆