高階自動(dòng)駕駛的量產(chǎn)落地需要一個(gè)技術(shù)體系的進(jìn)步，感知、決策、控制，每一個(gè)環(huán)節(jié)的軟硬件都需要持續(xù)不斷創(chuàng)新，其中自動(dòng)駕駛車輛的感知能力是后兩者能夠安全、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

 

因此，我們可以看到智能電動(dòng)汽車關(guān)于感知傳感器的裝載，也在不斷增加和技術(shù)迭代。

 

從傳感器的形態(tài)和功能維度來看，可以分為幾個(gè)階段：

 

• 第一階段：以超聲波雷達(dá)為主的燃油車時(shí)代；

• 第二階段：以超聲波和毫米波雷達(dá)為主的高配置燃油車時(shí)代；

• 第三階段：超聲波、毫米波、攝像頭為主，實(shí)現(xiàn)的 L2/L2.5 級(jí)別輔助駕駛的智能電動(dòng)車；

• 第四階段：在上述基礎(chǔ)上加入激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)包含城市等更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛。

 

隨著高級(jí)別自動(dòng)駕駛對(duì)感知傳感器需求的變高，傳感器本身的技術(shù)迭代和技術(shù)創(chuàng)新也在加速。

硬件競(jìng)爭(zhēng)短期不會(huì)結(jié)束

 

 

在科技產(chǎn)品中硬件往往是基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)一些系統(tǒng)性的功能而存在的，在整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中「感知傳感器」就像是眼睛，讓車輛能夠豐富而更加精準(zhǔn)的感知真實(shí)的環(huán)境。

 

從目前的技術(shù)路徑來看，除了特斯拉堅(jiān)持純視覺感知以外，其他所有廠商都是走感知融合路線，也就是「視覺 + 雷達(dá)」方案，這樣的傳感器配置可以彌補(bǔ)單一傳感器之間的不足，以及無法達(dá)到安全冗余的需求。

 

如果我們把自動(dòng)駕駛整個(gè)大系統(tǒng)拆分來看，感知本身就是一套小系統(tǒng)存在，它的組成包括：物理硬件、軟件算法、芯片。這三者之間的關(guān)系是，硬件識(shí)別到的數(shù)據(jù)，由感知算法解析，解析標(biāo)定之后提交有用數(shù)據(jù)與其他傳感器數(shù)據(jù)比對(duì)，通過整個(gè)自動(dòng)駕駛計(jì)算平臺(tái)計(jì)算得到答案后交給決策機(jī)構(gòu)。

 

這里面每一步都會(huì)影響傳感器的性能，其中大部分公司在軟件算法層面的更新會(huì)更快，在同樣的傳感器識(shí)別模組上，想要感知的信息更豐富，那就需要傳感器處理芯片具有更高的性能。

 

而在現(xiàn)階段，激光雷達(dá)幾乎成了智能汽車感知傳感器的必選項(xiàng)，它的優(yōu)勢(shì)比較好理解就是，在與同一個(gè)傳感單元確定的方向相結(jié)合時(shí)，每個(gè)點(diǎn)的 3D 位置會(huì)成為掃描的「點(diǎn)云」的組成部分，激光雷達(dá)能夠從短距離到長(zhǎng)距離以高分辨率檢測(cè)行人、騎行者和車輛等目標(biāo)，因此成為了完善自動(dòng)駕駛汽車傳感器全套方案的、極具吸引力的解決方案。

 

總結(jié)激光雷達(dá)傳感器的主要優(yōu)勢(shì)就是：

 

• 精確的距離/深度和速度測(cè)量；

• 空間分辨率 - 高分辨率 3D 對(duì)象特征化；

• 200 m+ 的檢測(cè)距離；

• 為方位角和仰角提供寬視角（ FoV ）和角度分辨率。

 

再看看量產(chǎn)和即將量產(chǎn)以及規(guī)劃，帶有激光雷達(dá)的智能汽車產(chǎn)品：

 

• 蔚來 ET7、ET5；

• 小鵬 P5、G9；

• 智己 L7；

• 理想 X01；

• 威馬 M7；

• 哪吒 S；

 .....

 

也就是說，車企和自動(dòng)駕駛公司為了應(yīng)對(duì)高級(jí)別自動(dòng)駕駛對(duì)傳感器高精度的需求，激光雷達(dá)會(huì)迅速成為高級(jí)別自動(dòng)駕駛的標(biāo)配，激光雷達(dá)市場(chǎng)也會(huì)迅速擴(kuò)大，這也帶來了一個(gè)重要的問題：激光雷達(dá)的升級(jí)迭代能不能滿足需求？

 

 

傳感器技術(shù)迭代慢的問題

 

 

我們就以激光雷達(dá)為例來討論這個(gè)問題，大部分人會(huì)把激光雷達(dá)等傳感器落地和迭代慢的問題，都?xì)w結(jié)于機(jī)械結(jié)構(gòu)以及光學(xué)組件升級(jí)慢，當(dāng)然這是很重要的，但其實(shí)還有一個(gè)核心原因就是：「專用芯片」。

 

高性能傳感器對(duì)芯片以及整個(gè)計(jì)算平臺(tái)的性能有著極高的要求，通常有幾個(gè)主要指標(biāo)：

 

• 計(jì)算算力：激光雷達(dá)需要高算力，用于 3D 點(diǎn)云的高數(shù)據(jù)速率圖像處理，3D 點(diǎn)云由每秒超過 100 萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成，數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)超攝像頭和其他雷達(dá)傳感器。激光雷達(dá) 3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的步驟為：通過移除不需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；過濾相關(guān)數(shù)據(jù)并將點(diǎn)云分段；最終識(shí)別并分類特征；

 

• 高拓展性：未來傳感器的融合需要芯片架構(gòu)具有非常強(qiáng)的拓展性以支持運(yùn)行不同的軟件，而且不同的技術(shù)體系的類型之間要能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的計(jì)算；

  
  

• 性能與低功耗：要做到限制成本與傳感器模塊尺寸以滿足熱管理要求；

  
  

• 低時(shí)延和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)吞吐量：處理數(shù)據(jù)的延遲越低，越能夠降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行時(shí)間，從而降低危險(xiǎn)；

  
  

• 算法匹配：現(xiàn)在的芯片算法既要滿足大數(shù)據(jù)量的計(jì)算，也要滿足 AI 邊緣算法的需求。

 

而目前最大的問題是，市場(chǎng)上的激光雷達(dá)硬件、深度學(xué)習(xí)算法軟件都還沒有形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，也就是標(biāo)準(zhǔn)的通用型產(chǎn)品，因此，使用專用的 ASSP/ASIC 架構(gòu)芯片效率并不高，這個(gè)時(shí)候芯片的高靈活性其實(shí)更為重要。

 

也正因如此，F(xiàn)PGA 處理平臺(tái)正在被大規(guī)模應(yīng)用，從結(jié)果來看未來基于 FPGA 架構(gòu)的芯片可能會(huì)更受制造商的喜歡。

 

基于 FPGA 的解決方案

 

到這里就出現(xiàn)了三個(gè)比較陌生的詞：ASSP、ASIC、FPGA。

 

ASSP專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，從名字我們就可以知道了它是一個(gè)通用型的設(shè)備；ASIC 被稱為特定應(yīng)用集成電路，它是因特定需求而開發(fā)的設(shè)備，可以簡(jiǎn)單理解為這是定制的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

 

專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）的設(shè)計(jì)和實(shí)施方式完全和 ASIC 相同，因?yàn)樗麄儽举|(zhì)上是相同的東西。區(qū)別在于，ASSP 是更加通用的設(shè)備，適用于多個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的公司，比如，獨(dú)立的 USB 接口芯片可以歸類為 ASSP；而 ASIC 通常被設(shè)計(jì)和使用在特定系統(tǒng)中的單個(gè)公司，所以 ASIC 的開發(fā)成本也更高。

FPGA被稱為「現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列」，F(xiàn)PGA 最厲害的地方在于，工程師可以配置它的可編程架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)任意需要的數(shù)字功能組合。另外，它還可以以大規(guī)模并行的方式實(shí)施算法，這意味著可以非常迅速和有效地執(zhí)行大數(shù)據(jù)的處理。

 

ASIC、ASSP 的特點(diǎn)是，它們包含的任何算法，除了那些在軟件內(nèi)部處理器內(nèi)核執(zhí)行的，其余都是「寫死的」。所以，這個(gè)時(shí)候就需要現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）了。早期的 FPGA 器件的架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只是一系列通過可編程互連的可編程模塊。

 

而現(xiàn)在 FPGA 可以包含幾千個(gè)加速器、乘法器以及數(shù)字信號(hào)處理（DSP）功能，所以稱它為「系統(tǒng)級(jí)芯片」更加準(zhǔn)確。

 

太抽象，解釋一下：

 

比如，你買房子，有一整棟樓，房子是標(biāo)準(zhǔn)的精裝修，一棟樓里 100 間房的戶型，裝修全部一致，這就是開發(fā)商給你的通用型產(chǎn)品（ASSP），誰買都是一樣的，但你因?yàn)橘I了一個(gè) 150 寸的超大電視機(jī)，前面的標(biāo)準(zhǔn)裝修電視墻只能放下 65 寸的，這個(gè)時(shí)候你要求開發(fā)商按照你的要求把電視墻改成了可放 150 寸電視的，這就是（ASIC ），因?yàn)楦耐旰蟮姆孔又贿m用你的特定需求，而且你還要額外付改造成本。

 

而 FPGA 就像是可組合的空間，你不僅可以做基礎(chǔ)裝修，還可以自定義空間布局以實(shí)現(xiàn)空間利用的最大化，同時(shí)由于空間結(jié)構(gòu)是模塊化，其他人也可以寫入自己的功能。

 

與 CPU 和 GPU 中的串行架構(gòu)不同，F(xiàn)PGA 和基于 FPGA 的多處理器片上系統(tǒng)（ MPSoC ）受益于并行處理架構(gòu)。FPGA 所具備的靈活性使其適用于需要頻繁修改和升級(jí)的應(yīng)用與設(shè)備，而 ASIC 則更適用于永久性應(yīng)用。

 

FPGA 優(yōu)勢(shì)主要有幾點(diǎn)：

 

• FPGA 提供了靈活性、差異化、靈活應(yīng)變能力，以及低時(shí)延、高吞吐量和快速上市進(jìn)程。由于 ADAS 和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的性能、標(biāo)準(zhǔn)和算法時(shí)刻發(fā)生改變，激光雷達(dá)領(lǐng)域非常注重靈活性和靈活應(yīng)變能力。例如，F(xiàn)PGA 能夠進(jìn)行配置和重配置，以平衡能效和性能要求。

  
  

• FPGA 能夠提供 AI 應(yīng)用所需的額外性能和處理效率，包括激光雷達(dá)點(diǎn)云處理，以及實(shí)現(xiàn)可編程性，從而強(qiáng)化系統(tǒng)靈活性、硬件復(fù)用和開發(fā)成本下降。

  
  

• FPGA 在感知算法仍處于開發(fā)階段時(shí)，因?yàn)樾酒梢噪S算法的開發(fā)而定制，避免了昂貴的 ASIC 解決方案重新設(shè)計(jì)的潛在成本。

  
  

• FPGA 最初被用作加速器器件，以強(qiáng)化基于 CPU 的 SoC 的性能，現(xiàn)在 FPGA 正日益成長(zhǎng)為 MPSoC 中的主要處理器件。

 

FPGA 已從基礎(chǔ)的可編程邏輯發(fā)展至包含多個(gè)嵌入式處理器、計(jì)算引擎、存儲(chǔ)器和接口的復(fù)雜 SoC 器件，所有這些都高能效。

 

由于 FPGA 允許工程師更改內(nèi)部電路，以響應(yīng)汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)不斷演進(jìn)的設(shè)計(jì)與性能要求。所以與 ASIC 的設(shè)計(jì)相比，F(xiàn)PGA 解決方案已躋身投產(chǎn)汽車激光雷達(dá)處理應(yīng)用的主流。

 

其中在 FPGA 方案上，賽靈思的產(chǎn)品線更為豐富，包括以下幾種：

 

• FPGA：Spartan-6、Artix-7、Kintex-7；

• SoC：Zynq-7000 系列；

• MPSoC - Zynq UltraScale +  MPSoC；

• RFSoC - Zynq UltraScale +  RFSoC。

 

從賽靈思 FPGA 器件實(shí)現(xiàn)的結(jié)果來看，其具備異構(gòu)單芯片SoC平臺(tái)強(qiáng)大的集成價(jià)值、強(qiáng)大的三維FFT數(shù)據(jù)信號(hào)處理（DSP）性能、靈活的輸入輸出（I/O）配置等優(yōu)勢(shì)，非常適合各類不斷變化發(fā)展的設(shè)計(jì)，完美匹配了眾多雷達(dá)廠商的定制化個(gè)性化需求。

 

低時(shí)延、高處理數(shù)據(jù)量、高適應(yīng)性是主要特點(diǎn)，這樣的特點(diǎn)能夠滿足激光雷達(dá)不同的點(diǎn)云密度和激光線束處理。同時(shí)，還可以做到想軟件升級(jí)一樣更改芯片達(dá)到算法的快速迭代，這對(duì)于需要快速迭代、落地   雷達(dá)產(chǎn)品的廠商至關(guān)重要。

 

根據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，采用賽靈思 FPGA 相關(guān)方案的的激光雷達(dá)產(chǎn)品已經(jīng)在 Pointcloud、Baraja、Innovusion、Blickfeld、禾賽科技、Opsys、OURS、北醒光子、Ouster、Phantom Intelligence、北科天繪、一徑科技、速騰聚創(chuàng)等一大批激光雷達(dá)廠商中應(yīng)用了，市場(chǎng)占比超過了 90% 左右。

 

在 11 月 25 日下午 13:30 ，賽靈思舉辦《Xilinx Adapt技術(shù)大會(huì) – 汽車與自動(dòng)駕駛專場(chǎng)》，該論壇將圍繞 FPGA 如何賦能激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、以及自動(dòng)駕駛域控制器等話題展開。

 

屆時(shí)，賽靈思的技術(shù)專家、一徑科技研發(fā)副總裁、蘇州豪米波公司總工程師以及金脈科技技術(shù)總監(jiān)，會(huì)從技術(shù)角度深度分析相關(guān)技術(shù)的具體應(yīng)用，一起探討汽車行業(yè)的一些熱門話題。

再說回來，在 FPGA 方案的江湖江湖中不止賽靈思一家，還有 Altera（阿爾特拉）、Lattice和 Actel 兩家，但 Lattice和Actel 只能在特殊領(lǐng)域保持一定的份額，還有國產(chǎn)的京微齊力、復(fù)旦微電子、紫光同創(chuàng)、高云半導(dǎo)體等，但賽靈思一直在行業(yè)保持絕對(duì)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

 

根據(jù)資料顯示，截至 9 月賽靈思在汽車電子領(lǐng)域的累計(jì)出貨量已經(jīng)達(dá)到 2.05 億片，而在ADAS 領(lǐng)域的出貨量也已經(jīng)達(dá)到 8000 萬片，僅去年一年，賽靈思在汽車行業(yè)的出貨量就接近 2000 萬片器件。

 

面向汽車市場(chǎng)，賽靈思可以提供從 28 nm 工藝的 FPGA、Zynq SoC，16 nm 的 Zynq UltraScale +  MPSoC 7EV 和 11  EG，以及 7nm 工藝的 Versal ACAP，在芯片制造行業(yè)這是一條又寬又深的護(hù)城河。

 

這帶來的結(jié)果就是，雷達(dá)制造商、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)開發(fā)商不僅可以基于賽靈思 FPGA 器件架構(gòu)快速實(shí)現(xiàn)自己高性能雷達(dá)的落地，最重要的是賽靈思可以保持和行業(yè)一致的迭代速度，這就保證了采用賽靈思方案的客戶可以持續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)力。

寫在最后

自動(dòng)駕駛越深入發(fā)展，對(duì)整個(gè)行業(yè)的配套要求就更高，就像我們上面所說的感知傳感器是實(shí)現(xiàn)高階自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)硬件，而傳感器的性能則直接決定了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

所以高性能感知融合成了目前大部分汽車廠商的選擇，而滿足高性能就需要開發(fā)商解決巨大的工程難點(diǎn)，其中包括：軟件算法、硬件光學(xué)模塊、計(jì)算芯片。

這三者構(gòu)成了激光雷達(dá)核心技術(shù)框架，也是這三者成為了全球從事這個(gè)領(lǐng)域公司的殺手锏，誰能掌握其中一項(xiàng)技術(shù)并保持有力的競(jìng)爭(zhēng)力和領(lǐng)先性，那么大概率它就掌握了「財(cái)富密碼」。

賽靈思就是掌握「芯片」技術(shù)的廠家之一，當(dāng)然，賽靈思不止有芯片技術(shù)，他還能提供包括軟硬件在內(nèi)容系統(tǒng)解決方案，涉及整車傳感器、自動(dòng)駕駛、智能座艙多個(gè)領(lǐng)域。

而 FPGA 方案因?yàn)槠涑錾撵`活性、高吞吐量完美契合現(xiàn)階段自動(dòng)駕駛企業(yè)對(duì)于產(chǎn)品工程落地的需求，因此我相信 FPGA 方案會(huì)迎來階段性市場(chǎng)的間斷性繁榮。