改變出行的未來(lái)走近特斯拉FsD芯片

張平

特斯拉是全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先者之一，旗下的電動(dòng)汽車不但提供了獨(dú)特的駕乘體驗(yàn)，還帶給駕駛者充分的科技感受。尤其是在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，以激進(jìn)著稱的特斯拉為旗下所有車型都提供了自動(dòng)駕駛套包的選配，算是對(duì)自動(dòng)駕駛最為看好、貫徹自動(dòng)駕駛技術(shù)最為徹底的車企之一。不過(guò)自動(dòng)駕駛作為—項(xiàng)全新技術(shù)，對(duì)計(jì)算能力要求極高。特斯拉從研發(fā)自動(dòng)駕駛技術(shù)開(kāi)始，就非常注重自家的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)獨(dú)立性。在換用了多家廠商的方案后，特斯拉在2016年走上了自研自動(dòng)駕駛芯片的道路。經(jīng)過(guò)數(shù)年的研發(fā)，特斯拉的自動(dòng)駕駛芯片和方案目前處于什么狀況？本文將為你解答這個(gè)問(wèn)題。

如果說(shuō)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，誰(shuí)的定價(jià)最為隨心所欲，那一定是特斯拉了。2019年5月，特斯拉宣稱旗下全自動(dòng)駕駛功能FsD漲價(jià)，從5000美元漲價(jià)到6000美元。兩個(gè)月后，又宣布FsD降價(jià)至3000美元。這還沒(méi)完，僅僅在一個(gè)月之后，特斯拉又將該功能的選配價(jià)格上漲了1000美元。如此頻繁地調(diào)整價(jià)格，讓人們?cè)谶@個(gè)新能源車企的身上看到了一絲IT行業(yè)廠商的影子。甚至有網(wǎng)友問(wèn)馬斯克：“你是打算半年漲價(jià)一次嗎”馬斯克則回答：“不，我們打算2-4個(gè)月調(diào)整一次價(jià)格，這將取決于我們的技術(shù)開(kāi)發(fā)情況而定。”

特斯拉反復(fù)的調(diào)價(jià)、卻依舊有消費(fèi)者對(duì)其自動(dòng)駕駛功能趨之若鶩，這無(wú)疑反映了一個(gè)事實(shí)：特斯拉在自動(dòng)駕駛的方案上有硬貨，消費(fèi)者就吃這套。那么，特斯拉在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)和方案呢？

從買到造，特斯拉決定自己來(lái)做

特斯拉在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域已有多年的積累。早在2014年，特斯拉就聯(lián)合Mobileye推出了第一代自動(dòng)駕駛產(chǎn)品。兩年后，特斯拉與Mobileye結(jié)束合作，轉(zhuǎn)而采用英偉達(dá)旗下的產(chǎn)品。不過(guò)在這項(xiàng)合作開(kāi)始的同時(shí)，特斯拉就已經(jīng)開(kāi)始招兵買馬準(zhǔn)備自己的芯片了。2016年，特斯拉啟動(dòng)自研芯片的項(xiàng)目，2017年流片完成，2019年4月份特斯拉FSD，也就是Full Self Driving全自動(dòng)駕駛芯片正式以量產(chǎn)的形式發(fā)布，特斯拉在自動(dòng)駕駛硬件方面已經(jīng)發(fā)展到第三代。2019年9月，特斯拉在業(yè)內(nèi)著名的芯片會(huì)議HotChip上公布了芯片設(shè)計(jì)和架構(gòu)的大量細(xì)節(jié)，一時(shí)間業(yè)內(nèi)都為之側(cè)目。

說(shuō)起特斯拉自研的自動(dòng)駕駛芯片，人們都會(huì)驚嘆于特斯拉強(qiáng)大的技術(shù)研發(fā)實(shí)力。不過(guò)在自研芯片的背后，是極高的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和巨額投資。那么特斯拉為什么放棄外購(gòu)，而啟動(dòng)自研芯片的計(jì)劃呢？說(shuō)來(lái)說(shuō)去，還是一個(gè)投入和收益的問(wèn)題。

特斯拉的目標(biāo)是在每一輛自家汽車上都搭載自動(dòng)駕駛功能，但是會(huì)根據(jù)用戶是否付費(fèi)來(lái)開(kāi)啟或者關(guān)閉這一功能。目前特斯拉汽車的全球年銷量大約在15萬(wàn)輛左右，并且這個(gè)數(shù)據(jù)每年的增速都很高。這意味著特斯拉會(huì)面對(duì)一個(gè)巨大且不斷增長(zhǎng)的芯片市場(chǎng)。除此之外，追求技術(shù)自主也是特斯拉的一貫風(fēng)格。之前特斯拉購(gòu)買的芯片來(lái)自Hobileye和英偉達(dá)，而這兩家芯片廠商的產(chǎn)品都并非專門(mén)為特斯拉定制設(shè)計(jì)，因此不一定可以滿足特斯拉未來(lái)的需求。并且這兩家廠商的產(chǎn)品為了普適性和廣泛的兼容性，還會(huì)加入很多在特斯拉看起來(lái)并不需要的設(shè)計(jì)。因此，綜合考慮了銷量、市場(chǎng)和自己掌握技術(shù)的能力之后，特斯拉開(kāi)啟了自研芯片之路，并且在2019年4月推出了這款產(chǎn)品。

初探特斯拉FSD：專為自動(dòng)駕駛設(shè)計(jì)的SOC

特斯拉FsD芯片是一款專門(mén)為自動(dòng)駕駛功能設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，它的架構(gòu)比較特殊，不但有傳統(tǒng)的cPu和GPU部分，還加入了特別定制的NNA、ISP等部分，共同組成了一個(gè)龐大的SoC芯片。

先來(lái)看看特斯拉Fs D的基礎(chǔ)情況。特斯拉FSD采用的是三星在得克薩斯州奧斯汀工廠的14nmFinFETT藝，面積大約為260mm²，集成了60億晶體管，封裝尺寸為37.5mmx37.5mm，底座采用了FcBGA設(shè)計(jì)整體設(shè)計(jì)支持AEC-Q100汽車零部件可靠性驗(yàn)證規(guī)范。

芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)方面，特斯拉采用了完全定制的獨(dú)享方案，因此很多之前在其他芯片中集成的功能要么被弱化，要么干脆去掉。計(jì)算方面，F(xiàn)sD芯片中包含了三個(gè)能夠提供計(jì)算性能的模塊，分別是cPu、GPu和NNA（Neural Network Accelerator神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速單元）。其中cPu采用的是cortex-A72架構(gòu)，三組、每組4個(gè)核心，一共有12個(gè)核心，最高運(yùn)行頻率為2.2GHz，這部分處理器核心用于通用的計(jì)算和任務(wù)。GPU方面，特斯拉設(shè)計(jì)了一個(gè)支持FP32和FP64的GPu模塊，主頻最高1GHz，最高計(jì)算能力約為600GFLPS。NNA方面，特斯拉采用了自研的架構(gòu)，設(shè)計(jì)了2個(gè)NNA核心，每個(gè)核心都可以執(zhí)行8位整數(shù)計(jì)算，運(yùn)行頻率為2GHz，單個(gè)NNA的峰值計(jì)算能力為36.86TOPs，2個(gè)NNA的總能力為73.73TOPS。

除了三大計(jì)算性能模塊外，還有一個(gè)模塊值得注意，那就是圖像信號(hào)處理器IsP。特斯拉設(shè)計(jì)了一個(gè)專用的、帶有內(nèi)部24bit流水線設(shè)計(jì)IsP，這個(gè)IsP專門(mén)針對(duì)特斯拉汽車上配備的八個(gè)HDR傳感器而設(shè)計(jì)，可以每秒鐘處理十億像素的圖像信息。在處理中還加入了色調(diào)映射等功能，并且允許芯片自主處理陰影、亮點(diǎn)、暗點(diǎn)等細(xì)節(jié)，還加入了降噪設(shè)計(jì)。可以說(shuō)，IsP是特斯拉FsD中除了計(jì)算核心外面積最大、功能最復(fù)雜的輔助功能模塊。

除此之外，特斯拉FsD的其余輔助功能模塊設(shè)計(jì)也頗有特點(diǎn)。特斯拉FsD包含了一個(gè)安全模塊和一個(gè)加密模塊。其中安全模塊中包含了一組雙核心同步的cPu，用于執(zhí)行汽車信息的仲裁。它可以決定FSD整個(gè)模塊上2個(gè)FsD芯片發(fā)出的執(zhí)行計(jì)劃是否匹配、以及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的過(guò)程是否安全。換句話來(lái)說(shuō)，由于特斯拉FsD模塊上包合了兩個(gè)FsD芯片，這兩個(gè)芯片在處理過(guò)程中可能出現(xiàn)信息、執(zhí)行不同步的情況，當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，判斷就交由安全模塊完成并給出最終的判定，以保證信息的同步和無(wú)沖突。安全模塊之外，加密模塊執(zhí)行的功能是確保整個(gè)FSD系統(tǒng)只執(zhí)行經(jīng)過(guò)特斯拉簽名授權(quán)的代碼，而不是任何其他代碼，保證系統(tǒng)的安全性。

視頻處理方面，和常見(jiàn)的soc支持大量的視頻格式處理和編解碼不同的是，特斯拉FSD只集成了支持H.265（HEVC）的視頻編碼器，可以用于備用攝像機(jī)顯示、行車記錄儀、剪輯視頻等內(nèi)容，其余諸如MPEG、H.264等一概不支持，精簡(jiǎn)了不少規(guī)模。其他輸入輸出模塊方面，F(xiàn)sD系統(tǒng)還擁有一個(gè)攝像頭串行接口CSI，最高可以支持輸入并處理每秒25億像素。

在內(nèi)存方面，特斯拉FsD芯片采用了比較廉價(jià)的雙通道LPDDR4-2133的方案，位寬為128bit，帶寬為63.58GB/s。這應(yīng)該是特斯拉權(quán)衡過(guò)成本和性能后得出的最佳方案，畢竟內(nèi)存控制器一向是芯片中的面積大戶，并且事關(guān)性能又輕易削減不得，性能和規(guī)模的平衡處理非常重要。

從特斯拉FSD芯片的整個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)看，特斯拉采用了非常個(gè)性化和定制化的方案，完全不考慮其通用性（也沒(méi)必要考慮），只針對(duì)特斯拉旗下汽車的使用。這樣一來(lái)，小小的60億晶體管的芯片就能釋放出大量的計(jì)算資源，令人側(cè)目。

特斯拉定制的NNA：恰到好處

說(shuō)完了整體架構(gòu)，再來(lái)看看特斯拉定制的NNA核心。這也是特斯拉在Hotchip以及之前數(shù)次發(fā)布會(huì)上提及的重要內(nèi)容。

特斯拉FsD芯片內(nèi)包含了2個(gè)NNA，每個(gè)NNA中有一個(gè)96x96的MAC矩陣，包含了32HB的內(nèi)置sRAM，整體工作頻率為2GHz。所以在理想的情況下，一個(gè)NNA的計(jì)算能力是96x96x20Psx2GHz=36.86TOPS，兩個(gè)核心加起來(lái)就是73.73 TOPS。一個(gè)FSD系統(tǒng)有2個(gè)FsD芯片，整板計(jì)算能力就是144TOPS。

這里需要注意的是，特斯拉設(shè)計(jì)的NNA根據(jù)目前的情況來(lái)看，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算并不需要太高的精度，因此特斯拉設(shè)計(jì)的芯片只能支持8位整數(shù)計(jì)算，并且整個(gè)計(jì)算周期設(shè)計(jì)也很簡(jiǎn)單。在每個(gè)計(jì)算周期，NNA都會(huì)從內(nèi)置的32MB SRAM中讀取256bit的激活數(shù)據(jù)和另外128bjt的權(quán)重?cái)?shù)據(jù)組合在一起進(jìn)入乘法累加，也就是MAC陣列，后者可以執(zhí)行96x96的MAc操作，總共可移植性9216個(gè)MAC和18432個(gè)操作。在這里，NNA只支持8位乘以8位整數(shù)乘法和32位整數(shù)乘法，完全不支持任何浮點(diǎn)計(jì)算，也無(wú)需支持任何其他格式，比如16位或者4位計(jì)算等，這都大大降低了核心的設(shè)計(jì)難度。并且這樣專用而直接的設(shè)計(jì)，還可以在很大程度上降低功耗，舉例來(lái)說(shuō)，支持浮點(diǎn)運(yùn)算的32位加法器功耗大約是支持整數(shù)計(jì)算的32位加法器的9倍。在完成了MAC的乘法累加操作后，數(shù)據(jù)將會(huì)被轉(zhuǎn)移到激活（Activations）以及池化部分（Pooling），并等待寫(xiě)入緩沖區(qū)匯總結(jié)果。FsD支持很多激活功能，包括整流線性單元ReLU、Sigmoid線性單元（SiLU）和TanH。每個(gè)周期，NNA都可以將128字節(jié)的結(jié)果寫(xiě)回sRAM，所有的操作同時(shí)和連續(xù)的進(jìn)行。直到整個(gè)計(jì)算完成。

除了上述計(jì)算過(guò)程外，特斯拉在NNA的設(shè)計(jì)中還偏向于將硬件簡(jiǎn)化，并復(fù)雜化軟件，這樣做可以降低芯片成本。比如軟件可以映射和分配單個(gè)sRAM庫(kù)，在特斯拉的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編譯器的幫助下，還可以執(zhí)行層融合操作，通過(guò)耦合conv-scale-act-pooling操作允許數(shù)據(jù)重用。編譯器還可以通過(guò)執(zhí)行層平滑處理來(lái)確保數(shù)據(jù)一致的內(nèi)存訪問(wèn)操作，還可以加入代碼壓縮、cRc校驗(yàn)等功能，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

除了架構(gòu)設(shè)計(jì)之外，特斯拉NNA另一個(gè)值得注意的點(diǎn)就是32M B的片上sRAM緩存。這是迄今為止見(jiàn)過(guò)的最大規(guī)模的片上sRAM緩存了，相比其計(jì)算能力，這個(gè)容量可以說(shuō)相當(dāng)搶眼。其他典型的芯片比如谷歌初代TPU，采用了256x256的MAC，也只是在片上設(shè)計(jì)了24MB的sRAM。從特斯拉給出的芯片圖樣來(lái)看，sRAM占據(jù)了NNA面積的75%以上，耗費(fèi)了大量的晶體管。對(duì)于這種特殊的設(shè)計(jì)，特斯拉解釋這樣做是為了讓數(shù)據(jù)盡可能地在片內(nèi)周轉(zhuǎn)，而不用頻繁地與內(nèi)存或者其他模塊進(jìn)行讀寫(xiě)操作。這樣做不但可以提高性能，還可以有效降低功耗。特斯拉宣稱整個(gè)NNA的片上操作大概需要1TB/s帶寬，所有數(shù)據(jù)都在片上完成，這樣SRAM就可以滿足其需求。

在指令方面，特斯拉認(rèn)為之前一些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器的設(shè)計(jì)在緩存、寄存器以及邏輯控制方面消耗了大量能量，因此NNA需要盡可能多地降低這方面的耗費(fèi)。于是特斯拉干脆簡(jiǎn)化邏輯控制，將資源集中在計(jì)算方面。特斯拉NNA的指令集非常簡(jiǎn)單，只有8條指令包括DMA Read、DMA Write、Convolution、Deconvolution、Inner-product、Scale、Eltwidth、Stop，流程控制更是只需要配置4個(gè)信息，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了操作。

有關(guān)這個(gè)芯片的實(shí)際性能，特斯拉給出的數(shù)據(jù)是2300幀/秒，72W功耗。特斯拉還給出了一些示例網(wǎng)絡(luò)，每秒大約需要80TOPs，恰好滿足芯片的計(jì)算需求，2個(gè)芯片的話也僅有55%利用率，還存在很大的空余性能。另外，馬斯克宣稱這個(gè)芯片的性能是之前英偉達(dá)方案的21倍之多，并且更為安全。不過(guò)馬斯克沒(méi)有給出具體的指標(biāo)和計(jì)算方法。FSD系統(tǒng)：雙倍安全

除了FsD芯片外，特斯拉還給出了FSD系統(tǒng)的相關(guān)消息。整個(gè)FSD系統(tǒng)上布置了2個(gè)FsD芯片，特斯拉還給出了一些示意圖，顯示FSD芯片在整個(gè)系統(tǒng)中的工作情況。

從特斯拉給出的信息來(lái)看，兩個(gè)FsD芯片以獨(dú)立的方式工作，當(dāng)一顆芯片出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，另一顆芯片可以完全接管。為了安全，特斯拉還設(shè)計(jì)了冗余的電源、重疊的攝像機(jī)視野部分、各種向后兼容的連接器和接口。在一般操作中，當(dāng)整車信息通過(guò)雷達(dá)、攝像頭等傳感器發(fā)送至FSD系統(tǒng)時(shí)，兩顆芯片都會(huì)處理并給出方案，然后由之前提及的芯片上的模塊進(jìn)行平衡和仲裁、驗(yàn)證，最后發(fā)送給傳動(dòng)裝置Ecu并驅(qū)動(dòng)汽車進(jìn)行操作。特斯拉宣稱，F(xiàn)sD系統(tǒng)的故障率非常低，甚至比人失去意識(shí)的可能性還要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

其他方面，特斯拉FsD系統(tǒng)板載了8顆LP DDR4內(nèi)存，每個(gè)芯片有4顆，另外每個(gè)芯片各有一顆NAND顆粒用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)。不過(guò)這些存儲(chǔ)芯片的容量和規(guī)格目前還沒(méi)有披露出來(lái)。散熱方面，整體方案采用水冷設(shè)計(jì)，確保整個(gè)工作過(guò)程的安全和穩(wěn)定。功耗方面，特斯拉FsD系統(tǒng)的每英里功耗僅為250W，大概只有之前硬件的七分之一，成本也是之前硬件的七分之一。不得不說(shuō)，特斯拉走上自研芯片這條道路還是非常正確的，不但節(jié)省了大量的資金耗費(fèi)，同時(shí)也帶來(lái)了新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。

特斯拉FsD系統(tǒng)和芯片已經(jīng)正式運(yùn)行了一段時(shí)間，總的來(lái)看，它帶來(lái)了諸如交通信號(hào)燈識(shí)別、自動(dòng)泊車、自動(dòng)輔助變道、城市內(nèi)自動(dòng)輔助駕駛、自動(dòng)輔助導(dǎo)航駕駛、停車召喚等功能，讓汽車的自主能力提升了一個(gè)臺(tái)階。不僅如此，在這一代FsD芯片發(fā)布后，特斯拉也沒(méi)有停下腳步，而是加快進(jìn)度，研發(fā)下一代FSD芯片。目前有消息顯示，新FsD芯片的性能起碼會(huì)再翻一番，未來(lái)它還能帶給用戶怎樣的功能與體驗(yàn)，令人十分期待。