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ADAS SoC设计准则,支持大量第三方IP

ADAS是成长最快速的汽车应用。市场研究机构Gartner的报告估计,此市场规模将从2014年的56亿美元成长至2018年的102亿美元,在2013~2018年之间实现17.1%的年复合成长率(CAGR);ADAS相关半导体产品的消耗量同时间则将从13.8亿美元成长至24亿美元,其间年复合成长
率将达到15.5%。

以安全性为核心的驾驶辅助系统,支持行人侦测/避让、车道偏离警报/纠正、交通标志识别、全景影像、疲劳监控等,这些应用以及其他多种应用(如图1所示),需要一种全新类别的系统单芯片(SoC)来满足该系统日益成长的需求。

在消费者利益和政府法规的推助下,为了改善道路安全性,汽车制造商正在要求一级零组件供货商(Tier 1)和半导体产品供货商去开发包含最新多媒体标准、执行多种基于视觉的算法,且结合影像和雷达系统传感器数据的SoC。

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图1 各种ADAS应用。

为了实现高性能运作所需的先进通讯协议,ADAS SoC使用了比大多数高阶消费性应用更严格的尖端设计和工艺技术;这类组件的设计者仰赖IP供货商协助他们克服实现特定应用IP需求的挑战,在越来越短的设计、成形周期中满足汽车应用对强韧度、可靠性和安全性的需求。

ADAS SoC设计准则

从应用和系统的两个角度来看,这类新型ADAS SoC都拥有特定的设计准则,以确保高效率的SoC设计实作;为ADAS应用构建SoC的设计人员需要结合高性能与省电的IP功能,以协助实现整体系统吞吐量,并满足实时性的服务质量要求(如图2)。

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图2 采用16/14奈米工艺的ADASSoC,图中紫色部分为Synopsys的Design WareIP产品。

这类应用处理器的性能要求至少是32位、1GHz以上频率运行的处理器;实际上,支持多种基于视觉之应用的ADAS SoC已经开始转向64位。除了高性能应用处理器,这类SoC还需要一个独立的视觉处理器,实现诸如卷积神经网络(ConvolutionalNeural Networks,CNN)等的最新视觉算法。

此外一个附加的绘图处理器或客制化数字信号处理器(DSP)核心负责高速率像素处理,与高画质多媒体接口(HDMI)或行动产业处理器接口(MIPI)D-PHY等多媒体接口链接,同时支持尺寸越来越大的高画质显示器。为了支持提供影像和雷达/光达(lidar)数据的多个摄影机和雷达传感器,还需要一个传感器和控制子系统来为应用处理器(Application Processor)分担传感器数据管理任务,以实现高等级的传感器融合。

新一代ADAS SoC需要高达8GB的车规LP DDR4内存,以支持处理器应用软件,与以太网络音频桥接技术(Ethernet AVB)与时效性网络(Time SensitiveNetworking,TSN)所提供、支持多媒体数据流量的广泛系统链接。SoC外围则提供额外的PCI Express、SATA、通用异步收发器(UART)、SPI/QSPI、CAN与FlexRay等界面。

最后,为了支持由外部Bluetooth Smart、Wi-Fi或4G LTE无线芯片实现的云端链接,ADAS SoC必须内含坚固的、以硬件为基础的安全通讯协议,以支持安全开机(boot)、安全识别与身分验证、加密以及解密。

除了IP功能是ADAS SoC设计工程师必须考虑的元素,汽车产业的一级零组件供货商及半导体SoC设计人员、架构师还需要考虑延迟、功耗、可靠性以及与工艺相关的设计挑战。

低延迟是因应实时多媒体服务等级保证的基本原则;除了低延迟,这类SoC在不断采用最新多媒体协议和关键特性─例如行人侦测与校正等特定ADAS应用所需的嵌入式视觉处理功能─的同时,还需要保持最低功耗。对ADAS SoC设计人员而言,另一项关键挑战是确保车厂所要求的高可靠性和连续运作,因此芯片需要实现关键错误检查和纠正(ECC)与同等技术。

由于需要高性能和高整合度,设计人员锁定先进半导体工艺,例如许多设计团队尚不熟悉的16/14奈米鳍式场效晶体管(FinFET)工艺节点。对于下一代汽车ADAS应用SoC而言,因应低延迟、低功耗、先进通讯协议、ECC等SoC挑战,以及16/14奈米FinFET工艺任务关键型IP的可取得性等都是关键议题。
支持功能安全性、可靠度和质量管理的IP

领导级晶圆代工厂工艺可提供种类广泛、支持最新协议和算法的IP产品组合,为新一代ADAS SoC的开发奠定基础。除了提供ADAS应用所需要的先进特性、小面积、高性能和低功耗外,IP供货商必须满足汽车产业供应链的严格要求。

尽管高效能消费性应用和行动应用中的SoC包含与ADAS SoC相似的功能,但是汽车SoC对于强韧度、可靠性和安全性的额外需求,依然为IP供货商带来更高要求。

例如,德国电气和电子制造商协会(ZVEI)的汽车应用消费性电子组件工作小组,已经在车用半导体组件和消费性组件之间,定义出66种可能的区隔性,包括功能安全性、可靠性和质量管理等。该工作小组的意见书确定了严苛汽车环境问题对芯片和硅智财带来的影响,包括更高的电压、更高的静电放电(ESD)电压、更高的温度、误差校正,以及更高的测试覆盖目标等。

工作小组的结论是:「需要重新评估和重新定义汽车原厂、一级零组件供货商和组件供货商在开发阶段进行的合作,以辨别出并降低产业价值链上各环节出现的新风险。」

ZVEI的意见书还强调了两项关键要求:第一,对于诸如行人侦测与校正等ADAS应用,功能安全性是一项关键要素;第二,ADAS应用必须满足由汽车产业定义的ISO 26262功能安全性标准,使用已经获得ISO 26262认证的IP,将帮助SoC设计工程师降低产业价值链风险,并加速其SoC层级功能安全性的规格需求、设计、实作、整合、验证、确认和配置。

类似地,为了满足高可靠性要求,车用SoC还必须符合汽车应用生产质量认证的AEC Q100规范;通过选择已通过AEC Q100测试与认证的IP,能够帮助工程师确保其设计符合AEC Q100要求。通过采用已经预先通过AEC Q100压力测试的半导体IP,设计人员可以降低风险并加速其SoC的质量认证。

最后,通过选择依循ISO/TS 16949质量标准开发IP产品的供货商,可有助于确保包括整合于其中的IP在内的车用SoC产品规划、设计、开发、验证和确认等流程,满足汽车产业供应链所要求的质量水平。像是Synopsys这样能针对高性能、基于视觉ADAS应用提供种类广泛IP产品组合的供货商,已经朝向满足车用SoC对标准化功能安全性、可靠性和质量等方面的要求迈出了下一步。

ISO 26262功能安全性标准

从汽车产业的角度来看,2011年公布的ISO 26262功能安全性标准是相对最新的标准;该标准将电气和/或电子系统中的功能安全性纳入了路上的车辆,涉及安全性生命周期中的所有活动,例如安全性相关系统的设计与开发,还有被归类为独立安全单元(Safety-Elements-out-of-Context,SEooC)的SoC。

ISO 26262标准提供了一种汽车专属的方法,以判定汽车安全完整性等级(Automotive Safety Integrity Levels,ASIL),并采取了多项措施来验证和确认所达到的安全等级。其目的是通过定义功能需求、采用严谨开发流程,以及利用包括故障注入(fault injection)、系统性分析和量测报告等在内的必要设计手段,将随机硬件故障可疑性降到最低。

而因为ISO 26262不能专为某一款设备进行更改,所以IP供货商必须建立一套包含原则、流程、策略在内的安全性文化,并授权专门管理人员参与安全关键IP的开发。

通过ISO 26262认证的IP安全套装(SafetyPackage)产品,包括整合的硬件安全性功能、验证计划、安全性计划、验证报告、安全性手册,以及失效模式效应和诊断分析 (Failure Mode Effect and Diagnostic Analysis,FMEDA)──能让SoC设计人员用以输入SoC等级FMEDA报告,从而加速其SoC的开发。

将SoC和IP视为SEooC组件而进行的标准认证,是由SGS-T V SAAR等受产业界认可、从事产品与工艺审查、评估与核准的第三方产业认证机构来执行。
AEC Q100标准提供的可靠性

为了确保最高的可靠性,由汽车产业共同成立的汽车电子委员会(AEC)其下之零组件技术小组(Component TechnicalCommittee)制定了AEC Q100标准,以确保零组件质量能应用于严苛的汽车环境。AEC Q100标准定义了汽车产业供应链所认可的半导体SoC质量认证要求及测试方法指南。

AEC Q100标准包含一套基于故障机制(failuremechanism)的压力测试,以及半导体供货商在不同的温度等级上对其SoC进行认证的多项条件,目的是通过一种经过加速的(与标准汽车使用情况相比)方法引发故障,从而确保高可靠性。

尽管AEC Q100质量认证适用SoC等级的零组件,但IP供货商也可以通过对IP实施AECQ100测试,最大化其设计质量成功通过认证的可能性。对自己的IP执行AEC Q100测试并提供关键测试──例如加速环境压力测试、加速生命周期仿真测试、芯片制造可靠性测试,以及电气验证测试等──报告的IP供货商,证明他们可以满足汽车产业客户提出的严苛可靠性要求。

而只有那些与领导级晶圆代工厂、半导体供货商和一级零组件供货商密切合作的IP供货商,才能帮助设计人员让他们开发的SoC能支持ADAS应用的车规温度与任务内容。

ISO/TS 16949质量管理标准

对于为ADAS SoC设计人员提供IP产品的IP供货商而言,另外一个十分关键焦点是满足汽车产业的质量要求。ISO/TS 16949质量管理标准适用于产品开发流程,为汽车产品定义了质量度量指针;该标准定义了一个实现持续改善的质量管理系统开发,强调汽车产业供应链中的缺陷预防和一致性。

ISO/TS 16949质量管理标准适用生产客制化零组件的各种场所。支持汽车产品设计的设计中心和IP供货商,可以构成SoC设计/制造认证的一部分,但是无法获得独立的ISO/TS 16949认证。但因为SoC设计中心是整体ISO/TS 16949认证的一部分,所以选择对必备开发流程、最佳实践和质量规范拥有深刻理解并保证能完成和遵循开发流程的IP供货商,将可帮助设计工程师满足车用等级需求。

德国汽车工业协会质量管理中心(VDA-QMC)判定,ISO/TS 16949认证是供货商进入汽车产业的入场券,VDA-QMC经理Heinz-Gunter Plegniere表示:「在超越一级/二级零组件供货商,并贯穿整个汽车产业的供应链上,对ISO/TS 16949标准的宣传并不完整,可见得我们需要有所行动。」

需要满足ISO/TS 16949标准要求的设计人员,可以选择已经将其开发流程升级、且能为设计人员提供必备度量指标与证明材料的IP供货商,这些度量指针与证明材料包括质量手册、产品管理流程(ProductManagement Process,PMP)、用于归档和记录控制的程序、控制和档案保存的证明材料,以及支持等级等。
总结

IP供货商在汽车产业供应链中扮演了关键的角色,他们使新一代高性能ADASSoC得以实现。基于视觉的SoC可以包含大量的第三方IP,以实现关键的嵌入式视觉、传感器融合、多媒体、安全性和先进链接等功能。尽管IP供货商已经在消费性、行动、PC和通讯应用等领域进入了半导体产业生态系统,但并非所有的IP供货商都能够支持严苛的车用等级要求。

随着设计人员启动其下一代ADAS SoC项目,他们必须评估IP供货商是否具备提供ISO 26262安全性方案包的能力,该方案包括ISO 26262认证、AECQ 100测试和ISO/TS 16949质量管理和认证。勇于承诺并拥有可以满足汽车产业要求的资源的IP供货商,将有助于保证汽车SoC供货商、一级汽车零组件供货商和汽车原厂商的要求被成功满足,利用28奈米和16/14奈米FinFET等目标工艺技术达到ADAS SoC的功能性、性能、质量和可靠性等级。

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国民猫叔,萌

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