Výběr a použití FPGA pro automobilová rozhraní, zabezpečení a výpočetně náročná zatížení
Contributed By DigiKey's North American Editors
2022-01-12
Tradičně byly výpočetní úlohy v automobilech prováděny mikrokontrolérovými jednotkami (MCU) a aplikačními procesory (AP). Typické vozidlo střední třídy může obsahovat 25 až 35 MCU/AP, zatímco luxusní vozy jich mohou zaměstnávat až 70 i více. Automobily vyžadují stále častěji extrémně sofistikované, výpočetně náročné schopnosti pro takové úkoly, jako jsou pokročilé asistenční systémy pro řidiče (ADAS), infotainment, ovládání, sítě a zabezpečení. Mnohé z těchto aplikací zahrnují strojové vidění ve formě zpracování obrazu a videa ve spojení s umělou inteligencí (AI).
Samotná architektura procesoru se snaží zvládnout všechna elektrická rozhraní a protokoly, které vyžadují periferní zařízení, jako jsou senzory, kamery a displeje. V mnoha případech tyto procesory také jednoduše nemohou uspokojit extrémní výpočetní požadavky úloh, jako je strojové vidění a AI.
K tomu, aby se konstruktéři automobilových systémů s touto složitostí vypořádali, obracejí se na programovatelná hradlová pole (FPGA), nikoli kvůli tomu, aby nahradila stávající MCU/AP, ale spíše aby fungovala jako mosty mezi nimi a jinými zařízeními a rozšířila je odlehčením komunikace a dalších výpočetně náročných úkolů.
Protože FPGA mohou být naprogramována tak, aby podporovala širokou škálu elektrických rozhraní a protokolů, mohou fungovat jako mosty mezi MCU/AP a senzory, kamerami a displeji. Vzhledem k tomu, že mohou provádět výpočty a operace masivně paralelním způsobem, mohou být FPGA použita také k provádění výpočetně náročného zpracování obrazu a úloh AI, čímž uvolní hostitelské procesory pro jiné činnosti.
V tomto článku se pojednává o požadavcích na zpracování moderních vozidel a jsou zde popsány některé automobilové aplikace, které lze řešit pomocí FPGA. Poté je zde představeno několik příkladů FPGA od společnosti Lattice Semiconductor a ukázáno, jak je lze použít k řešení problémů s konektivitou, zpracováním a zabezpečením. Také jsou zde uvedeny související vývojové desky, které mají konstruktérům pomoci začít.
Zaměřte se v automobilových aplikacích na FPGA
K podpoře funkcí ADAS využívají dnešní automobily mnoho senzorů vně vozidla, včetně kamer, radaru, technologie LiDAR a ultrazvukových detektorů. V mnoha případech je nutné vzít data z různých senzorů, předběžně je zpracovat (odstranit šum a naformátovat je podle potřeby) a použít fúzi senzorů ke spojení dat tak, aby výsledné informace měly menší nejistotu, než by bylo možné, kdyby měla být data z různých senzorů použita jednotlivě. V mnoha případech se k analýze dat, rozhodování a přijímání vhodných akcí používají aplikace AI.
Relativně nedávným trendem je nasazení elektronických (také známých jako „digitálních“) zpětných zrcátek. V tomto případě je uvnitř zadního okna instalována širokoúhlá kamera s vysokým rozlišením. Videostream z této kamery se zobrazuje na digitálním displeji, který nahrazuje tradiční zrcátko, což vede k jasnému výhledu dozadu, který neruší cestující na zadních sedadlech. V některých případech mohou být videostreamy z kamer namontovaných na bočních zrcátkách sloučeny s videostreamem z kamery zadního okna. Tyto tři kanály se „spojují dohromady“, aby poskytly jeden obraz, který je prezentován na superširokoúhlém elektronickém zrcátku, čímž poskytuje řidiči mnohem vyšší stupeň povědomí o situaci, která se děje kolem vozidla.
Dalším trendem poslední doby je nasazení kamer v kabině namontovaných na palubní desce, na sloupku řízení nebo integrovaných do zpětného zrcátka (běžného nebo elektronického). Ve spojení s umělou inteligencí lze tato zrcátka v kabině používat pro širokou škálu úkolů, jako je rozpoznání, kdo sedí na sedadle řidiče, a podle toho seřízení sedadla a zrcátek. Kromě sledování řidičů k zajištění, že věnují pozornost vozovce a neusínají, může takový systém také vyhledávat známky ospalosti a zdravotních problémů nebo úzkostí, jako je epileptický záchvat nebo srdeční záchvat, a podnikat vhodné akce. Tyto akce mohou zahrnovat aktivaci výstražných světel, použití brzd a navedení vozidla k okraji vozovky. Mezi další aplikace patří zajištění, aby malé děti a domácí mazlíčci nezůstali omylem bez dozoru na zadních sedadlech tím, že vozidlo nepůjde zamknout, a rozblikání světel a upozornění řidiče, pokud cestující nechá na zadním sedadle něco jako telefon, tašku nebo balíček.
Pokud jde o aplikace založené na videu, je v některých případech nutné rozdělit jeden videovstup do více streamů. V jiných případech může být požadavkem návrhu agregovat více videostreamů do jednoho.
S rostoucím nasazením elektrických vozidel (EV) přichází potřeba monitorovat a ovládat motory a monitorovat a řídit proces nabíjení, aby se dosáhlo maximální životnosti baterie.
Navíc k tomu všemu začíná mnoho dnešních automobilů podporovat 5G nebo V2X, kde V2X („vozidlo se vším“) označuje komunikaci mezi vozidlem a jakoukoli jinou entitou, která může ovlivnit (nebo jím být ovlivněna) od silniční infrastruktury po jiná vozidla. Spolu s touto konektivitou přichází potřeba zabezpečení, aby se zabránilo hacknutí vozidla.
Zařízení pro automobilový průmysl
Je důležité si uvědomit, že ne všechna FPGA jsou vhodná pro automobilové aplikace. Automotive Electronics Council (AEC) je organizace původně založená v 90. letech 20. století společnostmi Chrysler, Ford a GM za účelem stanovení společných standardů kvalifikace dílů a systémů kvality. Jedním z nejčastěji uváděných dokumentů AEC je standard AEC-Q100, „Kvalifikace zátěžového testu pro integrované obvody založená na mechanismu selhání“.
IATF 16949:2016 je technická specifikace zaměřená na vývoj systému managementu kvality, který zajišťuje neustálé zlepšování, klade důraz na prevenci defektů a snižování odchylek a plýtvání v dodavatelském řetězci a montážním procesu automobilového průmyslu. Na základě standardu ISO 9001 vytvořila International Automotive Task Force (IATF, mezinárodní pracovní skupina pro automobilový průmysl) a technický výbor ISO normu IATF 16949:2016.
Dodavatelé elektronických systémů pro automobilový trh stále více vyžadují, aby dodavatelé polovodičů poskytovali produkty vyhovující normě AEC-Q100 a mohli prokázat certifikaci ISO/TS-16949 svých systémů kvality.
Výběr správného FPGA pro daný účel
FPGA jsou extrémně flexibilní, ale různé řady zařízení nabízejí různé kombinace možností a funkcí, díky nimž se lépe hodí pro konkrétní úkoly. V případě aplikací vestavěného vidění například moderní kamery a displeje často využívají rozhraní MIPI. Oba protokoly MIPI CSI-2 (kamera/snímač) a DSI (displej) využívají komunikační fyzickou vrstvu (PHY) nazývanou D-PHY. Starší MCU/AP možná toto rozhraní nepodporují, ale některá FPGA ano, jako například vestavěné vidění CrossLink-NX a procesorové FPGA od společnosti Lattice Semiconductor.
Kromě dvou odolných čtyřproudových transceiverů MIPI D-PHY podporujících 10 Gbit/s na PHY podporují zařízení CrossLink-NX také PCIe 5 Gbit/s, programovatelné vstupy/výstupy (I/O) 1,5 Gbit/s a DDR3 1 066 Mbit/s. Tato zařízení podporují také tradiční elektrická rozhraní a protokoly, jako je nízkonapěťová diferenciální signalizace (LVDS), Sub-LVDS (verze LVDS se sníženým napětím), Open LVDS Display Interface (OLDI) a sériové gigabitové rozhraní nezávislé na médiích (SGMII). Výsledkem je, že tato zařízení lze použít pro agregaci videostreamů, rozdělování videostreamů, spouštění aplikací AI a – při tom všem – mohou také fungovat jako mosty mezi staršími MCU/AP a moderními senzory a displeji.
Vývojáře automobilových systémů, kteří chtějí vyhodnotit FPGA CrossLink-NX, bude zajímat kombinace vstupní desky snímače VIP CrossLink-NX LIFCL-VIP-SI-EVN (obrázek 1) a modulární sada vestavěného vidění LF-EVDK1-EVN (první zmíněné zařízení může fungovat jako vstupní deska pro druhé). Kromě FPGA CrossLink-NX obsahuje vstupní deska snímače také čtyři 13megapixelové obrazové snímače Sony IMX258 CMOS MIPI s podporou rozlišení 4K2K při 30 snímcích za sekundu nebo rozlišení 1080p při 60 snímcích za sekundu. Podporuje také snadné připojení snímačů prostřednictvím tří nezávislých rozhraní PMOD.
Obrázek 1: Vstupní deska snímače VIP CrossLink-NX, která může fungovat jako vstup pro vývojovou sadu vestavěného vidění, obsahuje FPGA CrossLink-NX a podporuje agregaci čtyř obrazových snímačů MIPI Sony IMX258. (Zdroj obrázku: společnost Lattice Semiconductor)
Pro výpočetně náročné aplikace, které také vyžadují velkou šířku pásma I/O – jako je AI pro úkoly jako rozpoznávání a ovládání gest, rozpoznávání a ovládání hlasu, detekce lidské přítomnosti, identifikace cestujících a monitorování řidičů – jsou FPGA ECP5 společnosti Lattice vybavena až 3,2Gbit/s serializérem/deserializérem (SERDES), až čtyřmi kanály na zařízení ve dvoukanálových blocích pro vyšší granularitu, až 85 000 vyhledávacích tabulek (LUT), bloky vylepšeného digitálního zpracování signálu (DSP), které poskytují 2× vylepšení zdrojů pro symetrické filtry, a podporou SEU (Single Event Upset, „chyby jedné události“). Tato FPGA také poskytují programovatelnou I/O podporu pro rozhraní LVCMOS 33/25/18/15/12, XGMII, LVTTL, LVDS, Bus-LVDS, 7:1 LVDS, LVPECL a MIPI D-PHY I/O.
Příkladem zařízení ECP5 je model LFE5U-85F-6BG554C s 84 000 logickými prvky, 3,75Mbity paměti RAM a 259 I/O. Zajímavostí je také vývojová sada ECP5 Versa LFE5UM-45F-VERSA-EVNG (obrázek 2). Deska využívá tvarový faktor PCI Express (PCIe) poloviční délky a umožňuje konstruktérům vyhodnotit klíčové funkce konektivity FPGA ECP5, včetně PCIe, gigabitového ethernetu (GbE), DDR3 a generického výkonu SERDES.
Obrázek 2: Vývojová sada ECPe Versa, prezentovaná ve formátu PCI Express poloviční délky, umožňuje konstruktérům vyhodnotit klíčové funkce konektivity FPGA ECP5, včetně PCIe, GbE, DDR3 a generického výkonu SERDES. (Zdroj obrázku: společnost Lattice Semiconductor)
Zabezpečení automobilů pomocí FPGA
Bezpečnostní ohrožení hackery se zvyšuje a neustále dochází k novým narušením. V případě automobilů by kybernetický útok mohl způsobit ztrátu kontroly, což by mělo za následek zranění nebo smrt cestujících a chodců a poškození automobilu, jiných vozidel a majetku.
Velkou součástí řešení zabezpečení automobilu je vytvoření služby Root of Trust (RoT), tedy hardwarového prostředku v systému, kterému lze vždy důvěřovat. Jedním z řešení je hardwarový RoT (HRoT) založený na FPGA, jako je ten, který poskytuje řada zařízení MachXO3D společnosti Lattice. Kromě značných zdrojů LUT a velkého počtu I/O nabízejí tato zařízení založená na paměti flash možnosti okamžitého zapnutí a připojení za chodu. Mezi univerzální aplikace patří lepidlová logika, přemostění sběrnice, rozhraní sběrnice, řízení motoru, řízení zapínání a další aplikace řídicí logiky.
Obzvláště zajímavá je skutečnost, že model MachXO3D je jediné FPGA se schopností duálního spouštění a méně než 10 000 LUT, které je vybaveno pevným modulem Immutable Security Engine certifikovaným institutem NIST („National Institute of Standards and Technology“, národním institutem pro standardy a technologie). To modelu MachXO3D umožňuje fungovat jako HRoT automobilu ve formě zařízení, které je v systému první zapnuto a poslední vypnuto. Když je systém zapnutý, zařízení MachXO3D nejprve zkontroluje, zda běží ověřený firmware. Poté zkontroluje firmware ostatních zařízení v systému. Pokud je některá ze součástí systému napadena nebo kompromitována, včetně sebe sama, zařízení MachXO3D odmítne podezřelý firmware a znovu nahraje tuto součást ověřenou bitovou kopií firmwaru, o které je známo, že je dobrá.
Pro ty vývojáře, kteří se zajímají o hodnocení návrhů založených na zařízení MachXO3D, poskytuje vývojová deska LCMXO3D-9400HC-D-EVN MachXO3D rozšiřitelnou platformu pro prototypování (obrázek 3). Deska obsahuje zařízení pro správu hardwaru L-ASC10 (analogové snímání a ovládání), univerzální I/O rozhraní pro použití s deskami Arduino a Raspberry Pi, dvě pozice patice Hirose FX12-40 (DNI), patici Aardvark (DNI) a 128Mbit sériové periferní rozhraní (SPI) flash s funkcí čtyřnásobného čtení.
Obrázek 3: Vývojová deska MachXO3D obsahuje FPGA MachXO3D, zařízení pro správu hardwaru L-ASC10 (analogové snímání a řízení), podporu desek Arduino a Raspberry Pi, dvě pozice patice Hirose FX12-40 (DNI), patici Aardvark a připojení USB-B pro programování zařízení. (Zdroj obrázku: společnost Lattice Semiconductor)
Deska je dodávána ve formátu 4 × 6 palců (10 × 15 cm) a je vybavena konektorem USB mini-B pro napájení a programování a několika pozicemi patice podporujícími Arduino, Aardvark, FX12, Hirose a Raspberry Pi. Součástí balení je jak USB kabel, tak stručná příručka.
Závěr
Moderní automobilová elektronika vyžaduje stále rostoucí počet senzorů, elektrických rozhraní a protokolů s odpovídajícími nároky na výpočetní výkon a šířku pásma. Přidání AI a zpracování strojového vidění, stejně jako bezpečnostní požadavky, komplikuje implementaci řešení využívajících klasické přístupy s MCU nebo AP.
Jak je ukázáno, vhodnou aplikací FPGA mohou konstruktéři přidat určitý stupeň flexibility a výpočetního výkonu, který může přemostit různorodá procesní prostředí, provádět funkce agregace a fúze senzorů, řešit požadavky na šířku pásma I/O a provádět výpočty a operace masivně paralelním způsobem a zároveň uvolnit hostitelské procesory pro jiné činnosti.
Pro zabezpečení může FPGA založené na paměti flash se schopností duálního spouštění a modulem Immutable Security Engine s certifikací NIST fungovat jako HRoT automobilu a zajistit, že na něm – a na dalších zařízeních – bude spuštěn pouze ověřený firmware, čímž se zabrání hackerům kryptograficky kompromitovat systémy automobilu.
K dalšímu čtení:

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.