【专家视角】魏少军:芯片支撑AI技术落地汽车产品,需超高计算性能、高能量效率和高可靠性并实现高速迭代

发布时间:2020-09-16 14:17 点击数:38

清华大学微纳电子学系教授魏少军

 

一、智能汽车是IT 下一步发展的重要方向

汽车是IT发展的一个重要的和全新的创新阶段,被认为是第四张屏和第四个计算平台。从屏的显示角度,已经经历了电视屏、电脑屏、手机屏三个阶段,汽车屏是第四个阶段;从计算平台的角度,经历了电脑计算平台、手机计算平台、以电视为中心的家庭计算平台,现在是汽车计算平台。无论从屏显示角度还是计算平台角度,汽车都是IT下一步发展的重要方向。

作为第四张屏和第四个平台,与前三个相比,汽车有一个非常明显的不同,即汽车是唯一一个全面集成了传感、传输、存储、处理和执行完整过程的系统。而前三个都仅包含其中的一部分,而不是一个完整的系统。

作为唯一一个完整的系统,汽车所运行的环境却相对恶劣,而且被赋予更高的期待。前面三个都是作为人的一种辅助、一种能力的替代,而汽车需要不仅辅助人、模仿人,更要超越人。

 

二、车载计算芯片难度极大,需要具备三个基本要素

汽车要实现这样的定位,应该具备以下三个基本要素:超高的计算性能、超高的能量效率和超高的可靠性。

大约5年前,在麦肯锡举办的T30大会上,大家普遍预计要实现自动驾驶L5级,需要达到300TOPS的算力,支撑这样的算力,需要能耗1000-2000瓦的巨大服务器,这极大地增加了车辆的供电负担。近两年,由于半导体技术的不断进步,服务器本身的运算能力在提升,功耗也降到700-800瓦这样相对合理的区间。

但是随着我们对智能汽车的理解更加深入,L5可能远远超过我们的预期,考虑适当冗余,综合耗电量,5000TOPS、100瓦较为合理,即能量效率达到50TOPS/W。现在一般计算机的能量效率远低于1TOPS/W,智能汽车是其50倍,需要超高的运算速度和超高的能量效率作保障,这也是车载计算芯片做起来更难的原因。当然这是对绝对运算量和能量效率的要求,不一定要在单颗芯片上实现。对于车规级芯片,可靠性的要求非常高,现在解决芯片故障的办法就是换主板,主板的价格6.5万元,高成本要求必须要有极高的可靠性。

此外,车载计算芯片还需要同时处理大规模的并发任务,而且需要进行多种模式的信息处理,这些都使车载计算芯片的复杂程度前所未有。

 

三、芯片支撑AI技术落地汽车产品,需要高速迭代应对场景的复杂

人工智能是技术,不是产品,最终需要落地到产品上,而汽车是人工智能最重要的一个应用终端,落地靠的是芯片。

人工智能的特点是超高的运算速度和需要同时处理的海量数据,比如VGG19(2014年的算法)运算速度为196GOPS,同时要处理1.38亿个参数。目前的情况是,人工智能各类算法在高速演化,而芯片的演化速度赶不上算法,而且每种算法对应一种应用,应用场景的复杂性需要算法的高速演化,必将带来芯片的高速迭代,否则在芯片推出的那一天就已经落后了,这就是芯片面临的最大危机,不解决就无法谈落地。

未来,智能汽车所需要的计算平台一定是有别于现在的创新架构,需要做到以下四点:可编程、可配置、可升级、可演化,如果做不到这四点,硬件就很难跟上算法、软件的变化。

现在大家普遍认可软件定义汽车,完整的定义是:应用定义软件、软件定义芯片、芯片定义系统、系统定义整车。最终,一定是应用与车辆高度融合,合多为一,形成整体。因此,智能汽车的发展一定需要平台化,打造通用平台,对产业来讲,没有意义。

 

四、加工工艺是车规芯片发展最大的坎儿

最近,迫于外界的压力,对芯片产业的自主可控谈的比较多,其实这既包括设计技术,也包括工艺技术。目前,我对此有两个判断:一是在芯片产品研发层面,我国芯片设计能力,包括芯片设计辅助工具都可以实现自给;二是我国芯片加工工艺还没有摆脱被卡脖子的局面。没有工艺的支持,就无法真正掌握发展主动权。

我国半导体工艺的起步是从各种通用器件开始的,而不是专门为汽车而做的,所以车规级芯片工艺的适应性非常差。地平线为什么要到台积电加工芯片,就是因为台积电有车规级芯片工艺平台。上海先进半导体也有车规级工艺,但技术水平达不到要求,中芯国际也达不到台积电的水平,所以发展车规级半导体面临的形势很严峻。

工艺平台的缺失对整个产业的影响是巨大的。华为的芯片很强,华为海思是华为芯片的核心竞争力,但是由于美国对海思实施了一个最简单不过的制裁,就是掐断工艺供应,使华为的芯片无法生产,华为已经宣布麒麟芯片今年9月15日后或成绝版。要重新打造工艺平台不是不行,但是原来构建的所有基础平台都需要推到重来,需要2-3年时间重新构建。

海思的今天,也许就是中国整车、集成电路厂商的明天,这是目前智能汽车行业参与者必须要清醒认识到的现实,我们必须要考虑到最坏的情况,要早点儿动手打造车规级芯片的工艺平台。

 

五、关于智能汽车芯片发展的四点建议

第一,平台化发展。中国的整车市场一方面被合资企业瓜分,另一方面,自主品牌的市场又出现了碎片化。这个碎片化,既包括某个品牌有自己的势力范围,又包括某个元器件的碎片化。但是,元器件的碎片化在系统供应商处形成了统一,这个系统供应商就形成了一个平台。我们自己做的元器件,要统一在自己的平台上,并且平台要尽可能集中,不能遍地开花,这就需要国家层面给予一定的指导和约束。如果不走平台化发展的路线,在碎片化的市场中,企业就会失去规模效应,就不会形成竞争力。

第二,标准化发展。把标准当作战略问题来思考是好的,但不是政府的职责,应该以行业协会、产业联盟、企业为主体来制定标准,因为一个标准要想真正执行到位,需要产业做支撑。当然,标准在形成的过程中一定具备相当的难度,但是实践是检验真理的唯一标准,产业的发展是标准是否正确的最好证明。但是标准化要和平台化相结合,这需要一个宽松的环境,推动产业逐渐走向标准化,形成平台化发展。

第三,资源需要相对集中。各方资源在投入时要相对集中,不要分散,尤其不要撒芝麻盐。看准了就要给予坚决的支持、集中的支持、大力度的支撑、持续的支持,只有这样才能把事情做成。 

第四,系统看待智能汽车芯片问题。它不只是汽车的问题,要综合统筹道路交通、基础设施等等一系列因素。这方面的工作要尽早来做,当某套系统基本成型后,再改难度太大,我们提前考虑,就可以为未来预留接口,增强扩展性。

来源:汽车评价


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