新一代汽车SoC的IP需求
发布时间：2016-4-6 09:59
发布者：designapp
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进驾驶员辅助系统（ADAS）是增长最快速的汽车应用。以安全性为核心的驾驶员辅助系统，支持行人侦测/避让、车道偏离报警/纠正、交通标志识别、全景视图、疲劳监控等，这些应用以及其他多种应用（如图1所示），需要一类新型的半导体系统级芯片（SoC）来满足该系统日益增长的需求。 在消费者利益和政府法规的助推下，为了改善道路安全性，汽车制造商正在要求一级供应商（Tier 1）和半导体产品供应商去开发包含最新多媒体标准、运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。为了实现高性能操作所需的先进协议，ADAS SoC使用了比大多数高端消费性应用都更严格的前沿设计和工艺技术。这类新型ADASSoC的设计人员依靠IP供应商来帮助他们战胜挑战——需要面向特定应用的IP实现，并帮助他们在越来越短的设计和验证、定型周期中，满足汽车应用的鲁棒性、可靠性和安全性需求。  图1 各种先进驾驶员辅助系统（ADAS）应用 ADAS SoC设计准则 从应用和系统的两个角度来看，这类新型的ADASSoC都拥有特定的设计准则，以确保实现高效的SoC设计。为ADAS应用构建SoC的设计人员需要把高性能IP功能和节能IP功能结合在一起，以帮助实现整体系统吞吐量并满足实时服务质量要求（如图2所示）。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，支持多种基于视觉应用的ADAS SoC已经开始向64位处理器迁移。 除了高性能应用处理器外，该SoC还需要一个单独的视觉处理器以实现诸如卷积神经网络（CNN）等的最新视觉算法。一个附加的图形处理器或定制的DSP内核实现高速率像素处理，该功能被连接至HDMI或MIPI D-PHY这种多媒体接口，同时支持越来越大的高清显示。 为了支持提供影像和雷达/激光雷达数据的多个摄像机和雷达传感器，需要一个传感器和控制子系统来为应用处理器分担传感器数据管理负担，从而支持高度的传感器融合。新一代ADASSoC需要高达8GB的汽车级LPDDR4内存，以支持处理器应用软件，并支持多媒体数据流的广泛的系统连接，后者由以太网音视频桥接技术（Ethernet AVB）和时间敏感网络（TSN）提供。 SoC的外设提供额外的接口连接，例如PCI Express总线、SATA接口、UART（通用异步收发传输器）、SPI/QSPI（串行外设接口/排队式串行外设接口）、CAN总线和FlexRay总线等。最后，为了支持基于一块外部Bluetooth Smart、Wi-Fi或4G LTE无线芯片的云连接，ADAS SoC必须包括稳健的、基于硬件的安全协议，以支持安全启动、安全识别与验证、加密以及解密。  图2 基于16/14nm工艺制程的ADASSoC，图中紫色部分为Synopsys的DesignWare IP产品 除了IP的功能是设计人员必须为ADASSoC考虑的以外，汽车行业的一级供应商及半导体SoC的设计人员和架构师还需要考虑延迟、功耗、可靠性，以及工艺相关的设计挑战。低延迟是一条基本准则，以满足实时多媒体服务等级保障。除了低延迟，该SoC在不断引入最新多媒体协议和关键特性的同时，例如行人侦测与校正等特定的ADAS应用所需要的嵌入式视觉处理功能，还需要保持功耗最小化。 对ADASSoC的设计人员而言，另一项关键的挑战是确保汽车原始设备制造商（OEM）所要求的高可靠性和连续操作性，因此芯片需要实现关键错误检查和纠正（ECC）技术以及奇偶校验技术。由于需要高性能和高集成度，设计人员正在将先进的半导体工艺作为目标，如许多设计团队尚不熟悉的16/14nm FinFET工艺节点。对于下一代汽车ADAS应用SoC而言，应对低延迟、低功耗、先进协议、错误检查和纠正等挑战，以及能否提供用于16/14nm FinFET工艺的任务关键型IP都成为关键问题。 支持功能化安全性、可靠性和质量管理的IP 一套产品门类齐全、支持领先晶圆代工厂工艺中最新协议和算法的IP产品组合，为下一代ADAS SoC的开发打下了基础。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供应商必须满足汽车行业供应链的严格要求。尽管高性能消费性应用和移动应用中的SoC包含与ADASSoC相似的功能，但是汽车SoC对于鲁棒性、可靠性和安全性的额外需求，依然对IP供应商提出了更多的要求。 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元件工作组已经在汽车用半导体元器件和消费性元器件之间，确定了66种可能的区别，包括功能化的安全性、可靠性和质量管理等等。工作组的意见书确定了严苛的汽车环境问题对芯片和芯片知识产权（silicon IP）带来的影响，这些汽车环境问题包括更高的电压、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等。工作组总结出了结论：“需要重新评估和重新定义汽车原始设备制造商、一级供应商和元器件供应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中的那些新风险。” 德国电气和电子制造商协会的意见书强调了两项关键的要求。第一，对于诸如行人侦测与校正这类ADAS应用，功能安全性是一项关键的要求。第二，ADAS应用必须满足由汽车行业定义的ISO 26262功能安全性标准。使用已经按照ISO 26262标准获得认证的IP，将帮助SoC设计人员降低产业价值链风险，并加速其SoC级功能安全性的需求规格确定、设计、实现、集成、验证、确认和配置等进程。类似地，为了满足高可靠性要求，汽车SoC必须满足AEC Q100规范，以作为汽车应用生产质量认证的一部分。 通过选择已针对AEC Q100要求进行过测试和鉴定的IP，能够帮助设计人员成功地获得AEC Q100资质认证。通过使用已经进行过先期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的资质认证。最后，通过选择根据ISO/TS 16949质量标准开发IP产品的IP供应商，可有助于确保包括集成于其中的IP在内的汽车SoC的产品规划、设计、开发、验证和确认等流程，可以满足汽车行业供应链所要求的质量等级。诸如Synopsys这样的IP供应商已经迈出了下一步，在已拥有可用于基于视觉的高性能ADAS应用的、门类齐全的IP产品组合基础上，去满足汽车SoC将面临的基于标准的功能安全性、可靠性和质量等方面的要求。 ISO 26262功能安全性标准 从汽车行业的角度来看，2011年发布的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施加于道路车辆。它涉及安全性生命周期中的所有行为，例如安全性相关系统的设计与开发，并包括了被归类到独立安全单元（Safety-Elements-out-of-Context，SEooC）的SoC。ISO 26262标准提供了一种汽车行业特定的方法，以探明汽车安全性完整性等级（Automotive Safety Integrity Levels，ASIL），并制定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、严格开发流程等方法，以及采取包括故障注入、系统性分析和度量报告等在内的必要设计手段，将对随机硬件故障的敏感性降至最低。因为ISO 26262不能专为某一款设备进行更改，所以IP供应商必须创立一套安全文化，包括政策、流程和策略等，以及授权安全性经理参与安全性关键型IP的开发。 一个获得ISO 26262标准认证的IP安全性方案包的交付形式或“工作成果”包括集成在内的硬件安全性特性、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（FMEDA），后者将被SoC设计人员作为其SoC级FMEDA报告的输入，从而加速其SoC的开发。将SoC和IP作为独立安全单元（SEooC）组件而进行的合规认证，由诸如SGS-TUV SAAR等可信任的行业审核认证机构来实施，他们执行产品和流程的检查、评估和审核等工作。 AEC Q100标准提供的可靠性 为了确保最高的可靠性，汽车电子委员会（AEC）的零组件技术分委会制定了AEC Q100标准，以确保零组件都经过认证而可用于严苛的汽车环境中。AEC Q100标准定义了汽车行业供应链所认可的半导体SoC资质认证要求及测试方法与指南。该标准包含一套基于失效机理的压力测试，以及半导体SoC供应商在不同的温度等级上对其SoC进行认证的多项条件。目的是通过在一种加速方式（与标准的汽车使用情况相比）中使故障得以显现，从而来确保高可靠性。 尽管AEC Q100资质认证适用于SoC级的零组件，但IP供应商也可以通过对IP实施AEC Q100测试，来实现设计的资质认证成功可能性最大化。对自己的IP执行AEC Q100测试并提供关键测试标定报告的IP供应商，可以证实其满足汽车行业客户提出的严苛的可靠性要求，这些关键测试可见诸于加速环境压力测试、加速生命周期仿真测试、片芯制造可靠性测试，以及电气验证测试等。只有那些与具有领先工艺的晶圆代工厂、领先的芯片供应商和一级供应商密切合作的IP供应商，才能帮助设计人员为了支持ADAS应用在汽车温度等级和任务子集上对其SoC进行操作。 TS 16949质量管理标准 对于为ADAS SoC设计人员提供IP产品的IP供应商而言，另外一个十分关键的焦点是满足汽车行业的质量要求。TS 16949质量管理标准适用于产品开发流程，它为汽车产品定义了质量度量指标。该标准对开发一种质量管理体系进行了定义，该体系是为了实现持续改进而准备的，它强调汽车行业供应链中的缺陷预防和一致性。TS 16949质量管理标准适用于为客户制造特定的、用于生产的零组件的各个场所。 支持汽车产品设计的设计中心和IP供应商，可以构成SoC设计/制造认证的一部分，但是无法获得独立的TS 16949认证。因为SoC的设计中心可以作为整个TS 16949认证的一部分，所以选择对必需的开发流程、最佳实践和质量规范拥有深刻理解，并保证完成和遵从开发流程的IP供应商，将有助于设计人员满足汽车行业的质量等级。 德国汽车工业协会质量管理中心（VDA-QMC）认定了ISO/TS 16949认证是供应商进入汽车行业的入场券，VDA-QMC经理Heinz-Günter Plegniere表示：“在超越一级/二级供应商，并贯穿整个汽车行业的供应链上，对ISO TS 16949标准的宣传并不完整，因此可发现我们特别需要有所行动。”需要满足TS 16949标准要求的设计人员，可以选择已经将其开发流程进行了升级，且可以为设计人员提供必需的度量指标与证明材料的IP供应商，这些度量指标与证明材料包括质量手册、产品管理流程（PMP）、用于文件和记录控制的程序、控制和文档保存的证明材料，以及支持等级等。 总结 IP供应商在汽车行业供应链中扮演了关键的角色，他们使新一代高性能ADAS SoC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、安全性和先进连接等功能。尽管IP供应商已经在消费性、移动、PC和通信应用等领域，进入了半导体产业生态系统，但并非所有的IP供应商都能够支持严苛的汽车级要求。 随着设计人员启动其下一代ADASSoC项目，他们必须评估IP供应商是否具备提供ISO 26262安全性方案包的能力，该方案包括ISO 26262认证、AEC Q100测试和TS 16949质量管理和认证。勇于承诺并拥有可以满足汽车行业要求的资源的IP供应商，将有助于保证汽车SoC供应商、一级供应商和原始设备制造商的要求被成功满足，利用28nm和16/14nm FinFET等目标工艺技术达到ADASSoC的功能性、性能、质量和可靠性等级。 |
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