自动驾驶时代的计算平台

面向自动驾驶时代汽车电子的计算平台

摘要

本文针对未来汽车电子系统概念/设计对计算技术或计算平台的需求，探讨了适用于自动驾驶时代应用的处理特性。由于我们无法完全预测未来功能或应用的发展趋势，因此为这一时代构建灵活且可扩展的计算平台至关重要。
该平台还应合理覆盖处理特性，特别是从并行性的角度来 看，因为它将显著影响汽车电子系统效率和质量。本文将 重点讨论在不久的将来需要提升的汽车电子特有的处理特 性。

关键词 ：汽车电子，自动驾驶，并行处理，处理特性，处理性能，灵活性，可扩展性，软件质量

引言

长期以来，传统汽车电子通过使用越来越多的计算能力来提高控制精度或质量。在这些世代中，主要应用是实现更复杂的序列或组合逻辑，而这些逻辑难以通过机械方式实现。如今，这种情况已经改变。例如，高级驾驶辅助系统（ADAS）需要对传感器数据处理进行非常高密度的计算或处理，如用于图像识别的计算机视觉技术。这些应用与传统的应用略有不同，需要更多的并行化处理以满足系统的延迟要求。

如今，车辆的自动化水平处于美国汽车工程师学会1级或2级，系统的主要任务是准确获取重要信息，例如检测物体，并执行基于固定规则的驾驶行为的部分操作，这意味着系统中高算力需求部分主要是传感器处理。如图1所示的感知与识别。但现在，许多公司已宣布将在不久的将来支持3级或更高级别，在这一代系统中，主要工作负载和高算力需求部分将略微转向后端，即人类模型中的大脑部分，如判断、决策或规划。

未来自动驾驶系统

在3级或更高级别的自动驾驶时代，提升系统（或车辆）价值或服务质量意味着降低人类接管的可能性，同时实现更舒适的驾驶。由经验丰富的驾驶员实现的舒适驾驶源于场景假设，并从多种假设中选择近乎最佳的一个，这与图2下半部分所示当今的高级驾驶辅助系统或车辆自动化系统的感知‐识别‐响应型系统大不相同。

由于舒适驾驶或安全感在某种程度上强烈依赖于人类对驾驶方式的预期，自动驾驶系统需要模拟人类的思维或行为，而这通常难以在当今的计算机或处理器上高效实现。即使在非人类相关部分，也需要进行类似处理以实现更高的安全性，特别是针对无法检测的物体影响安全驾驶的情况。

SAE 级别	描述
0级	驾驶员完成所有操作。
1级	车辆上的自动化系统可以有时协助人类。驾驶员执行驾驶任务的某些部分。
2级	车辆上的自动化系统可以实际上执行部分驾驶任务，同时人类继续监控驾驶环境并执行其余部分驾驶任务。
3级	一个自动化系统既可以实际执行驾驶任务的部分操作，监控驾驶环境，实例，但人类驾驶员必须随时准备在自动驾驶系统自动运行时，能够随时重新接管控制权系统请求。
4级	自动化系统可以进行驾驶执行任务并监控驾驶环境，且人类无需重新接管控制，但自动化系统只能在特定环境和某些条件下运行。
5级	自动化系统能够完成所有驾驶任务，在人类驾驶员能够执行这些任务的所有条件下的情况下。

表1 国际汽车工程师学会 - 自动化级别的定义

计算需求

为了满足未来系统在处理特性方面的需求，最简单或最有效的方法是开发仅能处理系统中所用算法的专用硬连线逻辑。然而，几乎不可能准确预测未来系统、算法应用或实现级别，除非有极少数例外情况。因此，我们需要一个灵活且可扩展的计算平台，以覆盖广泛的需求范围。

从处理特性的角度来看，我们认为对性能或效率最关键的部分是具有不对称和/或动态并行流图的并行数据或执行流，如图4所示。

质量和性能

由于车辆是真正的安全关键系统，软件质量非常重要。这导致了包括编程模型在内的软件开发策略存在差异。在质量和性能之间的权衡关系中，相较于其他领域，应更侧重于质量方面。因此，不应采用会增加质量风险的编程模型，例如复杂程序、困难的优化工作等。另一方面，当前异构计算对于提高效率是必需的，但它使得验证实现代码变得困难，因为代码不仅在功能或算法上分离，还在处理单元上分离。

我们认为，标准化异构计算平台并明确定义软件与统一硬件接口之间的层次和/或边界（如图5所示）非常重要。同时，还应定义验证上层硬件接口与实际（低级）硬件实现之间一致性的方法。

结论

未来的自动驾驶系统将需要具备新的独特处理特性，以实现更舒适的驾驶体验。为了满足这些需求，灵活性和可扩展性也非常重要，因为几乎无法准确预测系统的详细实现或系统标准。为了在保持当前车辆系统质量的同时实现这一目标，对异构计算平台进行标准化至关重要，包括专用工具和方法论，以加速新处理器技术或架构的发展，从而更高效地支持未来系统的需求。