車載智能計算基礎(chǔ)平臺參考架構(gòu)1.0（2019 年）

汽車產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，是推動實現(xiàn)制造強(qiáng)國和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)的重要支撐和融合載體。在“新四化”背景下，汽車電子電氣架構(gòu)正在由分布式向集中式持續(xù)演進(jìn)，自動駕駛成為產(chǎn)業(yè)競爭的焦點，汽車電子產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)鏈面臨重構(gòu)。在此背景下，對于支撐實現(xiàn)自動駕駛功能的車載智能計算平臺而言，其重要性更加凸顯。國內(nèi)外企業(yè)都在積極布局，加快推進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用示范。

車載智能計算基礎(chǔ)平臺參考架構(gòu)概述

參考架構(gòu)總體框架

車載智能計算基礎(chǔ)平臺需要軟硬件協(xié)同發(fā)展促進(jìn)落地應(yīng)用。車載智能計算基礎(chǔ)平臺結(jié)合車輛平臺和傳感器等外圍硬件，同時采用車內(nèi)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和新型高速網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)、高速CAN 總線等），根據(jù)異構(gòu)分布硬件架構(gòu)指導(dǎo)硬件平臺設(shè)計，裝載運行自動駕駛操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和功能軟件，向上支撐應(yīng)用軟件開發(fā)，最終實現(xiàn)整體產(chǎn)品化交付。

車載智能計算基礎(chǔ)平臺參考架構(gòu)主要包含自動駕駛操作系統(tǒng)和異構(gòu)分布硬件架構(gòu)兩部分。其中，自動駕駛操作系統(tǒng)是基于異構(gòu)分布硬件架構(gòu)，包含系統(tǒng)軟件和功能軟件的整體基礎(chǔ)框架軟件。車載智能計算基礎(chǔ)平臺側(cè)重于系統(tǒng)可靠、運行實時、分布彈性、高算力等特點，實現(xiàn)感知、規(guī)劃、控制、網(wǎng)聯(lián)、云控等功能，最終完成安全、實時、可擴(kuò)展的多等級自動駕駛核心功能。

參考架構(gòu)軟硬件特點

異構(gòu)。車載智能計算基礎(chǔ)平臺需采用異構(gòu)芯片硬件方案。面向L3 及以上等級自動駕駛車輛，車載智能計算基礎(chǔ)平臺需兼容多類型多數(shù)量傳感器，并具備高安全性和高性能?，F(xiàn)有單一芯片無法滿足諸多接口和算力要求，需采用異構(gòu)芯片的硬件方案。異構(gòu)可以體現(xiàn)在單板卡集成多種架構(gòu)芯片，如奧迪zFAS集成MCU（微控制器）、FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）、CPU（中央處理器）等;也可以體現(xiàn)在功能強(qiáng)大的單芯片（SoC，系統(tǒng)級芯片）同時集成多個架構(gòu)單元，如英偉達(dá)Xavier集成GPU（圖形處理器）和CPU兩個異構(gòu)單元。

現(xiàn)有車載智能計算平臺產(chǎn)品如奧迪zFAS、特斯拉FSD、英偉達(dá)Xavier等硬件均主要由AI（人工智能）單元、計算單元和控制單元三部分組成，每個單元完成各自所定位的功能。

分布彈性。車載智能計算基礎(chǔ)平臺當(dāng)前需采用分布式硬件方案。當(dāng)前汽車電子電氣架構(gòu)由眾多單功能芯片逐漸集中于各域控制器，L3及以上等級自動駕駛功能要求車載智能計算基礎(chǔ)平臺具備系統(tǒng)冗余、平滑擴(kuò)展等特點。一方面，考慮到異構(gòu)架構(gòu)和系統(tǒng)冗余，利用多板卡實現(xiàn)系統(tǒng)的解耦和備份;另一方面，采用多板卡分布擴(kuò)展的方式滿足自動駕駛L3及以上等級算力和接口要求。整體系統(tǒng)在同一個自動駕駛操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理適配下，協(xié)同實現(xiàn)自動駕駛功能，通過變更硬件驅(qū)動、通信服務(wù)等進(jìn)行不同芯片的適配。

車載智能計算基礎(chǔ)平臺需具有彈性擴(kuò)展特性以滿足不同等級自動駕駛需求。針對L3及以上等級自動駕駛汽車，隨著自動駕駛等級提升，車載智能計算基礎(chǔ)平臺算力、接口等需求都會增加。除提高單芯片算力外，硬件單元也可復(fù)制堆疊，自動駕駛操作系統(tǒng)彈性適配硬件單元并可進(jìn)行平滑拓展，達(dá)到整體系統(tǒng)提升算力、增加接口、完善功能的目的。

車載智能計算基礎(chǔ)異構(gòu)分布硬件架構(gòu)

車載智能計算基礎(chǔ)平臺硬件架構(gòu)指導(dǎo)異構(gòu)芯片板級集成設(shè)計。該架構(gòu)具有芯片選型靈活、可配置拓展、算力可堆砌等優(yōu)點。硬件主要包括AI單元、計算單元和控制單元。

AI單元

AI單元采用并行計算架構(gòu)AI芯片，并使用多核CPU配置AI芯片和必要處理。AI芯片可選用GPU、FPGA、ASIC（專用集成電路）AI芯片等。當(dāng)前完成硬件加速功能的芯片通常依賴內(nèi)核系統(tǒng)（多用Linux）進(jìn)行加速引擎及其他芯片資源的分配、調(diào)度。通過加速引擎來實現(xiàn)對多傳感器的數(shù)據(jù)高效處理與融合，獲取用于規(guī)劃及決策的關(guān)鍵信息。AI單元作為參考架構(gòu)中算力需求最大的一部分，需要突破成本、功耗和性能的瓶頸以達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求。

計算單元

計算單元由多個多核CPU組成。計算單元采用車規(guī)級多核CPU芯片，單核主頻高，計算能力強(qiáng)，滿足相應(yīng)功能安全要求，裝載Hypervisor、Linux等內(nèi)核系統(tǒng)管理軟硬件資源、完成任務(wù)調(diào)度，用于執(zhí)行自動駕駛相關(guān)大部分核心算法，同時整合多源數(shù)據(jù)完成路徑規(guī)劃、決策控制等功能。

控制單元

控制單元基于傳統(tǒng)車控MCU。控制單元加載Classic AUTOSAR平臺基礎(chǔ)軟件，MCU通過通信接口與ECU相連，實現(xiàn)車輛動力學(xué)橫縱向控制并滿足功能安全ASIL-D等級要求。當(dāng)前Classic AUTOSAR平臺基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品化較為成熟，可通過預(yù)留通信接口與自動駕駛操作系統(tǒng)集成。

車載智能計算基礎(chǔ)自動駕駛操作系統(tǒng)

自動駕駛操作系統(tǒng)是車載智能計算基礎(chǔ)平臺的核心部分。自動駕駛操作系統(tǒng)使用并包含了車控操作系統(tǒng)，它基于異構(gòu)分布硬件/芯片組合，是車控操作系統(tǒng)的異構(gòu)分布擴(kuò)展。車控操作系統(tǒng)是指傳統(tǒng)車控ECU中主控芯片MCU 裝載運行的嵌入式操作系統(tǒng)，如AUTOSAR（OSEK）操作系統(tǒng)，可參考Classic AUTOSAR軟件架構(gòu)，吸收其模塊化和分層思想。自動駕駛操作系統(tǒng)，既具有車控操作系統(tǒng)的功能和特點，還能夠提供高性能、高可靠的傳感器、分布式通信、自動駕駛通用框架等模塊，以支持自動駕駛感知、規(guī)劃、決策、控制等功能的共性實現(xiàn)。自動駕駛操作系統(tǒng)將車控操作系統(tǒng)納入整體系統(tǒng)軟件和功能軟件框架。車控操作系統(tǒng)運行在MCU上，一般以功能安全ASIL-D等級保障車載智能計算基礎(chǔ)平臺安全可靠，并根據(jù)自動駕駛需求進(jìn)行一定程度上的擴(kuò)展。

系統(tǒng)軟件和功能軟件是車載智能計算基礎(chǔ)平臺安全、實時、高效的核心和基礎(chǔ)。自動駕駛操作系統(tǒng)包含系統(tǒng)軟件和功能軟件兩部分。系統(tǒng)軟件創(chuàng)建復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)運行環(huán)境。功能軟件根據(jù)自動駕駛核心共性需求，明確定義自動駕駛各共性子模塊。系統(tǒng)軟件可參考借鑒AUTOSAR軟件架構(gòu)分層思想，可以實現(xiàn)與Classic和Adaptive兩個平臺的兼容和交互。功能軟件根據(jù)自動駕駛共性需求，進(jìn)行通用模塊定義和實現(xiàn)，可補(bǔ)充AUTOSAR架構(gòu)在自動駕駛方面的不足和缺失。