高性能GPU利用創新FuSa機制來確保汽車應用的絕對安全

隨著智能駕駛不斷普及和提升智能等級，GPU以其高性能并行處理和應用靈活性，正在智駕解決方案中得到廣泛的應用。以Imagination Technologies公司在不久前推出的DXS GPU IP為例，該款專為汽車應用打造的GPU擁有豐富的全新特性，可以支持智駕芯片設計公司快速開發駕駛座艙、車載信息娛樂和駕駛輔助系統。該款GPU一經推出，其多項創新即引起了行業的廣泛關注。

為了適用于智能汽車未來的需求，IMG DXS GPU繼承了最新一代PowerVR GPU架構的可擴展性、靈活性和效率，提升了峰值性能，并部署了額外的計算硬件和軟件，相比其前一代汽車GPU IP（IMG BXS），計算應用性能實現了多達10倍的提升。不過，IMG DXS CPU帶給市場巨大影響的最重要創新在于其分布式功能安全機制和相應的安全套件，該機制和套級通過了極為嚴格的SGS主導的ASIL B功能安全（FuSa）認證，并可以根據客戶的需求實現最為嚴格的ASIL D功能安全。

Imagination是汽車駕駛座艙和信息娛樂系統 GPU IP 的領先供應商，該公司的GPU IP一直占據全球ADAS控制器芯片的主要市場份額，而且隨著汽車專用GPU架構在智駕芯片領域得到越來越多的芯片廠商的歡迎，可以升級到ASIL D的、但是邊際成本極低的分布式功能安全機制尤其引人注目。隨著駕駛輔助系統的自主性增加以及責任從駕駛員轉移到機器，安全性（即故障的檢測和處理）日益成為業界關注的問題。駕駛員、乘客和制造商需要相信汽車能夠在合適的時間窗口內檢測到故障，并在事故發生之前進行相應管理。

Imagination長期以來一直關注功能安全，例如該公司在其應用于汽車和多個領域的GPU中推出的HyperLane硬件隔離技術至今仍然是領先業內的硬件虛擬化技術。在此之外，該公司之前的幾代產品擁有市場領先的硬件和軟件機制（例如分區域保護），來減少實現功能安全目標所需的開銷，但客戶仍然覺得通過行業標準技術實現功能安全認證的成本過高。常見雙核鎖步（Dual-core lockstep）需要將核的硅面積（和成本）翻倍，而另一種常見的工作負載重復驗證方法則使系統性能減半。

由于功能安全的成本，過去一些廠商為了降成本使用了未獲得功能安全認證的器件，但是隨著自動駕駛將主要安全責任從駕駛員轉到機器設備之上，關鍵處理器的功能安全能力和認證就成為從主機廠、Tier-1廠商到器件提供商都必須有的能力。面對客戶的需求，Imagination工程團隊面臨著新的挑戰，需要發明一種實用的功能安全解決方案，而不像行業標準功能安全技術那樣產生高昂的成本。通過發布全新的IMG DXS，Imagination向市場推出突破性的解決方案。

得益于分布式功能安全領域的創新，Imagination的處理器現在可以實現 ASIL-B認證，同時不會像傳統方法那樣帶來功耗、性能和面積開銷。IMG DXS戰略性地在整個GPU核中部署了多種安全機制，從ECC到流水線一致性，以實現對單點故障的檢測率超過90%。每個獨立的機制都集中在測試核心的功能和行為重要性的小部分元素上。因此，分布式安全機制不僅減少了運行時間和面積開銷，還能將故障定位到特定模塊或電路——這是雙核鎖步無法實現的。

僅僅基于現有的安全機制的分布式安全方法不足以滿足 ASIL 標準的要求。為了達到ASIL-B所要求的超過90%的單點故障檢測率，Imagination需要找到一種不依賴于翻倍的硅面積或工作負載復制來進行故障檢測的方法。為此，Imagination的工程團隊開發了一種新的、受專利保護的“安全對”技術，該技術利用了當今處理器的內在并行性以及所有線程都具有自然空閑周期的事實。這些線程在空閑時間被組合成“安全對”，在此期間運行測試向量。通過比較這些測試的輸出來檢測差異（故障），并且建立了額外的安全網，以確保在所有情況下都能實現功能安全標準。

欲了解有關“安全對”技術的更多信息，請參閱我們的白皮書《分布式功能安全中的創新》。

通過將“安全對”納入分布式安全機制中，Imagination的IP可以以比傳統方法低2-3倍的開銷來滿足檢測處理邏輯中錯誤的 ASIL-B 要求。而且，這不僅僅是可以用于GPU的技術；正如請參閱我們的白皮書《分布式功能安全中的創新》白皮書中所揭示的那樣，它也非常適合用于CPU等處理器，因而是一個可以將整個汽車行業所采用多種處理器件的功能安全能力大幅度提升的重要創新。

Imagination在開發符合市場對各種安全需求的高質量解決方案方面擁有豐富的經驗。其內部能力涵蓋了多個領域和標準，并且整個設計流程強調設計質量，使其能夠從初步設計到產品生命周期結束的整個過程中幫助客戶。同時，這種設計流程和能力可以實現在客戶的整個ASIL認證過程中都能全力支持客戶，例如IMG DXS隨附的安全包涵蓋硬件安全手冊、硬件安全案例報告、FMEDA（故障模式、效應和診斷分析）以及安全分析摘要報告。該公司通過與CoreAVI合作，為Imagination GPU的應用開發提供功能安全方面的關鍵輔助。

通過IMG DXS GPU，Imagination展現了其在汽車行業中多年積累的經驗與前瞻性思維相結合的能力，由此打造出經過硅驗證的、精心定制以滿足客戶需求的IP。與其它GPU供應商不同，IMG DXS GPU的分布式功能安全機制說明了只有真正專注于汽車市場的需求，并根據現代計算器件的特點開展創新，才能實現用于汽車應用的處理器的各項能力上：從該公司基于硬件虛擬化的性能到其高質量的GPU設計以及高覆蓋率帶來的安全。

IMG DXS 中分布式安全機制特點總結如下：

• ECC/奇偶校驗檢測內存錯誤
• 看門狗檢測硬件死鎖并局部重置邏輯
• 雙核鎖步執行應用于固件控制器以確保任務調度器正確運行
• 功能特定復制作為局部邏輯鎖步以提升置信度
• 調度器互鎖阻止GPU對錯誤的工作負載切換請求作出響應
• 流水線一致性用于檢查數據風險，以及因錯誤數據或處理故障導致的流水線停滯
• 循環冗余校驗為總線接口提供保護，并檢查壓縮圖塊數據的完整性
• 分塊區域保護（TRP）消除雙渲染時不必要的重復
• 安全對通過本地產生的測試向量發送至處理流水線，并在流水線的自然空閑時間內比較結果
• 多樣化看門狗定時器檢測GPU鎖死或性能下降

參考英文原文：https://blog.imaginationtech.com/safety-without-compromise-in-automotive