分布式安全機制實現更高效的ASIL-B級功能安全構建，Imagination發(fā)布最新汽車級GPU IP——IMG DXS GPU

時間：2024-09-19 20:33:24

關鍵字：分布式安全機制 ASIL-B Imagination 汽車級GPU DXS AI ADAS

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[導讀]近年來，隨著汽車智能化和電動化的快速發(fā)展，汽車半導體市場展現出了前所未有的增長潛力。根據S&P Global Mobility的預測，到2029年，全球汽車半導體市場的收入預計將大幅增長，超過1300億美元。2022年該市場的收入為680億美元，意味著未來幾年將實現一倍的增長。這一增長主要得益于先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、電動化以及信息娛樂系統(tǒng)的普及，尤其是在電動汽車領域，半導體內容的增加更為顯著。未來十年，隨著這些技術的廣泛應用，汽車半導體市場將迎來爆發(fā)式的增長。

近年來，隨著汽車智能化和電動化的快速發(fā)展，汽車半導體市場展現出了前所未有的增長潛力。根據S&P Global Mobility的預測，到2029年，全球汽車半導體市場的收入預計將大幅增長，超過1300億美元。2022年該市場的收入為680億美元，意味著未來幾年將實現一倍的增長。這一增長主要得益于先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、電動化以及信息娛樂系統(tǒng)的普及，尤其是在電動汽車領域，半導體內容的增加更為顯著。未來十年，隨著這些技術的廣泛應用，汽車半導體市場將迎來爆發(fā)式的增長。

高性能計算需求上升正在推動著包括車規(guī)級GPU在內，發(fā)揮出更為關鍵的作用尤。隨著ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）和自動駕駛對高性能計算需求的增加，車規(guī)級GPU不僅是圖像處理的核心，更在駕駛輔助、自動駕駛決策和傳感器數據融合等方面發(fā)揮著重要作用。車規(guī)級GPU正在推動汽車從輔助駕駛逐步邁向完全自動駕駛的未來。

作為深耕GPU領域近40年的專家，Imagination的半導體解決方案在各類市場中已經出貨超過13億臺設備，其中3.95億設備是應用在汽車領域的。尤其是在座艙和信息娛樂系統(tǒng)GPU IP供應上，是當之無愧的的全球領先者。通過統(tǒng)一的PowerVR GPU架構，Imagination在汽車領域內提供了高效、安全且可擴展的圖形和計算處理能力，滿足了現代汽車對計算性能日益增長的需求。

近日Imagination發(fā)布了其最新的汽車級GPU IP——IMG DXS GPU，相比上一代汽車GPU IP，DXS GPU的峰值性能提升了50%，并結合了最新的D系列架構效率和圖形功能，使其成為強大的圖形處理器。新推出的分布式安全機制（Distributed Safety Mechanisms）在不影響性能的前提下，簡化了實現ASIL-B（汽車功能安全等級）的成本。通過軟硬件的協(xié)同優(yōu)化，DXS GPU的計算性能提升高達10倍，極大增強了GPU在自動駕駛等高計算需求場景下的表現。

創(chuàng)新的專利——分布式安全機制，讓ASIL-B的實現更為高效

正如章總強調的，此次IMG DXS GPU的一大創(chuàng)新就是采用了Imagination最新的專利技術——分布式安全機制，所以能夠在幾乎不增加核心面積的情況下，實現更高的安全性和性能效率，助力客戶構建ASIL-B級別的汽車級GPU。

要實現ASIL-B級功能安全，傳統(tǒng)的方式有雙核鎖步（Dual-Core Lock Step）和工作負載重復（Workload Repetition）兩種。其中雙核鎖步是通過增加核心面積（面積增加至兩倍），來實現更高的安全性。然而，雖然面積顯著增加，性能卻沒有顯著提升。這意味著為了滿足安全要求，系統(tǒng)的成本會大幅上升。工作負載重復這一方法通過在相同面積上重復工作負載，來提高安全性，但結果是性能僅為標準核心的一半。這種方法雖然占用的額外資源較少，但性能損失明顯。

IMG DXS GPU則能夠在標準核心的基礎上，以最小的面積增加的前提下，提供與標準核心相同的性能，同時實現ASIL-B的安全標準。這使得它比雙核鎖步和工作負載重復更為高效，既保證了安全性，又避免了面積和性能的重大損失。

這種創(chuàng)新的技術叫做Safety Pairs，這是一種分布式功能安全機制，是Imagination的最新專利技術，它通過利用現代處理器中的并行性和自然空閑時間來實現故障檢測，且無需對工作負載或硬件進行重復處理，從而減少了開銷。

如下圖展示了處理器在不同時間段的運行狀態(tài)，其中每個條形代表了處理器的任務執(zhí)行情況和空閑狀態(tài)。黃色部分標記為“IDLE”（空閑），表示處理器的自然空閑時間，而紫色和紅色部分表示不同的任務執(zhí)行時間。通過在這些空閑時間運行測試向量來檢測潛在故障，Safety Pairs能夠在不增加硅片或工作負載的前提下，實現故障檢測功能。

這個技術的優(yōu)點在于它避免了傳統(tǒng)方法中需要通過重復執(zhí)行工作負載或增加處理單元來實現安全檢測的做法，從而提高了系統(tǒng)的效率和資源利用率。簡言之，Safety Pairs使得IMG DXS GPU能夠以更少的硬件和資源開銷，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性，滿足汽車行業(yè)的功能安全要求（如ASIL-B標準）。

“為什么功能安全在車這一塊很難推廣起來？主要是因為成本，因為芯片面積增加一倍或者是性能降低為二分之一，對于廠商來說它的成本也就增加了一倍。這個增加一倍的成本，最后都要轉化到消費者頭上去，那這個價格就要增加一倍。過去沒有太多客戶愿意為這個東西買單，所以一直推不起來。”章政解釋到，“Imagination作為一個傳統(tǒng)的GPU玩家，我們對GPU非常了解，我們對GPU怎么運行是非常清楚的。所以我們利用了GPU的一些特性來非常靈活地實現了功能安全機制?！?

整體而言，DSM（Distributed Safety Mechanism-分布式安全機制）是一種分布式架構，通過持續(xù)發(fā)送微小的測試向量來確保各子組件的正確性與穩(wěn)定性。該機制不僅適用于車載電子系統(tǒng)，還能夠滿足航空、醫(yī)療、工業(yè)等多個具備功能安全要求的領域的需求。Imagination將持續(xù)優(yōu)化和發(fā)展這一機制，提升其效率，并擴大其應用范圍。目前，DSM已能夠輕松滿足ASIL-B的安全等級要求。未來還有望將進一步提升其安全等級，并在更低的資源和成本消耗下，確保更高的安全標準的實現。

雙速率FP16+SPU增加+軟件優(yōu)化，AI能力提升近十倍

AI的能力和圖形處理的能力是相通的，而高階自動駕駛的實現又必須依賴AI能力，因此DXS GPU在AI能力上的創(chuàng)新和優(yōu)化，也是其重要的一部分。透過軟件優(yōu)化和架構創(chuàng)新，DXS GPU也進一步幫助開發(fā)者更快速和高效地將AI的能力部署到汽車中。

盡管圖形處理是GPU的核心強項，隨著計算任務對并行處理要求的增加，圖形處理和計算的需求變得高度一致，許多GPU廠商開始將圖形處理硬件用于加速計算任務。這一趨勢也推動了AI的發(fā)展，因為AI的巨大算力需求最初就是通過GPU實現的，而CPU無法提供足夠的計算能力來支持AI的工作。

然而，盡管現代AI算法需要更高的性能，當前的半導體技術仍然面臨帶寬和工藝節(jié)點的瓶頸，尤其是在5納米甚至更小的技術節(jié)點上，成本會極具上升。因此，DXS在架構上進行了創(chuàng)新，通過支持FP16精度的計算來滿足大部分AI工作負載的需求，減少了對高帶寬的依賴。FP16比FP32帶寬需求更低，通過增加雙速率的FP16單元和SPU，DXS能夠在FP16工作負載下提供三倍的算力，顯著提升了性能。

此外，為了進一步降低帶寬需求，DXS盡可能將所有計算控制在GPU內部，減少數據在GPU和其他模塊之間的流動，從而大幅降低系統(tǒng)的帶寬要求。DXS在1GHz主頻下，能夠在FP16半精度浮點計算中提供12 TFLOPS的性能，在int8計算中則可達到24 TOPS的性能，且在主頻進一步提高到1.2GHz甚至1.5GHz時，性能會進一步提升。

另外值得關注的一點在于，相比于其他專門用于AI加速的NPU，GPU的最大優(yōu)勢在于其成熟的生態(tài)系統(tǒng)，這主要得益于基于開放標準的編程環(huán)境，如OpenCL、Vulkan和oneAPI。強大的生態(tài)系統(tǒng)不僅降低了研發(fā)成本，還使得客戶能夠方便地將任務從競爭平臺移植到DXS上，推動了產品的市場推廣和盈利能力。經過多年的發(fā)展，Imagination的GPU生態(tài)系統(tǒng)已經非常成熟，為客戶的產品優(yōu)化提供了極大的便利。

“整個NPU生態(tài)系統(tǒng)是四分五裂的，開發(fā)成本非常高。根據行業(yè)內一些反饋——一個 NPU 的硬件工程師大概要搭配 10 到 20 個軟件工程師去把這個 NPU 的硬件給運行起來，這個軟件的成本是非常昂貴的。而且NPU它是固化的一個東西（因為要追求效率，編程性就非常差），但是我們看一看今天 AI 才剛剛開始新的算法，每一天都在出現新的架構。沒法去預測明天會有哪個新的架構出現，所以今天固化的NPU架構也無法去適配未來新的算法架構。特別是當NPU都追求高制程，高制程的制造成本又非常高昂。如果固化架構的這一NPU的生命周期很短，那這筆投資基本上就是有去無回的?！闭抡貏e解釋到，”我們看到的這個將來的趨勢是什么？將來的趨勢是在 AI 沒有完全固化之前，編程性是很重要的。可編程性，一個開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)有眾多的參與者，能更好的適配新的這個方法是用新的 framework 讓這個產品的生命周期增長，能有更多的銷量，攤薄你研發(fā)的成本，那你這個公司的最后這個產品才有機會去盈利?！?

因此，DXS GPU有著天然的開發(fā)生態(tài)優(yōu)勢，而Imagination也進一步在硬件架構優(yōu)化創(chuàng)新的基礎上，提供了最新的計算庫（compute library）和工具包（Toolkit），來幫助開發(fā)者加速關鍵的汽車應用——特別是ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）和計算機視覺相關的任務。

據悉，在一些典型的工作負載中，DXS的AI性能相比上一代產品提升了近十倍。前面提到雖然硬件性能僅提升約50%，但這次顯著的性能增長主要歸因于軟件的支持與優(yōu)化。特別是在計算庫方面，性能提升了2至4倍。優(yōu)化的計算庫不僅在帶寬使用上實現了顯著的節(jié)省，同時也對片上內存進行了有效的管理與優(yōu)化。通過盡可能將所有計算保持在片上運行，避免了數據在不同計算單元之間的頻繁傳輸，從而降低了帶寬消耗。這一優(yōu)化措施不僅提升了系統(tǒng)效率，也顯著降低了能耗，因為數據傳輸通常是能耗的主要來源之一。

未來，隨著計算庫的不斷增強，DXS GPU的硬件利用率將持續(xù)提升，使得更多的高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）功能能夠在GPU上實現。這樣DXS GPU就能夠為ADAS提供更多更靈活的算法支持，從而幫助客戶的產品在未來具備更高的可持續(xù)性。利用強大的可編程性和計算能力，客戶在面對新的自動駕駛算法或功能需求時，也能夠通過開放API快速地在DXS平臺上實現這些新功能，從而滿足市場多樣化需求。

靈活可拓展方案保證客戶成本效益，應對未來增長需求

最后，DXS GPU**延續(xù)了Imagination在GPU產品上的拓展性優(yōu)勢，這保證了客戶的長期靈活性和成本效益，尤其是在應對未來可能增長的智能座艙和人機交互（HMI）需求時。

“雖然現在的需求可能不需要使用最高級別的GPU，但DXS GPU架構設計了多種可擴展的方案，以滿足未來可能出現的更高計算需求。例如，在未來5到10年內，如果智能座艙的屏幕數量增加，或者對HMI的要求提升，用戶可以從不同級別的DSX GPU中選擇，比如從8核心到256核心，或者選擇更高級別的MC2、MC4型號。簡單來說，即便當前你選擇的是低規(guī)格的GPU，未來仍然可以根據需求逐步升級和擴展，保持靈活性和成本效益?！?a href="/tags/Imagination" target="_blank">Imagination 資深產品總監(jiān)Stephen Spain表示，“簡單來說，即便當前你選擇的是低規(guī)格的GPU，未來仍然可以根據需求逐步升級和擴展，保持靈活性和成本效益。”