电动汽车提高了能源、电源和热集成电路设计的挑战

向电动汽车的过渡给电网带来了生产更多能源的压力，也给汽车带来了更有效地利用能源的压力，这带来了一系列巨大的挑战，将影响汽车世界的每一个环节，支持它的基础设施，以及实现这一切所需的芯片。

从半导体的角度来看，需要改进热管理，以防止芯片和子系统在处理来自更多传感器的更多数据时过热，并与彼此和外部世界通信。硬件和软件需要一起设计，因此可以划分不同的功能和优先级，以提高效率。电池管理和电池化学成分也需要改变，空气动力学也需要改进。

“每个人的思维能力都发生了完全的范式转变，”普雷蒂•古普塔(Preeti Gupta)说有限元分析软件．“注重业绩和面积的日子一去不复返了。功率现在是一个非常重要的设计指标。你听到的是每瓦性能。这不仅仅是性能的问题，而是你以什么样的电力成本来实现这种性能。汽车行业对在设计流程的早期了解功率和热影响非常感兴趣。他们在设计选择方面做出了巨大的决定。说到芯片，主要是关于包装，而不仅仅是芯片上的内容和燃烧功率。就像移动设备或手持设备的开发人员一样——他们担心电力和热消耗，因为当你拿着移动设备时，它不应该灼伤你的手，以及电池寿命的考虑——当涉及到电动汽车时，同样的电池寿命延长也适用。为了做出正确的设计决策，热方面对于早期建模更为重要。 At a high level, everybody is moving to shift left, which is getting feedback as early in the design flow as possible.”

展望未来，随着汽车的日益数字化，电动汽车架构将需要更多的计算操作。因此，不同的架构正在发展以满足电动汽车的计算需求。

“一种方法是集中计算领域，这可能是正在讨论的最终架构，汽车生态系统正朝着这种架构发展，”Ramesh Chettuvetty说，该公司的内存解决方案和RAM总经理英飞凌科技．“我们还没到那一步。我们仍然处于领域/区域架构阶段，这是一种分布式领域方法。然而，一旦我们有了这么多的计算——自动驾驶和各种各样的传感器数据——处理工作量肯定会非常高。这将增加这些计算元件的散热。”

这些因素结合在一起也增加了设计的复杂性，因为芯片需要作为系统的一部分设计，或者在系统的系统的上下文中设计。

Chettuvetty说:“设计在宽温度范围环境下工作的半导体已经具有挑战性。”“大部分温度最高可达125摄氏度。如果散热更高，作为更高计算需求的一部分，肯定会有像我们在数据中心和其他需要冷却器或风扇的应用程序中所面临的挑战。这些都是额外的开销，会消耗一些能量，因为这些最终都要靠电动汽车的电池来运行。这将降低汽车的行驶里程，这是整车厂未来将推广的关键功能之一，所以他们肯定会想要创新架构来解决这个问题。无论是靠墙壁供电还是靠电池供电，电力在任何地方都是瓶颈。所有工程团队都必须摆脱实现功能的传统方式，寻求创新的方式。”

不过，他希望汽车系统架构师开始采用创新的解决方案来解决这些问题，并探索可用的替代方案。“设计应该以全面的方式进行。工程团队习惯于在一个非常有限的范围内观察它。我们必须把所有这些碎片放在一起，有人必须全面地看待它，看看工程团队所做的所有假设在现实世界中是否真实。”

这代表着一个根本性的转变。传统上，硬件工程师设计这些芯片的方式是考虑多种操作模式。

“他们会说，‘我可以拒绝某些事情，或者我可以监控一些事情，我可以用这种监控来衡量我在做什么。’也许我在一个或另一个领域放慢了节奏。Rambus．“然而，我们在人工智能中看到的更多的是，软件人员确实非常了解系统性能和系统精度之间的权衡，这可能会在所有领域发挥作用。他们的想法是，如果带宽、能量或其他方面受到限制，他们就会把它变成一个软件问题。“如果我需要更多带宽，那么我可以降低数字的精度。不是32位浮点数，而是16位浮点数。“然后在带宽上，他们可以得到两倍的数字。他们确实在这方面放弃了精确性，但他们知道如何处理。因此，他们专门训练人工智能算法来降低精度或稀疏性。”

吴宇森表示，在人工智能领域，人们对集成硬件和软件有更全面的看法。“在过去的20年里，同样地，程序员被迫变得更加了解架构。缓存的大小是多少?我正在运行的处理器的架构究竟是什么?程序员将不得不更加了解系统中的功率限制之类的事情，从而尝试使用工具和api来让他们在性能上权衡功率。这就是我相信进化会发生的方式。这需要时间，因为考虑这些事情并不容易。大约一代程序员才真正明白，当你写程序的时候，你不能再抽象架构的样子了。未来20年，它将朝着这个方向发展。”

权力流向何方
随着这一趋势的发展，ecu本身将采用先进的电源管理技术，并在电动汽车架构的整体电源管理中发挥越来越重要的作用。一个关键的考虑因素是知道电力用在了哪里。

“在传输数据的过程中，会消耗大量的电力，”位于纽约的AMS业务部门的首席产品经理Sumit Vishwakarma说西门子数字工业软件．“你想要尽量减少传输的内容，只发送合理的信息。这就是ECU发挥作用的地方。ECU主要是数字逻辑，然后许多物理连接到汽车的不同部分。还有一些传感器周围的汽车连接到主轮毂集成ECU。除此之外，还有不同的ecu分别用于不同的应用。例如，当你是一名乘客，你坐在副驾驶座位上，安全座椅要做的第一件事就是检测到有一些重量。这意味着它会向主显示单元发出信号，指示乘客需要系好安全带。他们坐下来的那一刻，你就会看到安全带是开着的，当他们拿起安全带并系上安全带时，它就会发出关灯的信号，表明安全带系好了。所有这些交流每次都在发生。 But when the car is parked, then those things never happen because all of the sensors are not necessary to be working at that time, compared to when you’re driving the car. This mean there is always power management happening inside the ECUs.”

问题就变成了什么应该开，什么应该关，或者介于两者之间。这需要定义ECU的功率意图，例如在UPF内。Vishwakarma说:“从设计角度来看，电子控制单元主要是数字电路，可以用某种系统级语言来实现，比如system Verilog或其他函数语言，甚至可以用fpga来实现。”“这些主要是数字电路，他们的工作是确保它能够处理传感器融合和决策。

在此基础上，可以指定功率域以指示不同的功率场景，以及每个块应该具有多少功率。此外，功率门控、隔离和保留可用于控制块之间的功率流。

电动汽车中数据的移动也产生了一些功率方面的考虑。该公司高级技术营销经理保罗•格雷科夫斯基(Paul Graykowski)表示:“将会有多个网络连接在一起Arteris IP．“我们在汽车上安装了越来越多的设备。这不仅仅是“把我从A点送到B点”，而是“在把我从这里送到那里的时候，我想要我的音响”。乘客们想要他们的电视。我要有空调的座位。我想学汽车驾驶。我想要天窗。有太多的小细节，这意味着用户界面将会非常复杂，我们必须确保有一个良好的流程。各地都会有电力需求，我们必须解决这些电力需求。这可能很简单，我们只是说，‘这个设备没问题，但另一个设备需要非常复杂的网络。我们还必须把时间参数提前。 It’s all going to come into play.”

计算流体动力学
从EDA工具的角度来看，以前专注于机械设计的工具领域现在正应用于电动汽车设计。计算流体动力学(CFD)被用于改善电动汽车的能源消耗状况。

Robert Schweiger，汽车解决方案总监节奏他说，根据消费者调查，购买电动汽车除了价格之外，最大的担忧是汽车的续航里程。“续航里程需要超过400公里/248英里，因为充电需要相当长的时间，这意味着你在旅途中又多了一站。通过优化空气动力学可以显著提高航程。因此，CFD将在优化汽车空气动力学方面发挥重要作用，这对续航里程有很大影响。”

热量是另一个需要考虑的因素。内燃机的温度会导致交通堵塞。相比之下，电动汽车在走走停停的交通中消耗的能源更少，但在快速充电时可能会过热。

Schweiger说:“电动汽车面临的挑战是在充电过程中，CFD软件也可以用于冷却系统，以模拟水流如何冷却系统。对于电池，新的概念正在出现，即在使用增压器时，水从系统顶部喷到电池上。下面有一个水箱，液体被抽上来，然后再喷下去。这是一个可用于冷却电池的新概念，最终将有助于提高电池的生命周期，以及冷却电池。”

尽早做更多
在汽车芯片和系统的设计周期中，理解和预测电源需求就开始了。与此同时，许多EDA公司现在正在进行更多的建模，以获得更高的精度和更好的可预测性，Ansys的Gupta说。她说:“如果你考虑的是早期的设计阶段，而你说的是一个更晚的设计阶段，那么很多设计都已经实现了。”“在RTL，你是如何提前预测的?位置会是什么样的?电线路由是什么样的?现在可以对所有这些组件建模了。我们现在可以采用一些技术来模拟这些问题。”

古普塔说，许多这些设计元素的目标是降低功耗，这涉及很多因素。“你需要多少能量域?”您真的能够打开或关闭关键任务应用程序吗?在某些应用程序中，你可能不能让逻辑关闭和唤醒，所以这都是关于理解电源的去向和原因，以及活动的去向和原因。一旦你理解了“为什么”，那么解决它就变得更容易了。因此，这很大程度上是关于早期电源可见性的，其中一个关键组件是来自模拟用例场景的早期电源可见性。你不能只在一口井里说，‘我已经优化了它。看看真正的流量，真正的应用用例。你的设备真的节能高效吗?”

新的架构挑战
为了解决电动汽车众多的能源、功率和热约束因素，需要以不同的方式看待设计。“首先，对功耗的关注变得更加相关，”Tim Kogel说，他是微软公司虚拟样机的首席工程师Synopsys对此．“使用传统的内燃机，你基本上有无限的能量。你不在乎你是消耗了100瓦还是200瓦的电力。但对于电动汽车来说，这一切对续航里程的影响都要大得多。我们听说，在100瓦以上的功耗下，它需要10到30公里的续航里程。汽车续航里程是一个非常独特的卖点，而续航里程焦虑是电动汽车的主要担忧之一。”

另一方面，在3级和4级自动驾驶中，有极其复杂、先进的芯片。“有多个摄像头，多种其他类型的传感器，”Kogel说。“有复杂的算法，比如分类和分割，寻路，最复杂的处理任务。当你只是把它放在一个通用的、通用用途的GPU架构中，它消耗了太多的能量。我们都见过自动驾驶汽车原型的照片，整个后备箱都是需要千瓦功率的计算机架，这与这个要求完全冲突。为了达到可接受的水平，您需要从通用架构转移到更专用的架构，如矢量DSP，特定于应用程序的指令集进程，甚至对于某些部分，硬连接逻辑，因为只有这样才能使您在这种功耗预算下拥有这种级别的功能所需的功耗降低一个甚至两个数量级。”

通信也是如此，通信也是架构的重要组成部分。“在这里，最简单的事情总是使用缓存和缓存相干互连，然后数据或多或少地自动移动，”他说。但是，它消耗了大量的能量，所以人们需要专用的存储器，专用的存储器传输。人们为此付出的代价是这些专用架构不够灵活。你没有简单的按钮式软件流程，所以软件实现需要努力实现和验证。”

结论
能源、动力、性能和热方面的问题是否会阻碍电动汽车的广泛部署和采用?再加上耗电量极大的ADAS系统，挑战似乎只会越来越大。

Synopsys汽车业务发展高级总监Vasanth Waran指出，电动汽车由于续航里程和电池功率有限，带来了新的挑战，而ADAS即使在内燃机方面也存在电力问题。“这是一个非常复杂的问题，它既是一个热量问题，也是一个功率问题，因为汽车是设计半导体运行环境中最具挑战性的环境之一。如果音频不能正常工作，或者地图突然抖动，或者相机失灵，每个人都会很恼火。你总是想要最好的表现。你还是想让空调正常工作。你还是想让摄像头正常工作。这是一个很难解决的问题。正因为如此，在过去几年里，重点已经完全转变为越来越关注权力。”

然而，也有可用的技术解决方案，比如上面提到的那些，以及离散时钟和电压缩放等其他技术，Waran表示，这些技术正开始进入汽车领域。

此外，冷却技术也在不断改进，人们正在研究碳纳米管等新技术来解决一些最具挑战性的问题。“虽然存在问题，但行业会找到解决问题的方法。如果你看看一些正在出现的技术，比如先进的包装，它们都在试图解决同样的问题。从根本上说，这是一个物理问题有很大的模具面积，它会散发很多热量。你怎么把它拉出来?这是热力学定律。在一小块区域内产生了大量的热量。我如何有效地把它拉出来?这就是小芯片和类似的东西发挥作用的地方。电动汽车将继续存在，发展不会因为这些问题而受阻。”

但是新的用例呢?那么软件定义的车辆呢?如果你醒来发现你的车启动不了怎么办?这些问题仍然需要解决，而且需要在整个汽车生态系统中解决。

“过去，大多数架构都是在OEM级别或一级定义的，”英飞凌的Chettuvetty说。“然后是半导体公司，作为第二级。这些界限现在正在被稀释，原始设备制造商和半导体公司之间有了直接的互动，这是一个变化。我们需要更多的合作，以便oem在采用这种架构之前首先了解半导体公司的能力。”