導(dǎo)  讀

談及無人車硬件，通常大家直接看到的是安裝在車身周邊的傳感器，特別是曾經(jīng)Velodyne 64 “全家桶”一度是L4無人駕駛開發(fā)車的標(biāo)識(shí)。雖然無人駕駛車載計(jì)算平臺(tái)藏于車身內(nèi)，各家L4無人駕駛方案也很少公開提及，但它擔(dān)任了幾乎全部的數(shù)據(jù)處理和算法執(zhí)行任務(wù)，同時(shí)也是整體PonyAlpha X硬件系統(tǒng)的中央計(jì)算單元，我們有著一些獨(dú)特的思考。

1  軟硬件共同優(yōu)化

目前計(jì)算硬件行業(yè)內(nèi)通常用TOPS來衡量計(jì)算能力，但有一種趨勢認(rèn)為越高的TOPS越能滿足L4計(jì)算的需要，甚至有一些方案聲稱達(dá)到某個(gè)TOPS數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)L4自動(dòng)駕駛。我們認(rèn)為，TOPS更像是計(jì)算硬件提供商對(duì)于L4計(jì)算需求的強(qiáng)行歸納，但實(shí)際上L4的整體系統(tǒng)能力，絕不僅僅是TOPS，而更多的是針對(duì)不同傳感器和算法對(duì)于時(shí)延、數(shù)據(jù)吞吐量、計(jì)算效率(perf/watt)、計(jì)算確定性、準(zhǔn)確度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等等的整體軟硬件共同優(yōu)化。


圖1：L4車載計(jì)算平臺(tái)需要考慮的多種因素

PonyAlpha X系統(tǒng)開發(fā)中，Pony.ai軟件和硬件團(tuán)隊(duì)共同合作，通過高度定制的異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)，打造了充分滿足Pony.ai應(yīng)用軟件需求并同時(shí)兼顧高性能、高效率和高可靠性的L4無人駕駛中央車載計(jì)算平臺(tái)。


圖2：Pony.AI 中央車載計(jì)算平臺(tái)外觀圖

2  定制的異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)

雖然性能強(qiáng)大的CPU和GPU仍是L4無人駕駛計(jì)算的主要處理器，但通過特定的異構(gòu)系統(tǒng)，可以大幅降低時(shí)延，提高性能、安全性和計(jì)算效率。

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和計(jì)算分流

計(jì)算平臺(tái)通過引入FPGA，將海量高吞吐的不規(guī)則的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提供時(shí)間同步、標(biāo)定校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)壓縮、校驗(yàn)和重打包等功能，使得整體傳感器數(shù)據(jù)流時(shí)延提升6倍，CPU/GPU占用率降低20%。同時(shí)FPGA提供了硬件抽象層的作用，使得傳感器的升級(jí)更新不影響整體系統(tǒng)功能。

2.2 安全島

安全性一直是高性能無人駕駛硬件的關(guān)鍵，通過引入車規(guī)級(jí)別MCU作為安全島，全面監(jiān)控計(jì)算平臺(tái)健康狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行故障檢測并輸出錯(cuò)誤碼，以此觸發(fā)失效安全系統(tǒng)。

2.3 通信開銷

異構(gòu)計(jì)算通常會(huì)面臨芯片間通信的額外代價(jià)，計(jì)算平臺(tái)通過使用業(yè)界最先進(jìn)的IO通信協(xié)議，芯片間數(shù)據(jù)交換帶寬提升了三倍，使得多芯片并行計(jì)算成為可能。

2.4 計(jì)算效率

異構(gòu)計(jì)算的魅力在于，通過合理安排不同的計(jì)算任務(wù)到最適合的計(jì)算芯片，整體系統(tǒng)的計(jì)算效率得以大幅提升。計(jì)算平臺(tái)經(jīng)過軟硬件優(yōu)化，最終平均功耗僅為同等數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的1/3，節(jié)省了能源的同時(shí)散熱壓力和可靠性也大幅改善。

3  性能和可靠性的平衡

在汽車電子產(chǎn)品中，更高的性能和更大的功耗通常會(huì)使可靠性下降。Pony.ai 中央車載計(jì)算平臺(tái)的工程魅力就在于尋找性能和可靠性的平衡。

3.1 高性能

為了實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的開發(fā)解耦，計(jì)算平臺(tái)對(duì)于性能的設(shè)計(jì)理念是不光滿足現(xiàn)有開發(fā)需求，還要超前設(shè)計(jì)以支持未來3年的L4無人駕駛軟件開發(fā)。除了上文提到的異構(gòu)計(jì)算，我們通過軟件和硬件的共同優(yōu)化，不僅僅關(guān)注芯片和系統(tǒng)的絕對(duì)性能，而是尋找與perf/watt的最佳平衡點(diǎn)。下圖即為我們通過多維度權(quán)衡以選擇最高效的計(jì)算方案。


圖3：中央車載計(jì)算平臺(tái)計(jì)算方案選型多維圖

3.2 高可靠性

我們應(yīng)對(duì)汽車級(jí)別可靠性的方法，其中之一是留足設(shè)計(jì)余量，無論是信號(hào)/電源完整性，還是震動(dòng)溫度等環(huán)境因素，唯有足夠大的設(shè)計(jì)緩沖才能在汽車惡劣環(huán)境下保持可靠。例如我們?cè)O(shè)計(jì)了比正常運(yùn)行功耗大4倍的供電系統(tǒng)，以保證任何功耗峰值都不會(huì)引起系統(tǒng)失效。

另外一個(gè)可靠性的思路是為高性能計(jì)算系統(tǒng)盡可能提供舒適的工作區(qū)域。例如即使汽車電子需要工作在-40C - 105C的環(huán)境溫度，但我們通過精密的液體加熱散熱設(shè)計(jì)，使得即便是消費(fèi)級(jí)的芯片也可以在汽車環(huán)境中可靠的運(yùn)行。又例如通過合理的緩沖設(shè)計(jì)，使原本脆弱的器件可以在25g的沖擊下不受損傷。

最后，通過等效冗余和降級(jí)冗余，以及實(shí)時(shí)的健康監(jiān)控系統(tǒng)，即使系統(tǒng)模塊出現(xiàn)故障，比如冗余電源輸入其中一路失效，系統(tǒng)仍可以正?；蚪导?jí)運(yùn)行。


圖4：中央車載計(jì)算平臺(tái)液冷外循環(huán)設(shè)計(jì)

3.3 系統(tǒng)驗(yàn)證

按照經(jīng)典的硬件開發(fā)V模型，在設(shè)計(jì)實(shí)施之后，我們進(jìn)行了多個(gè)維度的系統(tǒng)驗(yàn)證。

首先，在信號(hào)層面，關(guān)鍵信號(hào)的電源都在不同溫度電壓條件下按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測量，以驗(yàn)證信號(hào)余量與設(shè)計(jì)相符。

其次，按照Pony.ai定義的DVT測試標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了環(huán)境和壓力測試，保證溫度、震動(dòng)、濕度等等各種工況下系統(tǒng)正常運(yùn)行，并在掉電、短路、碰撞等條件下系統(tǒng)不受損壞。

之后，在系統(tǒng)級(jí)別，我們開發(fā)了HIL仿真平臺(tái)，使得計(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)可以在線下7x24小時(shí)不間斷驗(yàn)證，以達(dá)到統(tǒng)計(jì)意義上的大于100,000小時(shí)MTBF。

最后，我們進(jìn)行了大量的實(shí)際路測，以保證和整體L4無人駕駛硬件系統(tǒng)集成可靠。

4  向量產(chǎn)演進(jìn)

Pony.ai 中央車載計(jì)算平臺(tái)不僅僅是一個(gè)前沿的預(yù)研項(xiàng)目，而是目標(biāo)支持L4無人駕駛硬件的量產(chǎn)：

每一個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)都充分考慮DFM和DFA，使得批量加工和組裝成為可能，并保證量產(chǎn)級(jí)別的成品率；

計(jì)算平臺(tái)非常容易部署和維護(hù)，整體設(shè)計(jì)即插即用，模塊化設(shè)計(jì)易保養(yǎng)維護(hù)；最后，計(jì)算平臺(tái)有清晰的車規(guī)路線圖，在2023年即可實(shí)現(xiàn)車規(guī)級(jí)L4計(jì)算平臺(tái)。