高性能GPU利用创新FuSa机制来确保汽车应用的绝对安全

随着智能驾驶不断普及和提升智能等级，GPU以其高性能并行处理和应用灵活性，正在智驾解决方案中得到广泛的应用。以Imagination Technologies公司在不久前推出的DXS GPU IP为例，该款专为汽车应用打造的GPU拥有丰富的全新特性，可以支持智驾芯片设计公司快速开发驾驶座舱、车载信息娱乐和驾驶辅助系统。该款GPU一经推出，其多项创新即引起了行业的广泛关注。

为了适用于智能汽车未来的需求，IMG DXS GPU继承了最新一代PowerVR GPU架构的可扩展性、灵活性和效率，提升了峰值性能，并部署了额外的计算硬件和软件，相比其前一代汽车GPU IP（IMG BXS），计算应用性能实现了多达10倍的提升。不过，IMG DXS CPU带给市场巨大影响的最重要创新在于其分布式功能安全机制和相应的安全套件，该机制和套级通过了极为严格的SGS主导的ASIL B功能安全（FuSa）认证，并可以根据客户的需求实现最为严格的ASIL D功能安全。

Imagination是汽车驾驶座舱和信息娱乐系统 GPU IP 的领先供应商，该公司的GPU IP一直占据全球ADAS控制器芯片的主要市场份额，而且随着汽车专用GPU架构在智驾芯片领域得到越来越多的芯片厂商的欢迎，可以升级到ASIL D的、但是边际成本极低的分布式功能安全机制尤其引人注目。随着驾驶辅助系统的自主性增加以及责任从驾驶员转移到机器，安全性（即故障的检测和处理）日益成为业界关注的问题。驾驶员、乘客和制造商需要相信汽车能够在合适的时间窗口内检测到故障，并在事故发生之前进行相应管理。

Imagination长期以来一直关注功能安全，例如该公司在其应用于汽车和多个领域的GPU中推出的HyperLane硬件隔离技术至今仍然是领先业内的硬件虚拟化技术。在此之外，该公司之前的几代产品拥有市场领先的硬件和软件机制（例如分区域保护），来减少实现功能安全目标所需的开销，但客户仍然觉得通过行业标准技术实现功能安全认证的成本过高。常见双核锁步（Dual-core lockstep）需要将核的硅面积（和成本）翻倍，而另一种常见的工作负载重复验证方法则使系统性能减半。

由于功能安全的成本，过去一些厂商为了降成本使用了未获得功能安全认证的器件，但是随着自动驾驶将主要安全责任从驾驶员转到机器设备之上，关键处理器的功能安全能力和认证就成为从主机厂、Tier-1厂商到器件提供商都必须有的能力。面对客户的需求，Imagination工程团队面临着新的挑战，需要发明一种实用的功能安全解决方案，而不像行业标准功能安全技术那样产生高昂的成本。通过发布全新的IMG DXS，Imagination向市场推出突破性的解决方案。

得益于分布式功能安全领域的创新，Imagination的处理器现在可以实现 ASIL-B认证，同时不会像传统方法那样带来功耗、性能和面积开销。IMG DXS战略性地在整个GPU核中部署了多种安全机制，从ECC到流水线一致性，以实现对单点故障的检测率超过90%。每个独立的机制都集中在测试核心的功能和行为重要性的小部分元素上。因此，分布式安全机制不仅减少了运行时间和面积开销，还能将故障定位到特定模块或电路——这是双核锁步无法实现的。

仅仅基于现有的安全机制的分布式安全方法不足以满足 ASIL 标准的要求。为了达到ASIL-B所要求的超过90%的单点故障检测率，Imagination需要找到一种不依赖于翻倍的硅面积或工作负载复制来进行故障检测的方法。为此，Imagination的工程团队开发了一种新的、受专利保护的“安全对”技术，该技术利用了当今处理器的内在并行性以及所有线程都具有自然空闲周期的事实。这些线程在空闲时间被组合成“安全对”，在此期间运行测试向量。通过比较这些测试的输出来检测差异（故障），并且建立了额外的安全网，以确保在所有情况下都能实现功能安全标准。

欲了解有关“安全对”技术的更多信息，请参阅我们的白皮书《分布式功能安全中的创新》。

通过将“安全对”纳入分布式安全机制中，Imagination的IP可以以比传统方法低2-3倍的开销来满足检测处理逻辑中错误的 ASIL-B 要求。而且，这不仅仅是可以用于GPU的技术；正如请参阅我们的白皮书《分布式功能安全中的创新》白皮书中所揭示的那样，它也非常适合用于CPU等处理器，因而是一个可以将整个汽车行业所采用多种处理器件的功能安全能力大幅度提升的重要创新。

Imagination在开发符合市场对各种安全需求的高质量解决方案方面拥有丰富的经验。其内部能力涵盖了多个领域和标准，并且整个设计流程强调设计质量，使其能够从初步设计到产品生命周期结束的整个过程中帮助客户。同时，这种设计流程和能力可以实现在客户的整个ASIL认证过程中都能全力支持客户，例如IMG DXS随附的安全包涵盖硬件安全手册、硬件安全案例报告、FMEDA（故障模式、效应和诊断分析）以及安全分析摘要报告。该公司通过与CoreAVI合作，为Imagination GPU的应用开发提供功能安全方面的关键辅助。

通过IMG DXS GPU，Imagination展现了其在汽车行业中多年积累的经验与前瞻性思维相结合的能力，由此打造出经过硅验证的、精心定制以满足客户需求的IP。与其它GPU供应商不同，IMG DXS GPU的分布式功能安全机制说明了只有真正专注于汽车市场的需求，并根据现代计算器件的特点开展创新，才能实现用于汽车应用的处理器的各项能力上：从该公司基于硬件虚拟化的性能到其高质量的GPU设计以及高覆盖率带来的安全。

IMG DXS 中分布式安全机制特点总结如下：

• ECC/奇偶校验检测内存错误
• 看门狗检测硬件死锁并局部重置逻辑
• 双核锁步执行应用于固件控制器以确保任务调度器正确运行
• 功能特定复制作为局部逻辑锁步以提升置信度
• 调度器互锁阻止GPU对错误的工作负载切换请求作出响应
• 流水线一致性用于检查数据风险，以及因错误数据或处理故障导致的流水线停滞
• 循环冗余校验为总线接口提供保护，并检查压缩图块数据的完整性
• 分块区域保护（TRP）消除双渲染时不必要的重复
• 安全对通过本地产生的测试向量发送至处理流水线，并在流水线的自然空闲时间内比较结果
• 多样化看门狗定时器检测GPU锁死或性能下降

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