【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、cheliangheqitacaiwudengdailaileweixie。suoyigongnenganquanhenzhongyao，danyexuyaofuchuyidingdechengben，biruewaidexinpianmianji，zhaopinyoujingyandeshejirenyuan，zhixingyangedegongnenganquanyanfaliucheng
，jinxinganquanrenzhengdeng。

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ISO26262等(deng)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)測(ce)試(shi)。這(zhe)一(yi)切(qie)給(gei)汽(qi)車(che)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)製(zhi)造(zao)企(qi)業(ye)及(ji)車(che)廠(chang)和(he)一(yi)級(ji)供(gong)應(ying)商(shang)等(deng)環(huan)節(jie)帶(dai)來(lai)了(le)更(geng)高(gao)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)更(geng)多(duo)的(de)工(gong)作(zuo)量(liang)，使(shi)許(xu)多(duo)車(che)廠(chang)最(zui)終(zhong)選(xuan)擇(ze)了(le)忽(hu)略(lve)或(huo)者(zhe)降(jiang)低(di)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)要(yao)求(qiu)的(de)行(xing)為(wei)
，這(zhe)在(zai)先(xian)進(jin)駕(jia)駛(shi)員(yuan)輔(fu)助(zhu)（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CPUzhongbeiguangfanshiyong。gaifangfajiushiyonglianggechuliqineihedengtongyangdeluojilaizhixingyigechengxuyishixiantongyangdeyigegongneng，youtamentongshizhixingbingzaizhixingwanzhihoulaibijiaozhegejieguo，kankanzhelianggejieguoshifouyizhi。zaishoudaogaowenhuozhegaoshiyingxiangshi，ruguozhelianggeneihededaodelianggejieguoshiyizhidehua，nazhengmingzheliangkuailuojishiyunxingzhengquede
，youguanjisuanhekongzhihainengzhengquedizhixing。

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CPUjisuanliangci，zaikanyixiazheliangcishujuchuliyunsuandejieguoshifouyizhi。ruguoliangciyunsuandejieguobutongjiuhuifaxiancuowu，yinweiqichedeshiyonghuanjingfeichangfuza
，xinpianlimianyouxiecuowushisuijicuowu

，youxiecuowushichangqicuowu。duiyusuijicuowu，tongguozhongfuzhixingliangcibijiaoyixiajieguo，ruguoshibuyiyangjiushangbaoqingkuangyiquerenzhegegongnengyouwenti。zhezhongzhongfuzhixingdefangfajiukeyibimianyixiesuijicuowu。zheyangdefangfadailaidejieguoshishenme
？yinweizhongfugongzuosuodedaodexingnengjiuhuijiandaoyuanlaideyiban，suoyizheyekenengshiyonghumeifajieshoudefangan。

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》）

yinci，wulunshisuobufanganhaishizhongfuzhixingfangangeiqichechangshanghexinpianchangshangdoudailaileshenzhishimeifajieshoudetiaozhan，zheyedaozhilegongnenganquanzaixuduoshijiqicheyingyongzhonghennandedaoquanmiandejieshou。zuizhuyaodeyuanyinweixingjiabi
，yinweixinpianmianjizengjiayibeihuozheshixingnengjiangdiweierfenzhiyi，duiyuchangshanglaishuotadechengbenyejiuzengjialeyibei。zhegezengjiayibeidechengben
，zuihoudouyaozhuanjiadaoxiaofeizhetoushang，zaiguoquqichezhinenghuachengdubijiaodideqingkuangxia，meiyoutaiduokehuyuanyiweizhegegongnenganquanmaidan，suoyimeiyoujipoxingyizhimeiyoudedaoquanmiandeyingyong。danqichezhinenghuazheyiqushizhengzaiposhixingyezuochugaibian。

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，完(wan)美(mei)地(di)匹(pi)配(pei)了(le)今(jin)天(tian)汽(qi)車(che)對(dui)於(yu)中(zhong)央(yang)計(ji)算(suan)的(de)要(yao)求(qiu)。它(ta)首(shou)先(xian)是(shi)一(yi)個(ge)強(qiang)大(da)的(de)圖(tu)形(xing)處(chu)理(li)器(qi)，可(ke)以(yi)支(zhi)持(chi)車(che)內(nei)所(suo)有(you)的(de)屏(ping)幕(mu)娛(yu)樂(le)和(he)交(jiao)互(hu)能(neng)力(li)。無(wu)論(lun)是(shi)位(wei)於(yu)駕(jia)駛(shi)艙(cang)前(qian)部(bu)的(de)圖(tu)顯(xian)儀(yi)表(biao)盤(pan)和(he)大(da)屏(ping)幕(mu)，還(hai)是(shi)後(hou)麵(mian)後(hou)座(zuo)的(de)娛(yu)樂(le)顯(xian)示(shi)，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 GPUzhongchuangxindefenbushianquanjizhijihuwanquanxiaochuleyiqiandeqitagongnenganquanfanganshixiananquanjizhidailaidexingnengyijipianxinmianjisunshi
，dadajiangdileshixiangongnenganquandedaijia，tajinjinewaixiaohaoledagai10%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，GPUweileyanshiheyinzangyanchi
，zaijisuanshicaiyonglebingxingdehenduoxianchenghuozhezhongfudanyuan。diergetexingjiushidangyigexianchengnabudaotayaozhixingdeziyuanshi，tajiuhuizidongdibeiqiehuanchuquhuozhebatayichuzhixing，dengdaotayouziyuanlaidaodeshihouzaiquzhixing。

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
；利li用yong同tong樣yang的de測ce試shi集ji，在zai另ling一yi個ge線xian程cheng處chu於yu等deng待dai的de時shi候hou

，也ye插cha入ru同tong一yi個ge測ce試shi模mo板ban或huo樣yang例li，然ran後hou執zhi行xing這zhe兩liang個ge測ce試shi。在zai執zhi行xing完wan這zhe兩liang個ge線xian程cheng之zhi後hou，對dui比bi結jie果guo就jiu會hui知zhi道dao這zhe兩liang個ge線xian程cheng執zhi行xing的de結jie果guo是shi否fou一yi致zhi，如ru果guo有you不bu同tong就jiu會hui上shang報bao結jie果guo提ti醒xing係xi統tong和he用yong戶hu審shen核he該gai功gong能neng是shi否fou安an全quan；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

suizheqichexinsihuadebuduantuijin，qichezhongdexinpianshuliangjiangkuaisuzengjia。chuleguanzhuzhexiexinpiandesuanlihelianjiedaikuandengxingnengzhiwai，tongyangzhongyaodeshidazaohetuichuquanxindegongnenganquanjiejuefangan。Imagination結合GPU這種處理器的架構特點，利用GPU的(de)計(ji)算(suan)模(mo)式(shi)來(lai)打(da)造(zao)了(le)創(chuang)新(xin)的(de)分(fen)布(bu)式(shi)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)機(ji)製(zhi)，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)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)，為(wei)電(dian)子(zi)行(xing)業(ye)在(zai)相(xiang)關(guan)領(ling)域(yu)內(nei)的(de)創(chuang)新(xin)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)全(quan)新(xin)的(de)模(mo)式(shi)和(he)思(si)路(lu)。

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