汽車GPU競(jìng)爭(zhēng)加劇，Imagination強(qiáng)化高性能和功能安全優(yōu)勢(shì)

GPU憑借其渲染能力和計(jì)算能力在汽車市場(chǎng)闖出了一片天。過去十年，隨著數(shù)字駕駛艙、全寬儀表盤顯示屏和娛樂屏幕的演進(jìn)，汽車對(duì)像素處理的需求大幅增長(zhǎng)。并且，在軟件定義汽車的趨勢(shì)下，GPU憑借其通用性、可編程性越來越受硬件設(shè)計(jì)人員歡迎，它不僅可以處理當(dāng)前的AI工作負(fù)載，而且還能應(yīng)對(duì)未來出現(xiàn)的新需求。

針對(duì)汽車市場(chǎng)的需求，日前，Imagination推出了一款GPU IP產(chǎn)品——DXS GPU，這是一款可擴(kuò)展、靈活的GPU IP，專為車載智能和交互設(shè)計(jì)，能夠處理駕駛艙、信息娛樂和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)中的圖形和計(jì)算工作負(fù)載。

DXS GPU可支持一輛汽車的所有圖形和計(jì)算要求，算力可從單核0.25 TFLOPS的配置，擴(kuò)展到1.5 TFLOPS的處理能力，這意味著該處理器的峰值性能比其上一代汽車GPU IP提高了50%，可擴(kuò)展至192 GPixel/s、6 TFLOPS和 24 TOPS。

Imagination的多核技術(shù)可實(shí)現(xiàn)兩核、三核和四核配置，而內(nèi)核之間的低帶寬總線和對(duì)隔離的支持，也使IMG DXS可適用于多晶粒芯片（chiplet）。它采用了在D系列PowerVR架構(gòu)中引入的相關(guān)特性，如流水線數(shù)據(jù)主控和2D雙速紋理處理，從而在性能效率上比上一代汽車GPU IP提高了20%，并確保其在實(shí)際基準(zhǔn)測(cè)試中的表現(xiàn)優(yōu)于競(jìng)品IP內(nèi)核。

Imagination車載GPU產(chǎn)品總監(jiān)章政介紹，DXS GPU作為一款高性能圖形處理器，通過軟硬件的協(xié)同優(yōu)化，AI性能也實(shí)現(xiàn)了超過50%的性能提升。不僅支持車內(nèi)大屏娛樂系統(tǒng)，也適用于后座娛樂顯示，能夠?yàn)槌丝吞峁┴S富的視覺體驗(yàn)。

并且，DXS針對(duì)下一代車輛智能所需的計(jì)算工作負(fù)載進(jìn)行了優(yōu)化，如計(jì)算機(jī)視覺和數(shù)據(jù)處理。通過將DXS的基礎(chǔ)硬件與新增的FP16流水線和一組新的計(jì)算庫及AI工具包相結(jié)合，用戶可以在計(jì)算工作負(fù)載方面實(shí)現(xiàn)比上一代產(chǎn)品高達(dá)10倍的性能提升。

Imagination首款帶有“分布式安全機(jī)制”的處理器

除了上述特性，DXS GPU最重要的創(chuàng)新之一是引入了分布式功能安全機(jī)制，這一機(jī)制顯著減少了傳統(tǒng)功能安全方案在性能和芯片面積上的損失，為汽車GPU提供了更高級(jí)別的功能安全保障。

根據(jù)ISO 26262汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）體系，汽車上運(yùn)行的所有功能都要根據(jù)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)認(rèn)證。汽車制造商及其供應(yīng)商必須確保支持該功能實(shí)現(xiàn)的組件都符合故障檢測(cè)和處理的必要標(biāo)準(zhǔn)，其中ASIL-A等級(jí)的要求最低，ASIL-D等級(jí)的要求最全面。?在分布式安全性方面，DXS GPU引入了多項(xiàng)新的創(chuàng)新，消除了在Imagination處理器上實(shí)現(xiàn)ASIL-B等級(jí)功能安全的額外開銷，目前已經(jīng)獲得了汽車市場(chǎng)的使用許可。

根據(jù)章政的解釋，功能安全是指確保系統(tǒng)中的芯片或組件能夠按照設(shè)計(jì)規(guī)范和預(yù)期要求可靠地執(zhí)行其功能，以防止因功能失效導(dǎo)致的安全事故。對(duì)芯片的功能安全來說，最主要的成本來自于面積。

目前，市場(chǎng)上的解決方案主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn)功能安全：一種是雙核鎖步法，帶來硅片面積增加100%；另一種是工作負(fù)載重復(fù)法，使得安全工作負(fù)載性能減半。

具體而言，“雙核鎖步法”是在芯片上部署兩套相同的邏輯電路來執(zhí)行同一功能。執(zhí)行后，比對(duì)這些電路的輸出結(jié)果，以確保一致性。如果所有結(jié)果都一致，則認(rèn)為功能執(zhí)行正確。這種方法雖然提高了安全性，但會(huì)導(dǎo)致芯片面積成倍增加，從而增加了成本。

工作負(fù)載重復(fù)法則是對(duì)同一任務(wù)進(jìn)行兩次重復(fù)執(zhí)行，然后對(duì)比兩次結(jié)果的一致性。這種方法能發(fā)現(xiàn)單次執(zhí)行中可能未被察覺的錯(cuò)誤，通過有效檢測(cè)并糾正隨機(jī)錯(cuò)誤。然而，重復(fù)執(zhí)行策略會(huì)導(dǎo)致性能減半。

以上兩種方法帶來的成本開銷和性能降低問題，對(duì)用戶來說都是難以接受的，因?yàn)檫@會(huì)直接影響到用戶體驗(yàn)和成本效益。正因如此，汽車廠商和芯片制造商一直在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程中尋求創(chuàng)新方法，以平衡安全性、性能和成本之間的關(guān)系。

章政表示，DXS GPU采用了全新的“分布式安全機(jī)制”，在性能、功耗或面積（PPA）開銷遠(yuǎn)小于現(xiàn)有方法的情況下，實(shí)現(xiàn)了ASIL-B功能安全。它僅通過增加大約10%的芯片面積，就實(shí)現(xiàn)了100%的性能提升，同時(shí)保持了功能安全。

Imagination在這一安全機(jī)制中主要利用了處理器固有的并行性。由于GPU設(shè)計(jì)中存在許多重復(fù)單元以支持多線程并行執(zhí)行，可以在不同線程中插入測(cè)試樣例并執(zhí)行，周期性地檢查其中是否存在錯(cuò)誤，如果有錯(cuò)誤立即執(zhí)行上報(bào)。這種方法不僅確保了硬件的功能安全，而且避免了因額外的安全措施帶來的性能損失和芯片面積增加。

據(jù)了解，分布式安全機(jī)制不僅適用于車載電子，也適用于航空、醫(yī)療和工業(yè)等其他對(duì)功能安全有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。并且，這一機(jī)制也將繼續(xù)演化，更為高效、覆蓋范圍更廣，致力于通過更小的開銷實(shí)現(xiàn)更高的安全等級(jí)。

向中央架構(gòu)轉(zhuǎn)變，GPU加速計(jì)算優(yōu)勢(shì)明顯

章政強(qiáng)調(diào)，DXS GPU 符合汽車從分布式架構(gòu)向中央計(jì)算架構(gòu)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，提供了高于CPU的計(jì)算性能，同時(shí)在編程靈活性上超越了NPU和其他SoC加速器。

AI對(duì)加速計(jì)算的需求，推動(dòng)NPU成為計(jì)算架構(gòu)中一個(gè)較為主流的選擇。不過，章政談到了其中存在的一個(gè)問題，NPU廠商通常都推出了各自的私有架構(gòu)、相應(yīng)的SDK及生態(tài)系統(tǒng)，這導(dǎo)致了NPU生態(tài)系統(tǒng)的碎片化，增加了開發(fā)成本?！耙幻鸑PU硬件工程師可能需要搭配10-20名軟件工程師來支持硬件運(yùn)行，這使得軟件開發(fā)成本變得非常昂貴”，他指出。

同時(shí)，NPU的固化特性導(dǎo)致其可編程性較弱，難以適應(yīng)AI領(lǐng)域快速變化的算法和架構(gòu)。此外，隨著制程技術(shù)的進(jìn)步，如5納米工藝的研發(fā)成本高達(dá)數(shù)億美元，如果產(chǎn)品的生命周期很短，無法適配新的架構(gòu)，那么這些投資將難以回收。

“在AI各方面技術(shù)還未完全固化之前，應(yīng)該注重可編程性的重要性。一個(gè)開放和可編程的生態(tài)系統(tǒng)，能夠吸引眾多參與者，能夠更好地適應(yīng)新的方法和框架，延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期，通過增加銷量，從而分?jǐn)傃邪l(fā)成本，提高公司產(chǎn)品的盈利機(jī)會(huì)”，章政補(bǔ)充，“在可編程ASIC方面，GPU和CPU是可選項(xiàng)，但CPU算力提升有限，GPU因其天生的并行性，能夠提供更高的算力，并且?guī)缀跛蠥I算法都是在GPU上開發(fā)出來的，這是GPU的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)?！?/p>

提供全新計(jì)算庫和人工智能工具包

與硬件同時(shí)開發(fā)的還有一套新的計(jì)算庫（imgBLAS、imgNN、imgFFT），它們可幫助軟件開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)高達(dá)80%的GPU利用率。這也將加速常見計(jì)算工作負(fù)載的處理，如計(jì)算機(jī)視覺和ADAS系統(tǒng)感知數(shù)據(jù)的預(yù)處理和后處理。

這些庫與新的參考工具包（oneAPI和TVM）相結(jié)合，創(chuàng)建了一個(gè)基于開放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用軟件棧，軟件開發(fā)人員可以利用該軟件棧輕松地將其計(jì)算應(yīng)用移植到基于Imagination IP的硬件上，并最大限度地提高其性能。

此外，Imagination的汽車GPU支持OpenGL ES、Vulkan、OpenGL和OpenCL。它們可運(yùn)行流行的汽車操作系統(tǒng)，如QNX和Green Hills軟件公司的INTEGRITY RTOS，以及Linux和Android?；谟布?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1356120.html">虛擬化技術(shù)使Imagination GPU能夠同時(shí)運(yùn)行8個(gè)操作系統(tǒng)，并通過完全的內(nèi)存隔離，實(shí)現(xiàn)完全安全的GPU多任務(wù)處理。Imagination與全球領(lǐng)先的安全關(guān)鍵型圖形和計(jì)算軟件驅(qū)動(dòng)程序和庫構(gòu)建者和提供商CoreAVI合作開發(fā)安全關(guān)鍵型驅(qū)動(dòng)程序，從而為Imagination GPU提供OpenGL SC和Vulkan SC支持。

寫在最后

隨著汽車應(yīng)用需求的演進(jìn)，AI計(jì)算、軟件的可移植性以及利用異構(gòu)硬件的能力越來越重要。Imagination最新推出的GPU IP，可以支持AI應(yīng)用所需的異構(gòu)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)軟件棧需求，并且在軟件移植、性能提升方面所需的時(shí)間、成本開銷較低，有望大范圍落地，在汽車的智能化、自主化過程中，滿足復(fù)雜應(yīng)用需求。