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Cadence精心打點芯片、電路板到應(yīng)用系統(tǒng)的每一步

本文作者：任苙萍點擊： 2017-05-16 15:35

前言：

智能車關(guān)鍵推手3：仿真擬態(tài)＆系統(tǒng)驗證

自動駕駛太前衛(wèi)？高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 過于平凡無奇？事實是：因為自駕車的氣候漸成，ADAS 的重要性，已然來到一個新境界！楷登電子 (Cadence) 亞太區(qū)系統(tǒng)解決方案總監(jiān)張永專表示，自動駕駛或無人車正如火如荼地展開：日本、新加坡已局部試行無人車；蘋果 (Apple) 公司日前取得在加州道路測試自動駕駛汽車的許可；特斯拉 (Tesla) 則認為全自動駕駛功能的行車安全性超過真人駕駛，而在去年底宣布旗下包括 Model 3 在內(nèi)的所有車款，皆會搭載全自動駕駛功能所需的硬設(shè)備……。

照片人物：楷登電子 (Cadence) 亞太區(qū)系統(tǒng)解決方案總監(jiān)張永專

ADAS 大躍進，自動駕駛不可同日而語
種種跡象表明：ADAS 已真切進入我們的日常生活中！這些趨勢性轉(zhuǎn)變，對汽車供應(yīng)鏈影響甚巨，亦為生態(tài)系帶來巨大潛在商機。例如＂道路辨識＂，需要用到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Convolutional Neural Network, CNN) 技術(shù)，就與人工智能 (AI) 密不可分；輔以車聯(lián)網(wǎng) (V2X) 與諸多應(yīng)用，高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 將能直接介入駕駛習(xí)慣。因此，部分汽車制造商和一級 (Tier 1) 供貨商正積極研發(fā)自主系統(tǒng)單芯片 (SoC)，有些基于產(chǎn)品差異化目的、不惜砸重金投資 ADAS 軟件；而半導(dǎo)體業(yè)者為跟上時代脈動，必須提出相應(yīng)解決方案，甚至打造專用 ADAS 與傳感器平臺。

不論動機為何，上述景象都離不開設(shè)計仿真與系統(tǒng)驗證的參與，以達成下列目標：1.優(yōu)化特定區(qū)塊的功耗或效能；2.將通用處理變身為特定應(yīng)用處理；3.深度學(xué)習(xí)，將傳統(tǒng)編程模式進階為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Neural Network)；4.適當?shù)闹秦?(IP)、工具和流程可提升功能安全性、信息保全和可靠度。＂我們的強項即在于通過電子設(shè)計自動化 (EDA) 工具、流程、模型方法、IP、服務(wù)及生態(tài)系的整合，協(xié)助用戶將概念轉(zhuǎn)化成實體芯片，最后形成完整的應(yīng)用系統(tǒng)＂，張永專點出 Cadence 優(yōu)勢。

＂Protium＂助陣模擬加速與 FPGA 原型制作
他進一步說明，汽車更需要整合電源、影音、布線和擴充性等＂系統(tǒng)級方案＂的支持。單是 ADAS 運算類型，就涉及車載雷達、影像辨識、數(shù)據(jù)融合、車聯(lián)網(wǎng)和視頻等數(shù)字信號處理，才能提高雨雪天候等特殊應(yīng)用情境的辨識精準度，而可編程的 FPGA 往往是設(shè)計產(chǎn)品原型常用的工具。為此，Cadence 為 FPGA 早期原型驗證發(fā)布＂Protium＂解決方案；除了聚焦單一 FPGA 原型系統(tǒng)的 Protium G1，另有面向 SoC 全芯片設(shè)計的 Protium S1，可在模擬加速和 FPGA 原型驗證之間取得平衡，具有三大好處：
1. 原型迅速上線：Protium S1 以獨特頻率處理，高端內(nèi)存模型建立及實現(xiàn)能力，將上線時間從數(shù)月縮短為數(shù)日，大幅提前固件開發(fā)時程；
2. 編譯流程一致：Protium S1 與＂Palladium Z1＂平臺共享編譯流程，現(xiàn)階段編譯環(huán)境的重復(fù)利用率最高可達 80%，且兩套平臺具有前端一致性、可擴充多版系統(tǒng)；
3. 創(chuàng)新軟件除錯：提升韌體及軟件產(chǎn)能，包括內(nèi)存后門存取、跨區(qū)波形、強制與釋出 (force / release)，運行頻率控制。

圖1：Protium S1 平臺包括一流的核心引擎、驗證架構(gòu)技術(shù)和解決方案，可滿足各種應(yīng)用和垂直領(lǐng)域的設(shè)計質(zhì)量和吞吐量驗證要求
數(shù)據(jù)源：Cadence官網(wǎng)

Protium S1 平臺是基于 Cadence＂系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)＂(System Design Enablement, SDE) 策略發(fā)展的 Verification Suite 新成員，搭載先進核心引擎、驗證架構(gòu)技術(shù)及用于提升設(shè)計質(zhì)量與產(chǎn)能的解決方案。張永專進一步說明，配合 Palladium Z1 硬件仿真加速器，與為 IP 及子系統(tǒng)原型推出的快速驗證平臺，將＂軟／硬件設(shè)計、原型、IP 與驗證＂無縫結(jié)合，可運用于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化并依需求規(guī)格運算、認知以提升辨識率，準確偵測物體；輔以影像及視覺演算，能實現(xiàn) 360°環(huán)景、車道偏移追蹤和行人偵測。此外，Cadence 還與合作伙伴共同研發(fā)影像除霧 (fog removal)、畫面縮放及低光源處理技術(shù)。

＂安全性＂與＂功能性＂是智能車兩大主軸
Cadence ADAS 快速原型系統(tǒng)可應(yīng)用在 SoC／系統(tǒng)封裝 (SiP)／模塊系統(tǒng) (SoM)、Linux BSP 應(yīng)用板，以及電子后視鏡、全景攝影和車輛功能展示等應(yīng)用，進而開發(fā)出符合期待的＂夢幻芯片＂。順帶一提的是，Tensilica 原本就在信息娛樂系統(tǒng) (Infotainment) HiFi 影音擁有眾多 IP 專利，并入 Cadence 旗下后，對車載資娛 SoC、數(shù)字廣播、音頻處理、主動噪聲消除和語言引擎設(shè)計可謂如虎添翼；與此同時，Cadence 亦對車用以太網(wǎng)絡(luò) (Automotive Ethernet) 的 IP 設(shè)計與驗證、軟／硬件協(xié)同到原型制作、物理信道仿真以及相關(guān)工具套件著墨甚深。

Allegro & Sigrity 則是針對電子控制單元 (ECU) 電路板布局、分析的利器。今年初推出的最新 Sigrity 2017 產(chǎn)品組合，更導(dǎo)入多項有助于加速 PCB 電源及信號完整性簽核 (sign-off) 的重要功能，包括＂Allegro PowerTree＂拓撲檢視及編輯器，以便讓 EE 或電源工程師在設(shè)計初期迅速確實地評估供電路徑、電源供應(yīng)、IC 電流需求及被動組件損耗等設(shè)置，并且將 DC 與 AC 所要求的電源規(guī)范一同設(shè)定后交由 PI 或布線工程師執(zhí)行分析與修改。它還提供包括經(jīng)由 AMM (分析模型管理器) 模型庫管理功能；用戶可存儲主被動組件模型，在設(shè)計組件重復(fù)使用時，能從模型庫自動檢索并藉由程序自動化相助加速電源設(shè)計與簽核驗證。

圖2：Allegro Sigrity 將電源完整性工具 (包括簽核和優(yōu)化選項) 集成到單一解決方案
數(shù)據(jù)源：Cadence官網(wǎng)

除電源完整性分析，更在 Automotive Ethernet 100Base-T 驗證設(shè)計提供符合規(guī)范的設(shè)計套件，讓車用電子設(shè)計者在效能與成本間快速取得平衡。針對板級 ESD 防范與設(shè)計，通過 SPEED2000 將分析流程標準化快速設(shè)置符合規(guī)定靜電放電模型，能觀察能量路徑并找出不利于靜電宣泄熱點，更明確指出 ESD 修改方向。Cadence Allegro & Sigrity 從電源分析設(shè)計，SI 到 ESD 都是車用電子在 ECU 設(shè)計中所不能或缺的工具，并協(xié)助 ECU 模塊在最短時間取得相關(guān)認證。除了尋常的電路分析外，＂安全性＂無疑是汽車應(yīng)用的一大門坎。

依規(guī)定，欲取得 ISO 26262 標準資格的組件供貨商，其開發(fā)工具亦須通過 ISO 26262 正式評估，才能取得車輛安全完整性等級 (ASIL)。此類強制性的法規(guī)要求，勢必需要新的工具、流程和專業(yè)輔助，方可將＂安全性＂與＂功能性＂的驗證流程緊密結(jié)合。

ISO 26262 認證審查包括 EDA 工具，Cadence 率先提供入場券
為此，Cadence 積極成為經(jīng)國際認證單位 TÜV SÜD 評估認可、符合 ISO 26262 標準之綜合工具信賴水平合規(guī)性的 EDA 供貨商。張永專解說，利用合于規(guī)范 (TCL) 的軟件工具仿真，可以自動模擬產(chǎn)生所有致命缺陷，再據(jù)以運算出缺陷率 (detective rate)；這個缺陷率數(shù)值，關(guān)系到最終的 ISO 26262 ASIL 安全等級，而相應(yīng)文件是否完善齊全將是關(guān)鍵。Cadence 模擬／混合信號工具鏈、數(shù)字前端設(shè)計與驗證流程，有超過 30 種通過 TCL1 規(guī)范工具，結(jié)合數(shù)字實現(xiàn)與簽核流程，用于完整 ISO 26262 開發(fā)生命周期。

表：Cadence 因應(yīng) ISO 26262 認證之解決方案

流程	Cadence 解決方案
數(shù)字前端設(shè)計與驗證	Incisive 企業(yè)仿真器
	Palladium Z1 硬件驗證仿真平臺
	Protium 快速原型建立平臺
	Incisive vManager 解決方案
	JasperGold 應(yīng)用
	Genus 解決方案
	Encounter Conformal
模擬／混合信號設(shè)計、實施與驗證	Virtuoso 套件
模擬／混合信號設(shè)計、實施與驗證	Spectre 電路仿真平臺
數(shù)字設(shè)計實現(xiàn)與簽核	Innovus 設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)
數(shù)字設(shè)計實現(xiàn)與簽核	Modus 測試解決方案

數(shù)據(jù)源：Cadence；筆者整理

類似＂生產(chǎn)履歷溯源＂的概念，Cadence 車用工具和 Tensilica IP 皆具備 ASIL-B Ready 資格，加上有了數(shù)字前端設(shè)計與驗證、模擬／混合信號設(shè)計、實施與驗證，以及數(shù)字設(shè)計實現(xiàn)與簽核三大流程的護持，此后汽車制造商不須再耗費精力和時間去評估要使用哪些軟件工具才適用或擔心所使用的工具是否經(jīng)過資格確認，Cadence SPB 應(yīng)用工程資深經(jīng)理林謂昌補充，以往汽車制造商只需關(guān)心電子驅(qū)動機械功能是否正常，然而在智能車時代，還要考慮各式電子主動偵測和演算；而模擬、數(shù)字混合信號的設(shè)計與驗證，將確保機械驅(qū)動的正確性。

林謂昌舉例，當 ADAS 偵測到車道偏移，如果要讓方向盤發(fā)出振動警示，必須從影像偵測，演算判斷，進而通過控制信號將電能轉(zhuǎn)換成機械能；此時，如何降低混合信號的噪聲干擾就是一大挑戰(zhàn)，而 ECU 之間傳遞信號所用非屏蔽雙絞線的編織方式、差動信號抗噪能力等相關(guān)設(shè)計就不得輕忽，以確保信號正確及終端機械動作精準性。隨著車用影音質(zhì)量要求提升與自駕車所需 AI 大量運算數(shù)據(jù)傳遞等，車用 Ethernet 從 100Base-T 也將提升到 1000Base-T；這將使 ECU 之間鏈接所需傳輸媒介設(shè)計挑戰(zhàn)提升，包括非屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線。

照片人物：Cadence SPB 應(yīng)用工程資深經(jīng)理林謂昌

若長度過長造成信號因銅損耗而破壞就必須加入 repeater 解決；這無疑提升車用電子設(shè)計難度與成本提升。他并提到，車用電子設(shè)計分析與一般消費性電子產(chǎn)品有別。車用電子模塊是組裝于較大車體上，結(jié)合分布于整車的各式影像、雷達偵測；整合車體的天線設(shè)計、EMI 與熱分析會加大設(shè)計難度。模擬分析所常用熱及電磁網(wǎng)格切割演算與所謂divide and conquer (解構(gòu)與整合) 技術(shù)應(yīng)用非常重要。Cadence Sigrity 結(jié)合過去電磁綜效運算與專利 3D 解構(gòu)與整合電磁模型及熱模型提取 (Extraction) 技術(shù)，巧妙運用于熱傳及高低頻率電磁分析，大幅降低車電相關(guān)分析的困難。

＂這些橫跨電子、機械的應(yīng)用，對非專業(yè)領(lǐng)域的人員來說，可能是一大壓力；而合乎法規(guī)流程的 EDA 工具，正好能為設(shè)計者填補此一需求缺口＂，林謂昌強調(diào)。另一方面，由于汽車電子須來回多次測試，委外開發(fā)常須花費 3～4 年的時間，但若改成自主開發(fā)因更能貼近個別需求，可縮短為 1～2 年。

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