fpga在汽车中的应用案例

现场可编程门阵列(fpga)在被硬连接asic取代之前，在快速发展的新市场中蓬勃发展，但在汽车领域，这种跨界可能会比过去晚得多。

从历史上看,fpga一直处于临时位置，直到数量增加到足以降低fpga的成本，转而支持加固版本。就汽车而言，随着汽车从机械驾驶转向辅助驾驶，最终转向自动驾驶，未来会有很多变化，这种转变可能需要更长的时间。

“这是每一家汽车公司在开始使用FPGA时都必须做的计算，”福特汽车高级营销经理乔•马莱特(Joe Mallett)表示Synopsys对此．“在什么情况下将其转换为ASIC是有意义的?”

不过，汽车市场与其他市场不同。开发时间很长，所以今天完成的工作至少在几年内不会看到道路。而设计要求和预期可能还需要10年的时间。这将使fpga在相当长的一段时间内发挥作用。此外，与安全相关的验证可能抵消转移到ASIC所节省的任何成本。

FPGA的优势在于，开发人员可以使用软件语言构建自定义设计，并在FPGA硬件中实现该设计。实现一个没有专用芯片的标准?没有问题。把它放入FPGA。在一个FPGA原型的新标准上有了一个跳跃的开始，现在标准在发布之前已经进行了调整?没有问题。在FPGA中进行更改。

这种情况在许多发展中市场已经上演了几十年，从通信开始，到最近的数据中心。很容易理解，使用FPGA需要权衡。它们不是最便宜的设备，因为它需要硅来提供所有的可编程性。它们的速度往往比建立在同一处理节点上的其他设备要慢一些，因为所有的互连开关都比普通电线更慢。而且它们往往比同一节点上的其他设备消耗更多的能量。

但好处是非常值得的。亚瑟士开发成本很高，而且需要很长时间才能推向市场。芯片上的系统(soc)甚至更复杂，但类似soc的fpga，具有加固的处理器和通信物理，提供了比设计专用硅更快的转向选择。

最大的问题一直是，应用程序是否会增加到足够大的容量，从而值得转换到加固版本。通常情况下，FPGA的销售伴随着这样一种预期:它将被用来在市场上站稳脚跟，然后降低成本。

但很多时候，这些容量并没有完全实现，FPGA仍然存在。或者可能实现了数量，但在决定如何部署开发人员时，具有新功能的新项目优先于降低成本的旧设计。

动态是非常关键的，所有成功的FPGA(和之前的PLD)产品都提供了某种中间成本降低选项，虽然没有完全重新设计，但确实在需要时为名义上的额外投资提供了一些价格缓解。这种能力往往使销售成为可能，但它并不经常被使用。

fpga遇到困难的一个市场是消费者市场，因为这个市场对成本有非常严格的要求。它还拥有最高的容量，因此专用芯片是合理的。这使得fpga更难享受如此高的容量。

进入日益电气化的汽车市场。在很长一段时间里，这对电子产品来说并不是一个很好的机会，尤其是fpga。大多数车辆是机械操作的，在车辆周围散布的电子控制单元(ecu)中，逻辑数量缓慢增加。

汽车行业最引人注目的领域是消费汽车市场，该市场的成本预期可能非常残酷，但鉴于这些设备必须在恶劣的环境中工作，对设备的要求尤其严格。它被描述为具有类似于军队的要求，但采用消费者定价。对于像FPGA这样的高成本设备来说，这不是一个有吸引力的地方。

但这一切都发生在当前席卷汽车行业的变革浪潮之前。至少，汽车内部的大量工作正在从机械技术转变为电气和电子技术。全新的功能，如先进的驾驶辅助系统(ADAS)是一个主要的重点领域。像娱乐设施这样的设施远远超出了老式的收音机，在那里，居住者会为听哪个台而争吵。自动驾驶完全改变了游戏规则。

总而言之，汽车正在被彻底反思。短期内，我们会看到熟悉的主题和进化发展的变化，但完全有可能，我们驾驶的汽车——或者将驾驶我们的汽车——明天将与我们今天的汽车大不相同。

正是这种剧烈变化的环境为fpga在汽车上的应用打开了大门。对于他们来说，这是一个熟悉的地方——因为他们期望随着一切的解决，FPGA派对可能会结束。但是，有一些原因可以解释为什么fpga在这种应用中比在其他许多应用中更有吸引力，这可能会对降低fpga成本的冲动产生一些阻力——至少在未来很长一段时间内是如此。

目前这是任何人的游戏
车载fpga在嵌入式视觉链(包括传感器和显示器)以及网络、人工智能(AI)和安全方面表现尤为强劲。这些领域的许多新发展还没有标准。因此，即使数量确实增加了，这些数量可能是不同实现的总和——没有一个单独的实现能够证明任何成本降低的合理性。它们变化得如此之快，以至于任何ASIC最终进入市场时都将过时。

解决如何制造汽车的时间表可能需要几十年的时间。被重新思考的不仅仅是这里或那里的一个子系统。而是整辆车。虽然高级需求(如备用摄像头)可能由不同制造商的汽车共享，但每个OEM和一级供应商可能有不同的解决方案。

再加上汽车的设计周期很长，这意味着找出哪些工作良好，哪些需要改变的反馈循环也很长。今天的决定将影响4到7年后的汽车。在这些消费者能够体验这些汽车是如何工作的之前，消费者的反应是无法登记的。这使得很难评估未来需要哪些特定的特性，因此实现必须保持灵活，以便能够适应不可避免的变化。fpga就提供了这样的灵活性。

人工智能的发展尤为繁重。“人工智能革命仍处于非常早期的阶段，”腾讯汽车高级总监Willard Tu表示赛灵思公司．“要过10年，硅供应商才能说，‘好吧，我确切地知道该给你做什么。’”事实上，fpga是目前创建小于8位整数AI实现的唯一实用方法，这也使其具有吸引力。

车辆的某些方面正在获得SoC投资，特别是信息娱乐系统。与其他功能相比，不同车型的实现可能有更多的共同点，而且它们的基本变化较小。但这些soc可能无法用于具有类似特性的汽车其他部件。例如，司机监控系统(DMS)使用、传输和操作视频。但是信息娱乐soc对于这一应用来说可能是多余的。DMS本身并不一定会成为一个有吸引力的SoC市场，所以它很可能是另一个FPGA插座。

工业和农业车辆是特别好的FPGA机会，因为它们具有高水平的自动化，需要复杂的逻辑，并且寿命非常长。Mallett表示:“fpga在拖拉机等越野车辆上的应用非常广泛，这些车辆已经成为自动驾驶车辆很多年了。”“它们是自动导航的，而且是gps控制的。”

但这些车辆没有公路车辆的数量，这使得fpga可能会继续存在。他补充说:“当你观察这两个领域时，可能它们永远都不会有足够高的产量。”

处理成本、性能和功率
汽车仍然对成本敏感，但许多备受关注的功能——尤其是ADAS——可能在一段时间内主要出现在高端汽车上。根据定义，这些客户愿意支付更高的价格，这对零部件造成的成本压力比低端汽车要小。

这些交通工具的使用方式也在改变。所谓的“机器人出租车”等汽车已经部分实现了自动驾驶。因为这些都是明确的商业工具，它们将在其生命周期内获得收入，因此有更有利的投资回报，可以支持更高的定价。

屠说:“机器人出租车已经达到了(自动化)的四级或五级，每个人都有不同的配置。因此，今天在这些领域，我们可能会被取代，但那可能还很远。”

fpga还可以降低其他地方的成本。莱迪思半导体(Lattice Semiconductor)汽车业务营销经理Jatinder P. Singh表示:“相同的硬件可以实现不同的功能或级别，使一级供应商或原始设备制造商可以面向不同尺寸的汽车(低端、中端或豪华)销售。”这创建了一个更简单的整体舰队平台。

设备速度，这历来是FPGA的权衡，似乎不是车辆的一个大问题。性能要求不是特别繁重，fpga是建立在领先的技术，使其领先于在旧工艺节点上进行的设计。

电力绝对是一个问题，尤其是对于纯电动汽车，电池寿命意味着行驶里程。如果实现过程中没有能源意识，那么当它上市时，其行驶里程可能没有竞争力。

从历史上看，转换到ASIC也是一种降低功耗的方法。而且，如果ASIC是使用与FPGA相同的处理节点构建的，这可能仍然是正确的。但实际上，先进的fpga构建在前沿节点上，而asic通常使用滞后节点。“很多asic仍然是28nm的，因为这是一个非常好的成本效益节点，”屠说。

前沿节点可能有较高的静态电流泄漏，但其较低的动态功率足以弥补这一点。Tu指出:“更新的几何形状在电力方面的表现会更好一些。由于几何形状太小，设备的泄漏会更多一些，但这被运行性能抵消了。”

因此，比较7nm的FPGA和28nm的ASIC可能会发现它们相当等效，可能会给FPGA带来优势。Singh指出:“随着技术节点的缩小，功耗优化的FPGA架构正在与asic进行正面竞争。

并行转换器在更大的fpga中使用也会产生影响。Mallett警告说:“SerDes在FPGA上占用了大量的功率。SerDes动力轨道与可用的速度，与更高的速度转化为更高的SerDes动力。但是根据Xilinx的说法，这个速度会随着进程节点的变化而变化，而且由于后期节点的净功率更低，这就不是什么问题了。

中间立场
不过，并不是所有事情都是fpga和asic之间的选择问题。当这两个世界存在时，一些介于两者之间的选择涉及到从先进的包装来嵌入式fpga．

“随着投资的增加，由于口罩、IP和设计的成本增加，你需要卖出更多的口罩，”该公司首席执行官杰夫·塔特(Geoff Tate)说Flex Logix．“所以芯片现在更像是瑞士军刀，而不是单一功能、单一用途的芯片。将可重构性添加到嵌入式FPGA中使他们能够做到这一点。”

然而，这需要专业知识的融合，理解这两个世界的设计团队具有优势。“对于以前从未使用过fpga的客户来说，仍然有一个学习曲线，”Tate说。“速度最快的情况是，他们在SoC旁边放置了一个大型FPGA，他们试图降低功耗和成本。将FPGA集成到SoC中要容易得多，因为他们已经知道如何对FPGA编程。”

从另一个角度来看，如今的处理器被添加了更多的可编程性，使它们也可以用于汽车应用。

“无论你是进入云市场，还是5G无线电，还是使用ADAS的汽车，为了构建最佳解决方案，你需要定制什么?微软技术副总裁兼研究员彼得·格林哈尔(Peter Greenhalgh)问道手臂．“这个抽象层仍然在芯片层面，所以你不必深入到CPU或GPU内部。这些组件仍然可以相当通用。这并不是说这很简单，因为它并不简单。但从根本上说，CPU或GPU或机器学习处理器并没有大的变化。如果是汽车，你可以在上面加上功能安全，如果是基础设施市场，你可以在上面加上更大的物理地址。显然，在微架构中有一些部分必须处理更大或更小的工作负载。但从根本上说，这些区块的微架构并没有突然改变。”

因此，考虑到几乎持续的变化，某种可编程性是必不可少的。需要多少可编程性可能会因车辆的功能而有很大差异，也可能取决于技术是全新的(如与基础设施和其他车辆的5G通信)，还是更先进的(如智能安全带张力调节或自动制动模块)。

安全第一
另外一个考虑因素将汽车市场与使fpga如此成功的先前市场区分开来——安全性。这在历史上一直是军事和航空航天系统的考虑因素，而这些系统的规则非常不同。

汽车有其他消费市场没有的安全需求。这将创建一个全新的复选框，在车辆上路之前必须勾选该复选框。要让一辆汽车及其所有子系统和组件通过安检，可能需要花费大量精力和金钱ISO 26262召集。这是一项投资，必须有时间来回报经济效益。

据Xilinx称，新车的认证成本可能高达2亿美元。“他们必须建立一个小型舰队，并进行部署，以确保它的性能，”屠解释说，“这需要相当多的时间和资源。”认证后对硬件的任何更改都将迫使OEM重做所有这些工作。

这意味着，对于给定的车型，将安全关键模块中的FPGA替换为ASIC或SoC将需要重新进行所有这些道路测试。这可能会降低成本降低投资的回报，使其不再有意义。

Tu指出:“尽管他们知道可以节省芯片成本，但他们必须重新验证，而重新验证将花费数百万美元。我有客户直接告诉我，他们将继续使用fpga，因为重新验证的价格很高。”除非他们要做出重大的改变和改进，否则不值得重新设计。”

图1:安全认证对更新的影响。顶部显示了一个简化的非安全流程;底部显示了安全关键型应用程序的相同流程。认证可能非常昂贵。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

这种重新认证的触发因素是硬件更改，而不是软件更改。屠说:“每个人仍然专注于硬件。

但fpga与其他硬件设备的不同之处在于，它们的内容可以改变。与软件一样，这可以通过现场无线(OTA)更新来完成。fpga的更新是在软件的控制下进行的，尽管这种更新会改变硬件。这似乎是一个灰色地带。

Mallett指出:“如果你可以进行OTA更新，并且可以在任何时候进行更新，那么不仅包括软件，还包括硬件，因为最终都是固件。”

到目前为止，FPGA更新和软件更新一样被视为公平的游戏。然而，与软件更新不同的是，拥有一个回滚选项不仅仅是一个好主意，就像它对软件一样。这是必需的。Mallett警告说:“如果你搞砸了硬件更新，那么你必须确保基础硬件有办法将其逆转。”“再多的软件也不能在没有功能的硬件上运行。”

在可预见的未来，fpga将有一个汽车之家
宣称fpga不会受到汽车成本降低的影响是愚蠢的。但目前的不确定性是巨大的。没有人知道会发生什么变化，什么时候会发生变化，所以每个人都必须保持警惕，准备好随着市场的变化而变化。

“一级或原始设备制造商经常在asic的不灵活性、mcu的低性能或gpu和应用处理器的高功率之间做出妥协，”Singh观察到。这意味着，在可预见的未来，fpga很可能会在汽车上找到一个受欢迎的家，尽管成本和挑战以及任何挥之不去的电力问题。

- Ed Sperling对本文也有贡献。