Arm 開發(fā)的 Zena 系列計(jì)算子系統(tǒng) （CSS） 可能使半導(dǎo)體公司、一級(jí)供應(yīng)商甚至汽車制造商能夠更輕松、更快速地創(chuàng)建汽車級(jí) AI 芯片。

軟件正在成為汽車行業(yè)更大的戰(zhàn)場(chǎng)，AI 正在成為貫穿車輛各個(gè)領(lǐng)域的核心功能?！癆I 工作負(fù)載正在成為籌碼，”Arm 汽車部門高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理 Dipti Vachani 說。

隨著 AI 開始支撐從高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 到車載信息娛樂 （IVI） 的方方面面，公司正在重新設(shè)計(jì)汽車的內(nèi)部電氣架構(gòu)。它們都將更多的計(jì)算能力從汽車每個(gè)角落的電子控制單元 （ECU） 轉(zhuǎn)移到更小的、更“集中”的高性能模塊中，這些模塊類似于更接近智能手機(jī)或服務(wù)器的東西。

其核心芯片具有獨(dú)特的異構(gòu)性，將高性能和實(shí)時(shí) CLU、GPU、DSP、SSP、ISP、AI 加速器和高速網(wǎng)絡(luò)封裝在單個(gè)硅片上，通?；?3 納米和 5 納米等先進(jìn)節(jié)點(diǎn)。但設(shè)計(jì)這些芯片正變得極其復(fù)雜和昂貴，這在很大程度上是因?yàn)楣璞仨毷瞧嚰?jí)的。這意味著它必須經(jīng)過嚴(yán)格的認(rèn)證，以滿足汽車安全 （ISO 26262） 和安全 （ISO/SAE 21434） 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

Zena 平臺(tái)是一組預(yù)先集成和預(yù)先驗(yàn)證的 CPU 內(nèi)核和其他 IP 構(gòu)建塊，可讓客戶在硬件開發(fā)方面搶占先機(jī)。這是 Arm 首款專為汽車市場(chǎng)設(shè)計(jì)的計(jì)算子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)由一個(gè)由 16 個(gè) Cortex-A720AE CPU 內(nèi)核組成的集群、一個(gè)用于安全的實(shí)時(shí) Cortex-R82AE CPU 內(nèi)核和一個(gè)用于安全性的 Cortex-M 組成，所有這些內(nèi)核都經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，適用于嚴(yán)酷的道路環(huán)境。

Arm 最新的計(jì)算子系統(tǒng) （CSS） Zena 將汽車 SoC 的許多構(gòu)建塊連接在一起。

為了脫穎而出，客戶可以附加神經(jīng)處理單元 （NPU）、圖形處理單元 （GPU） 或其他自定義邏輯，以創(chuàng)建一個(gè)完整的片上系統(tǒng) （SoC），該片上系統(tǒng)可以運(yùn)行從駕駛艙中的智能語音界面到高級(jí)安全功能的所有內(nèi)容。

Arm 表示，通過處理設(shè)計(jì)中更無差別的方面，Zena 可以將芯片開發(fā)過程縮短多達(dá)一年。它還在云上提供 CSS，使軟件開發(fā)能夠在物理芯片準(zhǔn)備就緒之前開始。

“這使客戶能夠?qū)Ｗ⒂诓町惢瑹o論是芯片供應(yīng)商、一級(jí)供應(yīng)商還是 OEM，”Vachani 說。

域架構(gòu)和可用區(qū)架構(gòu)之間的差異

Arm 的目標(biāo)是通過 Zena 保持在向軟件定義汽車 （SDV） 轉(zhuǎn)變的最前沿。這一切都是為了用可以隨著時(shí)間的推移而升級(jí)的軟件來替換當(dāng)今的碎片化硬件。

如今，現(xiàn)代車輛可能背負(fù)著 100 到 150 個(gè)電子控制單元 （ECU）。一般來說，每個(gè)系統(tǒng)都只配備了足夠的計(jì)算能力來控制軟件進(jìn)行一項(xiàng)工作，從管理動(dòng)力總成到運(yùn)行儀表板顯示器或駕駛員輔助系統(tǒng)。這些設(shè)備由廣泛的第三方供應(yīng)商開發(fā)，通常運(yùn)行專有的、不可升級(jí)的軟件，即使是汽車制造商也基本上無法訪問。

但隨著它們數(shù)量的增加，將它們集成到汽車中變得越來越復(fù)雜。每個(gè) ECU 都需要冗余布線，這導(dǎo)致了復(fù)雜且占用空間的布線線束系統(tǒng)。

汽車行業(yè)的推動(dòng)者和推動(dòng)者正試圖通過用基于異構(gòu) SoC 構(gòu)建的較小高性能單元集群來取代大部分 ECU 及其內(nèi)部的微控制器 （MCU），從而降低復(fù)雜性。

豐田和福特等大多數(shù)傳統(tǒng)汽車制造商正在升級(jí)到域架構(gòu)，其中每個(gè)功能子集（如動(dòng)力總成、底盤、信息娛樂和車身控制）都由專用域控制器管理。多個(gè)功能可以在單個(gè)芯片中的單獨(dú)容器或軟件模塊中運(yùn)行，而不是將每個(gè)功能都鎖定到單獨(dú)的 ECU 中。這次改革為硬件與軟件開發(fā)的解耦打開了大門，這可以降低生產(chǎn)兩者的復(fù)雜性。

Arm 表示，軟件定義汽車 （SDV） 正在不斷發(fā)展，以適應(yīng) AI 不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求。

另一方面，特斯拉和 Rivian 等科技巨頭和初創(chuàng)公司正在為區(qū)域架構(gòu)重新布線。這種方法基于物理位置而不是功能來集成 ECU。

區(qū)域控制器放置在汽車的不同角落或區(qū)域，并通過快速以太網(wǎng)相互通信并與中央計(jì)算單元通信。這種更具戰(zhàn)略性的布局減少了車輛中計(jì)算硬件的數(shù)量，并消除了更多延伸到汽車每個(gè)角落的沉重和昂貴的電線。

這些方法帶來了挑戰(zhàn)，主要圍繞軟件復(fù)雜性和系統(tǒng)集成。但權(quán)衡是靈活性。它使汽車制造商能夠通過無線 （OTA） 更新來升級(jí)或更新基于軟件的功能。

為了順應(yīng)這一趨勢(shì)，英特爾、英偉達(dá)、恩智浦、高通和瑞薩電子等半導(dǎo)體公司正在競(jìng)相推出高性能芯片，這些芯片可以作為未來軟件定義汽車的大腦。

例如，NXP 的 S32N 是其所謂的超級(jí)集成處理器系列中的第一款。它基于當(dāng)今數(shù)據(jù)中心中更常見的 5 納米節(jié)點(diǎn)，旨在充當(dāng)實(shí)時(shí)車輛控制（包括動(dòng)力總成和底盤）的“中央大腦”。它可以運(yùn)行各種不同的功能，即使它們屬于不同的領(lǐng)域，需要不同程度的安全性。將這些“混合關(guān)鍵性”系統(tǒng)合并到單個(gè)芯片中可以降低成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。

Arm 的解決方案可應(yīng)對(duì)汽車 SoC 的復(fù)雜性飆升

為了在這些技術(shù)變革中領(lǐng)先一步，Arm 于 2024 年推出了其最新的汽車增強(qiáng)型 （AE） CPU 內(nèi)核系列，包括 Cortex-A720AE、Cortex-R82AE 以及新 Zena 子系統(tǒng)中使用的許多其他 IP 構(gòu)建塊。它們都基于與數(shù)據(jù)中心 CPU 藍(lán)圖相同的 Arm v9 架構(gòu)，同時(shí)引入了汽車級(jí)安全和安保功能。

Zena 緩解了將這些 CPU 內(nèi)核和其他 IP 構(gòu)建塊構(gòu)建到汽車級(jí)芯片中的困難，這些芯片需要適應(yīng)嚴(yán)格的功率和散熱預(yù)算，同時(shí)保持安全。

第一代 Zena 基于一個(gè)由 16 個(gè) Arm Cortex-A720AE CPU 內(nèi)核組成的高性能集群和一個(gè)具有 Cortex-R82AE 的安全島，用于實(shí)時(shí)處理，例如故障管理、安全監(jiān)控、系統(tǒng)控制和安全啟動(dòng)。Arm 表示，實(shí)時(shí) CPU 專為運(yùn)行安全關(guān)鍵作而設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) ASIL D 標(biāo)準(zhǔn)的安全完整性。該平臺(tái)包括 CME S3AE 等系統(tǒng)互連，用于實(shí)現(xiàn) CPU 一致性和芯片到芯片 I/O 連接。

Zena 可以通過 ISP、GPU 和其他邏輯模塊（包括 NPU 或其他片上加速器）來區(qū)分，以應(yīng)對(duì) AI 不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求。

Zena 添加了一個(gè)安全區(qū)域，作為信任根 （RoT） 并在芯片級(jí)別保護(hù)所有內(nèi)容。

Arm 表示，通過預(yù)先集成所有這些硬件構(gòu)建塊，Zena 有助于減輕芯片設(shè)計(jì)人員的工程負(fù)擔(dān)。該公司進(jìn)一步表示，它可以將每個(gè)項(xiàng)目所需的工程師數(shù)量減少 20%。

新 CSS 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它使汽車制造商和芯片公司能夠在車輛之間重復(fù)使用更多運(yùn)行在其之上的硬件和軟件。“這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)闉槊糠N車型和應(yīng)用程序開發(fā)定制硬件和軟件堆棧的成本高昂、耗時(shí)且驗(yàn)證和認(rèn)證繁瑣，”Vachani 說?！八a(bǔ)充說，CSS 允許合作伙伴”在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)之上進(jìn)行創(chuàng)新和差異化，從而為其產(chǎn)品線增加獨(dú)特價(jià)值。

降低開發(fā)成本和復(fù)雜性是一件大事，因?yàn)?Arm 是當(dāng)今幾乎所有頂級(jí)汽車制造商使用的汽車芯片的基礎(chǔ)，包括 Honda、Mercedes、Rivian 和 Tesla 等。

靈活性：Arm 進(jìn)軍汽車級(jí) AI 的關(guān)鍵

Vachani 表示，通過預(yù)先驗(yàn)證 CPU 和 SoC 的其他基本構(gòu)建塊，Arm 為其客戶提供了更大的靈活性，讓他們可以專注于 AI 和其他他們可以脫穎而出的領(lǐng)域。

據(jù) Arm 稱，公司可以輕松地將合作伙伴特定的邏輯集成到 Zena 中，包括 NPU 或其他片上加速器，以處理 AI 不斷增長(zhǎng)的計(jì)算需求。它還可以集成其汽車級(jí) ISP 以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺，包括用于 ADAS 的 360 度環(huán)視視覺，以及 Mali GPU 以運(yùn)行可重新配置的儀表板、儀表板顯示器和數(shù)字駕駛艙的其他部分。

此外，Zena 支持基于 Universal Chiplet Interconnect Express （UCIe） 標(biāo)準(zhǔn)的 die-to-die 通信，適用于希望將 off-die accelerator 或其他定制邏輯集成為 chiplet 的客戶。

通過預(yù)先集成 CPU 的構(gòu)建塊，Zena 可以從 ADAS 擴(kuò)展到更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛

例如，Arm 表示，您可以將 Zena 用作 2+ 級(jí) ADAS 高性能芯片的核心構(gòu)建塊。它將 CPU 與幾個(gè)較小的 ISP 合并，以運(yùn)行嵌入在車輛中的攝像頭和其他傳感器來感知周圍環(huán)境，并將一個(gè)相對(duì)較大的 NPU 與一個(gè)相對(duì)較大的 NPU 合并，以運(yùn)行安全功能核心的 AI?；蛘?，您可以在數(shù)字駕駛艙的域控制器中使用相同的構(gòu)建塊，添加更大的 GPU 來支持儀表板顯示器，并添加較小的 NPU 來整合基于 AI 的語音和觸摸界面。

Vachani 表示，Arm 專注于在圍繞它進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)為公司提供“最大的靈活性”。多個(gè) Zena 單元可以集成在同一個(gè)單片芯片或多小芯片封裝中，以運(yùn)行完全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)或其他需要更高 AI 性能的功能。“因此，在整個(gè)車輛中，您可以利用完全相同的 Zena 模塊，從而為您提供硅片可擴(kuò)展性和軟件可擴(kuò)展性，”Vachani 補(bǔ)充道。

雖然它不是第一代 Zena 的一部分，但 Arm 還推出了超高性能的 Neoverse V3AE CPU，NVIDIA 已經(jīng)在其 Thor SoC 中將其用于自動(dòng)化和輔助駕駛。

CSS 不僅在硬件開發(fā)方面為公司提供了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，而且在軟件集成方面也為公司提供了良好的開端。Arm 表示，它使工程師能夠在物理芯片推出之前就在云中子系統(tǒng)的虛擬原型之上開始開發(fā)和測(cè)試軟件，從而將上市時(shí)間縮短多達(dá)兩年。該公司與 Cadence、Siemens 和 Synopsys 合作開發(fā)虛擬原型工具。

根據(jù) Vachani 的說法，CSS 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，汽車公司可以在云中開發(fā)和測(cè)試將部署在車輛中的相同 Arm v9 架構(gòu)上的軟件。

Vachani 表示，領(lǐng)先的汽車制造商（包括頂級(jí)電動(dòng)汽車制造商）和半導(dǎo)體公司已經(jīng)在與 Zena 合作，它將在 2025 年晚些時(shí)候更廣泛地發(fā)布。