汽車行業正在經歷翻天覆地的變革與轉型。如今，汽車本質上已經成為了“車輪上的計算機”，是人們擁有的最為復雜的技術設備，其現在與未來的功能將由背后的電子系統來定義。

它的復雜性不斷被人工智能(AI)的繁榮發展和呈指數級增長的軟件帶動提升，而這些正定義了軟件定義汽車(SDV)。同時它也對性能、效率、安全性及可靠性提出了更高的要求。

1 汽車市場的基礎計算

為了滿足這些需求，并加速汽車開發和部署，Arm推出了全新的硬件和能在開發伊始就可使用的相應軟件支持。其中關鍵的組件是一系列全新的前沿硬件IP，提供專為汽車應用打造的AI加速邊緣計算。這系列的硬件IP豐富了Arm汽車增強(AE)IP的產品組合，使其達到空前的產品規模，為全球汽車SoC設計廠商提供出色的性能、低功耗、安全性、可靠性、可擴展性和靈活性。

新增的Arm^? AE IP產品組合包括專為汽車市場設計的全新服務器級Neoverse? CPU、兩款全新Armv9-A CPU、一款全新的 Cortex^?-R CPU，和一款全新的圖像信號處理器(ISP)。該產品組合還提供重要的系統IP，涵蓋適用于各種SoC解決方案的互連、通用中斷控制器(GIC)和內存管理單元(MMU)。

依托這些產品，Marvell、MediaTek、NVIDIA、恩智浦半導體、瑞薩電子、Telechips、德州儀器等業界領先的廠商將開發出新型計算系統、技術和設備，范圍涵蓋從區域控制器、到數字化座艙和車載信息娛樂(IVI)系統，從先進駕駛輔助系統 (ADAS) 到由 AI 持續演進推動的自動駕駛。

除了全新IP，我們還投入制定了專為汽車設計的Arm計算子系統(CSS)路線圖，以滿足汽車中不斷增長的計算需求，使我們的合作伙伴能夠更快地開展項目，行動更為敏捷，并實現更好的總擁有成本（TCO）。

為了支持新的Arm AE IP，Arm攜手合作伙伴推出一系列專為特定汽車功能設計的虛擬平臺, 其中部分產品已經面市。合作伙伴可將基于這些虛擬原型的現成設計輕松部署到汽車開發中，也可根據需求進行定制化。這可與眾多汽車合作伙伴針對各式SDV應用提供的全棧軟件解決方案相互協作。憑借這一整套的支持，汽車工程師和開發者無需等待芯片就緒就能更輕松便捷地在搭載Arm AE IP產品組合之上，進行創新和構建計算解決方案，由此縮短多達兩年的開發周期。

2 針對多樣化用例優化的可擴展汽車計算

早在2020年，Arm就推出了Cortex-A78AE和Cortex-A65AE CPU，并得到了汽車行業的廣泛采用，目前正在進行中的設計項目超過25個。我們的合作伙伴將 Cortex-A78AE應用到各類汽車計算用例中，首個用例現已進入量產階段。在這個成功經驗的基礎上，Arm能夠與重要的合作伙伴進一步展開交流與合作，了解他們對未來CPU設計的期待。

在這些交流中，我們不難發現，除了加快上市進程、優化總體擁有成本，以及提高靈活性，以便復用軟件的投資等方面的需求，合作伙伴對提高汽車算力和性能水平的呼聲越來越大。鑒于Arm Neoverse技術能夠滿足服務器市場需求，我們決定將 Neoverse CPU引入Arm AE IP產品線，打造一款具有汽車專用功能的全新CPU。

Arm Neoverse V3AE專為需要超高單線程性能的高端ADAS和自動駕駛等用例而設計。我們的工程師團隊在Neoverse V3設計中添加了包括瞬時故障保護(TFP)在內的關鍵AE功能，以支持專為功能安全設計的應用。Neoverse V3AE采用部署于新型云和數據中心設計中相同的底層CPU性能和指令集架構(ISA)，以滿足汽車應用中不斷增長的計算需求。得益于當前云端環境與下一代SDV擁有相同的ISA，汽車合作伙伴能利用云計算資源作為其整體軟件驗證的一部分。

我們還推出了兩款全新的 Arm AE Cortex-A CPU，在性能和功耗上針對各種SDV用例進行不同的權衡。這兩款AE Cortex-A CPU與Neoverse V3AE都基于Armv9-A架構打造，是我們首次將 Armv9-A 架構引入汽車應用， 因此具有內置安全功能，并增強了計算能力，可處理AI領域出現的各種數據類型。

Arm Cortex-A720AE鎖定了ADAS、智能座艙和IVI等需要在更高性能與更高能效之間取得平衡的用例。我們的工程團隊在“大核”Cortex-A720 CPU添加了關鍵AE功能，例如增強的分核- 鎖步(Split-Lock)、可選的瞬時故障保護(TFP)和增強的軟件測試庫(STL)。在智能手機等廣泛使用的消費電子設備中，Cortex-A720是許多SoC的核心支柱，與上一代的Cortex-A78AE相比，Cortex-A720AE 的可持續性能顯著提升（即在相同功耗預算下性能更高）。在點云變換和鳥瞰圖等感知基準測試中，我們將汽車相關工作負載從Cortex-A78AE遷移到Cortex-A720AE 后，我們發現其性能提升了 30%。我們將繼續與合作伙伴合作，探究該性能提升對其關鍵汽車工作負載的指標意義。

Arm Cortex-A520AE鎖定了那些特別注重高效處理計算工作負載的多樣化汽車用例。這對于ADAS用例尤其重要，因為此類用例未對已知的視覺處理要求進行功耗優化。“小核”Cortex-A520AE可以實現以前CPU設計的大核工作負載，因此無論是在異構SoC（大小核混用），還是作為主處理器，Cortex-A520AE 都能發揮至關重要的作用。

通過Arm DynamIQ? Shared Unit (DSU-120AE)的全新AE版本將Cortex-A720AE與Cortex-A520AE進行CPU集群配置，可實現更靈活、可擴展的異構SoC設計。DSU-120AE 在單個集群中支持多達 14 個核心，并可支持 Cortex-A720AE 和Cortex-A520AE成對混用。

3 汽車實時計算

雖然應用處理器通常是汽車SoC的核心支柱，但汽車制造商仍需滿足對于汽車市場至關重要的安全和實時計算的要求。

多年來，Arm的合作伙伴一直在設計結合應用處理器和實時核心的SoC。這些實時核心通常作為分隔的安全島，既用于監控應用處理器，也用于支持SoC執行實時計算任務，例如通信、系統管理和汽車作動。此外，Arm Cortex-R52和Cortex-R52+ 已成為安全島的汽車行業標準，目前有超過20個基于這兩款處理器正在進行的設計項目。

我們新推出的新一代Arm Cortex-R82AE，首次將64位計算引入到實時安全處理。Cortex-R82AE可支持更高性能的安全島設計，在64位內存空間中實現與應用處理器核心無縫集成和交互。它還支持傳統的實時計算用例和部分多功能操作系統（RichOS）工作負載。

4 滿足未來的汽車視覺

搭載攝像頭的ADAS系統已被多家車企廣泛采用。從單攝像頭自動緊急剎車系統(AEB)到多攝像頭 L2+ADAS，視覺系統在不斷增加自動駕駛功能，使汽車的安全性進一步提高。

Arm在開發ISP方面擁有豐富的經驗，目前上路的數百萬輛汽車正在使用我們這一代的ISP產品（ArmMali-C71AE和Mali-C78AE）。Arm Mali?-C720AE是我們針對視覺系統的不同用例開展一項長期研究項目后開發的全新ISP，這些視覺系統大致分為“人類視覺”和計算機視覺(CV)。人類視覺對應的攝像頭系統負責處理符合人類觀看要求的圖像，此類圖像通常色彩鮮艷逼真、邊緣銳利，且其像素錯誤經過校正。然而，CV算法對輸入數據的處理方式全然不同。這意味著當前圖像通常是分開處理的，要么通過不同的 ISP，要么對ISP進行串行重新編程。

為了應對這一挑戰，Mali-C720AE支持多個并行管線，并針對人類視覺和 CV 用例的需求進行對應的調優。這有助于減少處理圖像的時間，加快計算系統的整體反應速度。多個ISP流水線還可減少內存使用量，進而節省SoC功耗和面積。

此外，通過Mali-C720AE ，合作伙伴可在不影響功能安全的前提下，根據具體需求靈活地添加或移除處理模塊，以達到面積平衡的效果。最后，借助可微分的ISP模型，Arm的汽車合作伙伴能以更快的速度、更優異的成本效益和更高的性能水平，為計算機視覺應用調優圖像質量。可微分的加速ISP模型將作為獨立的軟件產品提供，合作伙伴可在芯片就緒前就開始進行軟件開發和圖像質量調優，以加快上市進程。

5 使用系統IP和開放標準打造SoC解決方案

除了新增的CPU和ISP之外，我們還在Arm AEIP產品組合中新推出關鍵的可配置系統 IP 組件，助力我們的合作伙伴成功實現快速地成功設計 SoC。其中包括我們具有安全功能版本的最新互連和GIC技術。

ADAS、自動駕駛和數字化座艙用例需要采用新型高核心數的汽車計算系統。Arm為Neoverse S3(CMNS3AE)系統IP提供的一致性網狀網絡中添加了“AE”功能，以實現增強的功能安全特性。CMN S3AE還支持單芯片超過64個核心數的配置，以及可作為芯粒實現的一致性多芯片設計。

橫跨所有的汽車計算系統中，支持安全功能的片上網絡 (NoC)互連技術通常是必備的組件。我們在高度可配置的NoC產品(NI-710AE)中添加了一系列安全特性，為此，合作伙伴能在完整的安全微控制器 (MCU)或是大型SoC中的安全關鍵型子系統和安全島的基礎上，自由構建所需的系統。

多處理器系統需要在核心之間共享中斷，以支持豐富的操作系統能進行資源管理并實現虛擬化。GIC-720AE將上述的安全特性引入到我們的GIC IP，并與全新的Arm AE CPU產品保持一致。

Arm一向擁護開放標準，因為這有助于龐大生態系統中的合作伙伴在使用Arm AE IP設計時能夠蓬勃發展，同時還能提高可移植性和軟件復用率。一個典型的例子是在Arm與Arteris的合作，在這個合作中，Arteris通過使用Arm全新的CPU IP驗證了他們的互連產品（NCore和FlexNoc）。近期，雙方針對AMBA5 CHI.E標準進行Arm CPU和Arteris Ncore的組合驗證。這項驗證為生態伙伴采用Arm IP組合來構建其特定專用的SoC解決方案增添信心。

6 增強的安全和保護

安全和保護是汽車計算用例的根本。兩者緊密關聯，設備的安全保護會影響計算系統的安全，并最終影響汽車的安全。隨著越來越多的汽車成為聯網設備，其威脅模型也逐步趨向于類似消費電子設備的常用威脅模型。汽車行業面臨的挑戰是，惡意行為者不再需要物理訪問車輛即可獲得控制并造成危害。

Arm已處在移動設備信息安全的前沿。通過與設備制造商和主流操作系統供應商的密切合作，Armv9-A架構融合了針對內存安全違規、控制流劫持和緩沖區溢出攻擊的緩解功能，其中包括指針驗證和分支目標識別(PACBTI)以及內存標記擴展(MTE)。這些功能通過全新Arm AE CPU引入到汽車應用。

新興的行業標準正在定義汽車的開發和部署方式。這不僅包括相關的信息安全特性，還包括針對電氣/ 電子(E/E)汽車系統開發、生產、操作、維護和停用的信息安全風險管理要求。為此，車企需要了解自身和供應商使用的所有產品的信息安全開發流程，這便影響了供應鏈。Arm已經擁有健全的IP開發流程，為了進一步支持汽車合作伙伴及整個汽車供應鏈，我們正在為合作伙伴提供用于信息安全評估的文檔。

各種汽車用例正在不斷發展，所需要的功能安全也大相徑庭。無論我們的合作伙伴針對SoC中不同處理元件的需求是達到ASIL B等級還是完整的ASIL D等級，Arm AE IP產品組合能為他們提供了一組更豐富的選項。這與包括STL和SystemReady在內的Arm免費軟件資源相結合，可實現廣泛的功能安全特性，并針對汽車計算系統所需的安全功能優化性能、功耗和面積(PPA)。

7 塑造未來汽車計算的方向

Arm AE IP產品組合的新增成員將驅動并增強新一代汽車。Arm與包括出行服務企業、新型和傳統車企、一級供應商和芯片供應商在內的整個汽車供應鏈密切合作，利用新技術創新打造優化的產品，專為滿足汽車市場對核心和不斷演進的計算需求。

從AI驅動的新型先進計算工作負載和軟硬件用例，到增強的安全和保護功能，我們提供的整套技術絕佳地應對了汽車行業正在發生的巨大轉型。憑借著領先地位、持續的合作伙伴協作以及長期的重點關注，Arm 技術是未來汽車計算的基石。

（本文來源于《EEPW》2024.4）