今天人們所見的汽車為一個帶著輪子的完整電子系統，其各個零件都是相互關聯的，必須同時進行設計、優化及驗證。因此，在開發汽車系統時應整體性的將晶片、封裝、電路板、子系統以及整台車輛納入考量。在本文將以Cadence先進駕駛輔助系統(ADAS)矽智財(IP)以及系統開發套裝的整體設計法為例，詳細探討可靠的高品質汽車系統開發設計方針。
隨著汽車業不斷開發更多自主駕駛功能和自動駕駛汽車，汽車電子將為這些功能的實現，發揮不可或缺的作用。未來的汽車將擁有更多的整合訊息娛樂功能、感測器集群、運算能力、汽車對任何可能的「人或物」(Car2X)的通訊技術、高頻寬乙太網路及高解析度(HD)顯示器。當電子元件正為此積極推進時，法規方面則日益要求汽車製造商將冗餘感測及控制系統與更多的攝影機、雷達和其它ADAS功能整合到汽車中，以提高安全性和可靠性。圖1描述了技術如何改變車輛性能。
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| 圖1 技術使汽車變得更智慧 |
為了確保這些電子精密汽車能在一系列道路及環境條件下按照預期的要求運行，需要具備一系列旨在優化整個汽車系統的設計及驗證工具、新的演算法及執行階段軟體、以及服務。每輛車都包含訊息娛樂、安全、引導、引擎管理以及一些其他性質等多個車載網路。由於汽車內各個子系統的要求已被定義，因此，重要的是要思考它們將會如何相互影響，以及將會如何影響整體車輛的操作。這就是為什麼所有電子電路都需要進行驗證，以確保硬體及軟體功能、預期的元件公差、溫度變化、電移及靜電放電等應力誘生失效機制、及許多其它參數的正確性，以防止路上拋錨。此外，汽車電子子系統必須能夠相互模擬，以確保每個互連的子系統在長時間的自然耗損下仍可繼續按照預期的要求運行。事實上，詳盡的模擬、故障分析、以及產率及可靠性分析，對於避免災難性安全問題及潛在的昂貴召回至關重要。
IP在這些方面發揮著重要作用，支援乙太網路等基本通訊協定，以及即時資料/音頻/語音處理、感測器融合、圖形及語音辨識、聲音增強及連接等功能。ADAS是汽車半導體領域發展最快的環節之一，這對於提高駕駛體驗及整體安全性至關重要。
滿足智慧/安全駕駛體驗 先進駕駛輔助系統顯神通
ADAS技術(圖2)使汽車能夠更了解周圍環境，並更安全的駕駛。自適應巡航控制、駕駛員監控系統、自動停車、汽車避撞、車道偏離警示系統、以及交通標誌識別等功能只是ADAS眾多功能中的一小部分。「資料」是許多前述功能的核心—各種車載感測器即時地收集大量資料，而各種子系統則必須即時準確地處理資料，並根據它來做出會影響駕駛員安全及整體駕駛體驗的緊急煞車、轉向及通訊決策。隨著時間的推移，汽車將越來越能夠與其它車輛及其環境交換資料，以獲得更安全的駕駛體驗。根據市場調研機構Research and Markets預測，2016年ADAS市場的價值將達到近60億美元，並於2022年增長到100億美元左右。從數量的角度來看，估計2016年有約5,000萬台配備ADAS的汽車出貨，並預計將於2022年增長到超過6千萬台。
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| 圖2 ADAS提供了許多讓汽車更安全行駛的功能 |
ADAS應用的獨特之處在於，專門構建的低功率高性能系統單晶片(SoC)元件及軟體必須能夠可靠地進行反應及相互作用，並可隨時配合市場需求及安全性的升級，而增強其性能。雖然視覺、雷達、超音波、即時網路、及嵌入式控制的關鍵技術可改寫自其它應用程序，但ADAS的特殊要求限制了工程師在現成晶片上的選擇。因此，對於汽車製造業者的原始設備製造商(OEM)、及一級供應商(如汽車應用設計師)來說，這是一個挑戰，而對於那些就SoC的創建負責提供工具、軟體及服務的供應商來說，則是一個巨大的機會。
為了使ADAS的功能成為可能，需要一些獨特的設計規範，例如，在專門處理運算密集型算法，並同時提供最佳的SoC功耗、性能及面積(PPA)比的數位訊號處理(DSP)架構的支持下，以>1000GMAC/s提供更高的運算性能；更高的網路/記憶體頻寬(高達1Gb)，以支持更高的影像/圖像解析度、更高的幀率、更多的影像串流及攝影機數量、及存儲和接收以高度複雜演算法生成的中間結果的需求；以及最後更好的整合。
子系統各展所長 ADAS讓汽車更智慧
為了創建這些精密的ADAS功能，需要結合感測器(單眼及立體攝影機、光達(LiDAR)、雷達、超音波等)及通訊(車載網路及Car2X無線網路)。這些子系統通常使用專門的IP構建區塊來執行包括電腦視覺、語音識別、雷達分析及可靠通訊等感測器處理的關鍵演算法。ADAS實質地連接汽車內的各種子系統，其包含；
成像及影像輔助應用程序存在於包括緊急煞車、車道及車輛追蹤、交通標誌識別、停車輔助、駕駛警覺性監控、及低分心人機介面(HMI)等每個子系統裡。這些應用程序必須即時準確地處理大量資料，並快速可靠地使用該訊息做出決策。
先進的HMI支持、語音控制及手勢識別功能，可以就車載收音機、到空調設備、導航等各種功能，為駕駛員提供免手持操作功能，從而增強安全性。
Car2X通訊系統將使汽車能夠與路側設備進行訊息交換，例如交通及安全等相關資料的訊息。此外，與視覺、LiDAR及雷達系統相比，汽車對汽車(V2V)通訊的優勢在於通過「觀察角落」來進一步提高安全性。當然，這些資料都可以通過雲端與其它汽車共享。
提供高速車載通訊及車載乙太網路為ADAS應用的關鍵。資料傳輸可以處理例如像是側視攝影機及後視攝影機的影像串流，並以高頻寬低延遲的條件，傳輸到儀表板顯示器。此外，它還可以用作直接連接汽車中所有領域控制器的資料主幹。
三大優勢展露無疑 CNN加快ADAS應用達陣
在這些功能中，有許多潛在的深度學習技術，例如，支援汽車及行人檢測、路面偵測、標誌及訊號辨識、以及語音命令解釋等應用的卷積神經網路(CNN)。CNN是一個具有可以交換訊息的互連人工神經元系統的特殊神經網路。該連接在訓練過程中具備了數位權重；例如，當呈現圖像或圖案以識別時，經過適當訓練的網路能夠正確地做出反應。該網路具有許多特徵檢測用神經元層，並且每一層本身都具有許多可以回應來自前一層的不同輸入組合的神經元。CNN具有一個或多個卷積層，通常具有子採樣層，隨後是一個或多個完全連接的層。
與傳統的型態偵測法相比，CNN在處理失真、減少記憶體需求以及高效的訓練過程中展現優勢。根據德國交通標誌識別基準(GTSRB)及專有分層的CNN法，Cadence開發了與之前建立的基線3相比，檢測率更正確(99.80％)的交通標誌識別演算法。未來CNN有可能接受更複雜的訓練任務，如判斷及策略。
確保行車安全 ISO 26262/功能安全性認證不可少
汽車電氣元件若出現不可預見或意外的錯誤，會導致輕微的不便、讓品牌受損的產品召回、或者更糟嚴重的出現受傷或死亡的情況。符合功能安全標準，有助於確保汽車的整體系統在發生意外事件時，仍能保持可靠及正常的運行。為了實現功能安全，系統必須具備冗餘功能，以限縮任何單一錯誤擾亂整體個系統的風險，並具備監控該系統與觸發錯誤反應和恢復功能的檢查器。
為了遵守功能安全標準，必須從系統級到元件，全面執行一切要求；對系統的所有零件，進行各級功能驗證及安全驗證；在功能驗證環境中，執行錯誤(故障)的輸入等。
在汽車領域裡，ISO 26262為汽車電子系統功能安全的標準。該標準概述了汽車安全生命週期階段，涵蓋了整個開發過程的功能安全及要求，以確保達到足夠及可接受的安全水平。為了符合ISO 26262要求，必須具備的條件包含硬體錯誤的檢測及修正、系統故障的檢測及解決、能夠防止軟體任務發生相互影響的能力、減少使用可變延遲系統元件、快速處理，以及安全功能指南、工具資格認證支援、及驗證報告等文檔。
遵守ISO 26262最大的挑戰之一就是收集及分析大量的資料，以達到公認的安全完整性水平，而這是一個需靠手動並耗時的過程。
車用工程師必須決定這些來自ADAS子系統的所有資料應以分布式，或是集中式的方式進行處理。若以分布式方式處理，資料將在臨近每個相應的感測器或攝影機進行處理，並需要可以實現車內通訊的高速介面IP及DSP，以及車載乙太網路IP。在這些情況下，感測器融合DSP可以整合多個感測器的輸出，減少到中央主機的資料流量。而集中式資料處理設備則需要連接(例如，通過車載乙太網路IP)到汽車首要單元的每個子系統。介面IP、DSP及記憶體子系統對於確保系統的低延遲反應至關重要。這些情景中的每一項都必須經過驗證，以確保其在汽車中可靠的運作。圖3顯示了一個通用ADAS SoC架構的範例。
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| 圖3 通用ADAS SoC整合架構 |
整體設計法好犀利 汽車品質/安全標準一步到位
顯然地，汽車的電子元件都是相互關聯的。同時，汽車的非電子零件以及運行環境將影響汽車的性能及功能。因此，考慮到所有內部及外部影響的整體設計法，對於確保汽車符合品質及安全標準至關重要。
整體設計法的一個最有價值的方面是它在修復成本變得過度昂貴，及可能導致耗時且昂貴的重新設計前，即可支援晶片及整體系統的「駕駛測試」。它側重於運算密集型算法(語音、視覺、通訊等)的傳輸量/處理性能，並在開發週期的早期即著眼於優化這些演算法。該法還涉及硬體及軟體的全面安全性及可靠性驗證。
一如曾經以手動完成的晶片開發工作現已實現自動化，系統的設計及驗證過程也已實現自動化。系統設計的方式越來越受終端應用的驅動。因此，半導體公司所提供的不僅僅是晶片，它們還提供了一些例如OS接口、系統環境中的硬體/軟體驗證、系統級分析、封裝及電路板級之共同開發，以及晶片、封裝及電路板的分析等。
已經在電子設計自動化(EDA)工具上建立基礎的公司，現在可以將其範圍擴展到電子系統設計的優化。舉例來說，Cadence已經在複雜的SoC、封裝、及電路板設計工具等廣泛的EDA組合上建立了基礎。特別是在汽車領域，該公司的客戶群除了傳統的晶片製造商，還包括如汽車OEM及一級汽車應用工程師等系統設計師，通過多年與客戶的密切合作，Cadence已累積了足以應對汽車零件、子系統及整個系統的設計及驗證挑戰的豐富知識及經驗，從圖4可看出該公司優化汽車系統的策略。
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| 圖4 Cadence的系統設計實現策略 |
IP獻計 優化ADAS設計有妙方
隨著汽車製造業者努力達到功能安全的要求，ADAS設計的複雜性亦不斷的提升，包含部署在單一系統中的多個感測器及感測器類型，以確保可靠的駕駛決策；高性能感測、DSP運算、高頻寬記憶體及網路等功能，賦予車輛處理複雜道路及氣候條件的能力；以及先進的製程節點、高速類比/混合訊號電路及I/O、和採用先進組裝的多晶片解決方案皆是該組合的一部分。
IP可以協助各個領域。例如，Cadence Tensilica處理器IP可以支援ADAS中的許多核心演算法。基於VLIW及SIMD架構並以70mW到300mW功率運行的Tensilica Vision DSP，可提供ADAS運算所需的可擴展的高性能及低功耗。該系列的最新處理器Vision P6 DSP則專為CNN應用而設計。Tensilica Fusion及ConnX DSP系列非常適合即時開啟的感測器融合應用程序，並支持可以感測器及攝影機實現自動化停車、車道偏離、以及雷達和通訊的即時資料處理。
設計/驗證汽車系統
由於軟體在有矽之前就已經存在，所以硬體/軟體的協同驗證至關重要。目前市場上已有業者如Cadence推出系統開發套裝，其涵蓋了從早期的矽前軟體開發，到矽及系統驗證的整個設計週期。該套裝的連接平台加速了系統設計、IP及SoC驗證，並顯著地降低系統整合時間。例如，一級供應商可以在硬體可用之前，使用這些工具建立及測試一個完整系統的原型，並評估各種實際功能。原始設備製造商可以就特定的流量情況進行調試，以測試及優化其演算法。
以後視鏡背後安裝攝影系統為例，在這樣一個系統內部是一個運行在ADAS SoC上，用於檢測及跟蹤物體的CNN。在矽成為可用之前，設計師必須開發、驗證及優化運行複雜CNN演算法的硬體平台。該系統開發套件支持此一流程，使半導體供應商能夠驗證SoC，以確保其按預期的要求運作，並參與軟體驅動器及韌體的早期開發。為了測試完整的ADAS，一級供應商可以參考即時交通流量情景的視頻序列。在原始設備製造商級別，軟體工程師可以使用這些工具來驗證及優化特定演算法或調試特定交通流量情景。
汽車設備的預計使用壽命為至少15年。為了實現這種可靠性，SoC設計師必須能夠解決電晶體老化及互連電移，尤其是汽車環境溫度及先進的SoC製程節點等問題。FinFETS等先進技術提供功耗及性能優勢，但容易出現自熱問題。
透過具備可擴充性的DSP與汽車供應鏈相關的生態系統軟體，能支援ADAS中的通訊、音頻、成像、電腦視覺及CNN功能的新演算法。汽車正配備著更多可從車輛周圍的環境中收集資料的攝影機、LiDAR單元及雷達感測器，舉例來說，Cadence產品組合包括支持重載資料通訊的高輸送量DSP，適用於自適應巡航控制、緊急煞車、感測器融合及V2V通訊等應用。另一方面，音頻、語音及話音專用的DSP支援主動式噪音控制設備等，語音觸發及汽車音響系統的Always-on開啟喚醒功能。
電腦視覺及成像DSP處理來自許多車載攝影機的資料，為駕駛員填充視覺顯示及有意義的訊息。這一系列的最新產品旨在提供CNN應用中至關重要的乘積累加運算(MAC)性能，以及低功耗和即時資料壓縮。
ISO 26262功能安全標準的最新版本包括定義IP要求的章節。從產品要求階段到最終的IP發布，都須遵循正式的質量流程及檢查點，以確保設計質量。
・符合功能安全要求
Cadence的功能驗證環境以自動化故障注入及結果分析，將IP、SoC及系統設計的ISO 26262認證工作減少高達50%。該解決方案符合ISO 26262的可追溯性、安全驗證及工具可信度(TCL)要求。例如，開發者可以使用這些工具將錯誤注入ADAS SoC的內存子系統，以確定其軟體中是否存在任何問題，或者像錯誤校正碼(ECC)這樣的安全機制是否能夠檢測並解決故障。
舒緩交通問題 自駕車隊雛型漸具
2016年8月，新加坡推出了世界上第一輛自駕計程車。該具有六輛汽車的小型車隊，是由一家無人駕駛汽車軟體新創公司運作，特選的民眾可以通過他們的智慧手機進行免費呼叫。目前，僅於商業及住宅區2.5平方英里的範圍內提供搭乘。NuTonomy新創公司的目標是在2018年在該國建立一個完全自駕車隊。
為了減少事故數量、降低交通量、甚至緩解停車困境，自動駕駛車隊在市內運行的日子很快就會實現。由於攸關性命安全，確保汽車系統的安全性及可靠性至關重要，而實現它所需要的，是涵蓋了整個系統及內部的每個元件的整體設計法，以確保每個零件及其對應零件都按預期的方式運行。
(本文作者Charles Qi為Cadence資深設計工程架構師；Neil Robinson為Cadence IP產品行銷總監)