隨著智能汽車對(duì)AI/ML提出更高的需求，IC設(shè)計(jì)正在面臨著更大的挑戰(zhàn)。

隨著芯片制造商將更多的智能功能應(yīng)用集成到汽車芯片中，AI/ML在汽車中的作用正在擴(kuò)大，這為加強(qiáng)汽車的安全性能、減少事故率以及搭建更加復(fù)雜的電子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

距離實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛仍遙遙無期，而短期內(nèi)的重點(diǎn)是確保駕駛者可以意識(shí)到周圍的行人、物體或其他可能導(dǎo)致事故的車輛等情況，并確保他們可以集中注意力。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計(jì)，每年約有130萬人死于交通事故，其中2020年，僅在美國就有3.8萬多人因此喪命。根據(jù)美國國家公路運(yùn)輸安全管理局（NHTSA）的數(shù)據(jù)，盡管疫情初期駕車出行的人減少了，但事故率比前一年仍增加了7.2%。

社會(huì)對(duì)安全問題的關(guān)注也讓人們對(duì)智能技術(shù)提出更高的需求?！拔覀兛吹皆絹碓蕉嗟闹悄芄δ鼙患傻?a target="_blank">芯片中，” Synopsys汽車集團(tuán)汽車IP和子系統(tǒng)部門經(jīng)理Ron DiGiuseppe表示，“現(xiàn)在SoC的功能有很多，包括ADAS、語音識(shí)別、內(nèi)外部監(jiān)控等，很快他們也將為電動(dòng)汽車進(jìn)行電池管理和預(yù)防性維護(hù)。機(jī)艙內(nèi)監(jiān)控的目的是減少交通事故，交通事故的主要原因之一就是駕駛員分心或困倦。通過監(jiān)控和檢測駕駛員行為，AI SoC將提供反饋和警報(bào)。當(dāng)傳感器檢測到駕駛員點(diǎn)頭或閉眼時(shí)，算法就會(huì)判斷駕駛員不適合繼續(xù)駕駛，并建議尋找一個(gè)安全的地方休息。此外，當(dāng)方向盤傳感器沒有感知到足夠的壓力時(shí)，算法會(huì)提醒駕駛員將手放回方向盤上?！?/p>

智能技術(shù)將汽車設(shè)計(jì)推向經(jīng)驗(yàn)更少的科技前沿。?“許多知名汽車廠商都有自己的晶圓廠，因此他們對(duì)自己的技術(shù)相當(dāng)有信心?！?西門子EDA汽車IC測試解決方案經(jīng)理Lee Harrison表示，“然而在過去三到五年情況發(fā)生了巨大變化，汽車芯片通常在120納米，而手機(jī)芯片則在推進(jìn)14納米和7納米工藝?，F(xiàn)在，汽車行業(yè)正在挑戰(zhàn)芯片制程的極限，而這是由所有這些汽車設(shè)備所要求更高端的功能所驅(qū)動(dòng)的，比如現(xiàn)在他們都在追逐7納米和5納米的制程?！?/p>

在過去幾年里，高端汽車集成了更多的AI功能，隨著科技的進(jìn)步，所需要的芯片也越來越復(fù)雜。AI系統(tǒng)通常在最先進(jìn)的流程節(jié)點(diǎn)上開發(fā)，因?yàn)樗鼈冃枰嗟挠?jì)算元素來實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，這反過來又帶來了一些更為艱巨的挑戰(zhàn)。

“人工智能在汽車上的潛力是巨大的，我們才剛剛開始挖掘它的可能性，” Arm 汽車和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)線GTM副總裁Dennis Laudick表示，“但在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過程中，人工智能對(duì)計(jì)算的需求是無法滿足的。?汽車行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是如何在消費(fèi)類汽車的硬件成本最低以及效率更高的基礎(chǔ)下，實(shí)現(xiàn) AI 的最大優(yōu)勢?！?/p>

“可靠的汽車技術(shù)和傳感器的進(jìn)步，包括外部雷達(dá)、攝像頭和傳感器融合，有助于推動(dòng)ADAS、車輛連接和移動(dòng)服務(wù)的發(fā)展，”英飛凌科技汽車自動(dòng)化和底盤高級(jí)總監(jiān)Bill Stewart表示，“這包括提供警告以防止碰撞的外部輔助系統(tǒng)。近年來，車內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的增加進(jìn)一步提高了駕駛安全。”

圖1:包括攝像機(jī)、雷達(dá)和近紅外在內(nèi)的ICMS技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛。來源:英飛凌

ICMS使用監(jiān)視、監(jiān)控和警報(bào)來提高汽車的安全性。它由駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)、乘員監(jiān)控系統(tǒng)(OMS)和其他物體檢測技術(shù)組成，以確定是否有兒童、動(dòng)物或諸如手機(jī)和鑰匙等物品留在駕駛室內(nèi)。雖然DMS面市已經(jīng)有一段時(shí)間了，但OMS還是相對(duì)較新的。

“DMS的傳感器只關(guān)注駕駛員，而OMS的一個(gè)或多個(gè)傳感器則在監(jiān)控車內(nèi)的所有乘客?！?Cadence公司Tensilica Vision和AI dsp產(chǎn)品管理和營銷總監(jiān)Amol Borkar表示，“這開辟了一系列用例和應(yīng)用程序，通過結(jié)合攝像頭、麥克風(fēng)、溫度和其他傳感器，可以實(shí)現(xiàn)智能安全氣囊部署等功能。根據(jù)事故中的碰撞點(diǎn)，并通過使用 AI 網(wǎng)絡(luò)分析乘員的座位位置，可以最有效地部署安全氣囊并減少受傷的幾率。另一項(xiàng)安全措施可能是使用AI網(wǎng)絡(luò)來檢測兒童或?qū)櫸锸欠癖灰馔饬粼诒绘i定的車輛中，如果檢測到，可能會(huì)警告駕駛員，并發(fā)出警報(bào)。DMS和OMS結(jié)合在一起，可以通過檢測車內(nèi)的活動(dòng)水平判斷駕駛員是否分心?！?/p>

駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜程度各不相同，例如，為了監(jiān)測駕駛員的注意力分散、疲勞和情緒狀態(tài)，算法可以檢測一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，如呼吸活動(dòng)、面部表情、瞳孔擴(kuò)張、眨眼模式，甚至心率活動(dòng)。一些廠商已經(jīng)開始將DMS和健康監(jiān)測相結(jié)合，通過跟蹤生命體征來確定駕駛員的健康狀況是否良好。例如在幾年后可以實(shí)現(xiàn)如果駕駛員心臟病發(fā)作，ADAS就可以接管并安全地把車輛開到路邊。目前，DMS主要檢測駕駛員的嗜睡、注意力分散，甚至駕駛時(shí)暈倒等突發(fā)疾病；OMS用于監(jiān)控車內(nèi)人員，以檢測他們是否系安全帶，在某些情況下，允許他們與OMS進(jìn)行交互。

車?yán)锇l(fā)生了什么？

用于車內(nèi)傳感的技術(shù)包括攝像機(jī)、近紅外(NIR)、傳感器、雷達(dá)和超聲波。近紅外技術(shù)是目前許多廠商使用的領(lǐng)先技術(shù)，包括奧迪、寶馬、通用、福特、梅賽德斯-奔馳、日產(chǎn)、現(xiàn)代和馬自達(dá)。特斯拉主要使用雷達(dá)，而豐田則結(jié)合使用雷達(dá)和相機(jī)。這些技術(shù)可以執(zhí)行眼睛/凝視跟蹤、手部運(yùn)動(dòng)/位置檢測、面部識(shí)別、乘員/兒童在場以及轉(zhuǎn)向手壓力感知。

近紅外光譜

近紅外使用LED，光源范圍從850到1050納米。汽車行業(yè)傾向于使用940納米左右的光源，它超出視覺光譜對(duì)人眼沒有危害，并且不受陽光的影響。二極管發(fā)出的光從目標(biāo)物體反射回LED收發(fā)器，通過計(jì)算飛行時(shí)間(ToF)來確定物體的距離，在收到數(shù)千束光束后，將生成像素格式的最終3D圖像。這些3D圖像模擬了機(jī)艙內(nèi)的人，例如，如果駕駛員突然昏倒，近紅外傳感器將能夠檢測到駕駛員沒有坐直，然后算法會(huì)將其判定為緊急情況。

開發(fā)人員不斷為近紅外技術(shù)添加新功能。例如，Radiant Vision Systems的近紅外攝像機(jī)提供兩個(gè)同步輸出，以提高精度；Radiant Vision Systems的近紅外強(qiáng)度透鏡系統(tǒng)在850或940納米下工作，每個(gè)圖像傳感器像素0.05度。為確保眼睛安全，近紅外設(shè)備必須符合所有光源（包括近紅外）的IEC 62471和IEC 60825-1標(biāo)準(zhǔn)。

芯片方面也有新的發(fā)展。例如，ASIC現(xiàn)在可以同步用于DMS和OMS應(yīng)用程序。OMNIVISION將集成了RGB紅外圖像信號(hào)處理(ISP)的ASIC與兩個(gè)AI神經(jīng)處理單元(npu)和嵌入式DDR3內(nèi)存(2gb)封裝在一起。結(jié)合 Smart Eye 的 AI 算法，OMNIVISION 的 GS 傳感器支持940納米和2.2 微米小像素，符合通用安全法規(guī)(GSR)和歐洲新車評(píng)估計(jì)劃(NCAP)。

Melexis的一款單芯片連續(xù)波飛行時(shí)間(cwToF)傳感器現(xiàn)在支持850納米和940納米波長，MIPI CSI-2串行接口連接到主機(jī)ECU。

雷達(dá)

在ADAS應(yīng)用中，不同于依靠光來探測目標(biāo)物體的視覺相機(jī)和激光雷達(dá)可能會(huì)被非目標(biāo)物體(如冰雹)阻擋，雷達(dá)具有提供高分辨率而不受天氣條件(如雨)影響的優(yōu)勢。英飛凌、Vayyar、Gentex、ams OSRAM和Veoneer等多家公司都有這個(gè)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)。

與ICMS類似，汽車60GHz雷達(dá)傳感器(4GHz帶寬)可以有效地提供高分辨率的近距離傳感，其中一些應(yīng)用程序包括檢測車內(nèi)兒童或?qū)櫸锏拇嬖?。除了監(jiān)控安全帶的使用，它還可以跟蹤車內(nèi)人員的生物特征和生命體征。雷達(dá)也可用于外部傳感器，如果車輛配備了自動(dòng)停車功能，這些傳感器可以檢測到行人、動(dòng)物或附近物體的存在，并應(yīng)用緊急制動(dòng)以避免碰撞。

安全問題

雖然更多的電子設(shè)備可以大大提高車輛行駛過程中的安全性，但它也為更多的網(wǎng)絡(luò)攻擊打開了大門，攻擊率顯著增加。有報(bào)道稱，曾有救護(hù)車的車輛控制系統(tǒng)被黑客攻擊，被控制送往錯(cuò)誤的地點(diǎn)。

“安全和隱私不僅對(duì)智能汽車的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，而且對(duì)任何使用任何計(jì)算系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)備都至關(guān)重要?！?Arm的Laudick表示，“這是我們投入大量精力關(guān)注并不斷發(fā)展的領(lǐng)域，未來也會(huì)是我們發(fā)展的重點(diǎn)。”

汽車智能的集中化和高性能SoC取代電子控制單元也為黑客提供了控制整車的單一目標(biāo)。隨著5G、V2X和智能基礎(chǔ)設(shè)施連接的增長，攻擊面將會(huì)擴(kuò)大，訪問中央SoC的可能性將增加。車輛連接數(shù)量的增加也使設(shè)計(jì)效率和低延遲成為保障數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵因素。

“AI推理任務(wù)需要另一層的保護(hù)?！?Rambus產(chǎn)品營銷高級(jí)總監(jiān)巴特?史蒂文斯(Bart Stevens)表示，“AI邊緣處理必須安全地管理其AI模型，因?yàn)樗鼈兇碇邇r(jià)值。汽車也在通過監(jiān)測駕駛員的狀態(tài)來檢測乘客(和駕駛員)的安全方面變得越來越智能。但監(jiān)視期間收集的數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致隱私問題，因此需要保護(hù)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的隱私。當(dāng)車對(duì)車或車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施(即車對(duì)一切)成為主流時(shí)，需要高效且標(biāo)準(zhǔn)化的低延遲安全協(xié)議來處理V2X通信會(huì)話。在任何給定的時(shí)間，車輛可能需要安全地設(shè)置和拆除與周圍車輛和周圍基礎(chǔ)設(shè)施(如道路探測器、燈柱等)之間的數(shù)百個(gè)這樣的會(huì)話，這就要求系統(tǒng)能夠處理高性能、低延遲的安全協(xié)議。

它們還需要可追溯。?“AI的開發(fā)和集成到汽車SoC中是一個(gè)復(fù)雜的過程?！?Arteris IP高級(jí)技術(shù)營銷經(jīng)理Paul Graykowski表示，“除了實(shí)現(xiàn)功耗、性能和面積(PPA)目標(biāo)外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還必須平衡架構(gòu)規(guī)范和物理約束之間的設(shè)計(jì)權(quán)衡，同時(shí)還需要保障功能安全和內(nèi)部安全。為了確保符合ISO 26262，必須保持設(shè)計(jì)工件的需求可追蹤性，以及對(duì)上述需求的經(jīng)過驗(yàn)證和確認(rèn)?！?/p>

為了防止這類攻擊，汽車電子的芯片設(shè)計(jì)必須從頭開始考慮安全性，ECU需要有內(nèi)置的安全性，SoC也應(yīng)該包含安全構(gòu)建塊或安全I(xiàn)P。此外，還需要進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)模擬、驗(yàn)證和測試。

2022年9月，NHTSA更新并發(fā)布了《現(xiàn)代車輛安全網(wǎng)絡(luò)安全最佳實(shí)踐》。新發(fā)布的版本是協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)研究、自愿性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及從多年來機(jī)動(dòng)車網(wǎng)絡(luò)安全研究中收集的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的產(chǎn)物。雖然不具有約束力，但它提供了一系列行業(yè)的學(xué)習(xí)成果和最佳實(shí)踐。

其它挑戰(zhàn)

為ICMS選擇合適的技術(shù)，有效地平衡性能、功率和成本，仍然是汽車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

英飛凌的Stewart指出了其他設(shè)計(jì)考慮。?“ICMS架構(gòu)可能包括具有中央處理單元或多個(gè)MCU和獨(dú)立傳感器的獨(dú)立系統(tǒng)?！彼f，“在為DMS設(shè)計(jì)2D和3D相機(jī)以滿足Euro NCAP 2025的要求時(shí)，OEM將需要考慮便利性和安全性的功能。其中一些功能可能包括防止駕駛員分心，在允許調(diào)整座椅位置的情況下確保安全，或在緊急情況下解鎖汽車。此外，對(duì)于OMS設(shè)計(jì)，60GHz雷達(dá)傳感器可用于開啟座椅加熱、安全帶報(bào)警檢測或智能安全氣囊部署。其潛在的救生功能更為重要，如兒童存在檢測、對(duì)車輛后部乘客遺忘的寵物或物體的警報(bào)，以及監(jiān)控乘客健康狀況的乘客狀態(tài)監(jiān)測，都將非常有用?！?/p>

結(jié)論

智能車內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)使車輛能夠避免各類交通事故。目前，近紅外技術(shù)是ICMS使用的領(lǐng)先技術(shù)，其次是雷達(dá)和視覺相機(jī)。通用安全條例?(GSR) 和歐洲新車評(píng)估計(jì)劃 (NCAP) 等，監(jiān)管機(jī)構(gòu)越來越多地要求汽車制造商通過使用包括 ICMS 在內(nèi)的技術(shù)來提高安全性。未來的立法可能將建議汽車制造商在車內(nèi)安裝兒童存在檢測(CPD)、后排乘員報(bào)警(ROA)和乘員狀態(tài)監(jiān)測(OSM)等功能，這將進(jìn)一步推動(dòng)汽車設(shè)計(jì)對(duì)ICMS的需求，并提高車輛的安全性。

但這一切都是有代價(jià)的，隨著越來越多的系統(tǒng)相互連接和集中管理，對(duì)于控制成本，減少這些系統(tǒng)使用的電量以及確保一切安全將是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

編輯：黃飛

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