自動駕駛太前衛？高級駕駛輔助系統 (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) 亞太區系統解決方案總監張永專表示，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 在內的所有車款，皆會搭載全自動駕駛功能所需的硬設備……。
照片人物：楷登電子 (Cadence) 亞太區系統解決方案總監張永專
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！這些趨勢性轉變，對汽車供應鏈影響甚巨，亦為生態系帶來巨大潛在商機。例如＂道路辨識＂，需要用到卷積神經網絡 (Convolutional Neural Network, CNN) 技術，就與人工智能 (AI) 密不可分；輔以車聯網 (V2X) 與諸多應用，高級駕駛輔助系統 (ADAS) 將能直接介入駕駛習慣。因此，部分汽車制造商和一級 (Tier 1) 供貨商正積極研發自主系統單芯片 (SoC)，有些基于產品差異化目的、不惜砸重金投資 ADAS 軟件；而半導體業者為跟上時代脈動，必須提出相應解決方案，甚至打造專用 ADAS 與傳感器平臺。
種種跡象表明：ADAS 已真切進入我們的日常生活中！這些趨勢性轉變，對汽車供應鏈影響甚巨，亦為生態系帶來巨大潛在商機。例如＂道路辨識＂，需要用到卷積神經網絡 (Convolutional Neural Network, CNN) 技術，就與人工智能 (AI) 密不可分；輔以車聯網 (V2X) 與諸多應用，高級駕駛輔助系統 (ADAS) 將能直接介入駕駛習慣。因此，部分汽車制造商和一級 (Tier 1) 供貨商正積極研發自主系統單芯片 (SoC)，有些基于產品差異化目的、不惜砸重金投資 ADAS 軟件；而半導體業者為跟上時代脈動，必須提出相應解決方案，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計仿真與系統驗證的參與，以達成下列目標：1.優化特定區塊的功耗或效能；2.將通用處理變身為特定應用處理；3.深度學習，將傳統編程模式進階為神經網絡 (Neural Network)；4.適當的智財 (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計自動化 (EDA) 工具、流程、模型方法、IP、服務及生態系的整合，協助用戶將概念轉化成實體芯片，最后形成完整的應用系統＂，張永專點出 Cadence 優勢。
＂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、數據融合、車聯網和視頻等數字信號處理，才能提高雨雪天候等特殊應用情境的辨識精準度，而可編程的 FPGA 往往是設計產品原型常用的工具。為此，Cadence 為 FPGA 早期原型驗證發布＂Protium＂解決方案；除了聚焦單一 FPGA 原型系統的 Protium G1，另有面向 SoC 全芯片設計的 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，高端內存模型建立及實現能力，將上線時間從數月縮短為數日，大幅提前固件開發時程；
2. 編譯流程一致：Protium S1 與＂Palladium Z1＂平臺共享編譯流程，現階段編譯環境的重復利用率最高可達 80%，且兩套平臺具有前端一致性、可擴充多版系統；
3. 創新軟件除錯：提升韌體及軟件產能，包括內存后門存取、跨區波形、強制與釋出 (force / release)，運行頻率控制。
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、數據融合、車聯網和視頻等數字信號處理，才能提高雨雪天候等特殊應用情境的辨識精準度，而可編程的 FPGA 往往是設計產品原型常用的工具。為此，Cadence 為 FPGA 早期原型驗證發布＂Protium＂解決方案；除了聚焦單一 FPGA 原型系統的 Protium G1，另有面向 SoC 全芯片設計的 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，高端內存模型建立及實現能力，將上線時間從數月縮短為數日，大幅提前固件開發時程；
2. 編譯流程一致：Protium S1 與＂Palladium Z1＂平臺共享編譯流程，現階段編譯環境的重復利用率最高可達 80%，且兩套平臺具有前端一致性、可擴充多版系統；
3. 創新軟件除錯：提升韌體及軟件產能，包括內存后門存取、跨區波形、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、驗證架構技術和解決方案，可滿足各種應用和垂直領域的設計質量和吞吐量驗證要求
數據源：Cadence官網
Protium S1 平臺是基于 Cadence＂系統設計實現＂(System Design Enablement, SDE) 策略發展的 Verification Suite 新成員，搭載先進核心引擎、驗證架構技術及用于提升設計質量與產能的解決方案。張永專進一步說明，配合 Palladium Z1 硬件仿真加速器，與為 IP 及子系統原型推出的快速驗證平臺，將＂軟／硬件設計、原型、IP 與驗證＂無縫結合，可運用于卷積神經網絡的優化并依需求規格運算、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 360°環景、車道偏移追蹤和行人偵測。此外，Cadence 還與合作伙伴共同研發影像除霧 (fog removal)、畫面縮放及低光源處理技術。
＂安全性＂與＂功能性＂是智能車兩大主軸
Cadence ADAS 快速原型系統可應用在 SoC／系統封裝 (SiP)／模塊系統 (SoM)、Linux BSP 應用板，以及電子后視鏡、全景攝影和車輛功能展示等應用，進而開發出符合期待的＂夢幻芯片＂。順帶一提的是，Tensilica 原本就在信息娛樂系統 (Infotainment) HiFi 影音擁有眾多 IP 專利，并入 Cadence 旗下后，對車載資娛 SoC、數字廣播、音頻處理、主動噪聲消除和語言引擎設計可謂如虎添翼；與此同時，Cadence 亦對車用以太網絡 (Automotive Ethernet) 的 IP 設計與驗證、軟／硬件協同到原型制作、物理信道仿真以及相關工具套件著墨甚深。
Cadence ADAS 快速原型系統可應用在 SoC／系統封裝 (SiP)／模塊系統 (SoM)、Linux BSP 應用板，以及電子后視鏡、全景攝影和車輛功能展示等應用，進而開發出符合期待的＂夢幻芯片＂。順帶一提的是，Tensilica 原本就在信息娛樂系統 (Infotainment) HiFi 影音擁有眾多 IP 專利，并入 Cadence 旗下后，對車載資娛 SoC、數字廣播、音頻處理、主動噪聲消除和語言引擎設計可謂如虎添翼；與此同時，Cadence 亦對車用以太網絡 (Automotive Ethernet) 的 IP 設計與驗證、軟／硬件協同到原型制作、物理信道仿真以及相關工具套件著墨甚深。
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 產品組合，更導入多項有助于加速 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 或電源工程師在設計初期迅速確實地評估供電路徑、電源供應、IC 電流需求及被動組件損耗等設置，并且將 DC 與 AC 所要求的電源規范一同設定后交由 PI 或布線工程師執行分析與修改。它還提供包括經由 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，在設計組件重復使用時，能從模型庫自動檢索并藉由程序自動化相助加速電源設計與簽核驗證。
圖2：Allegro Sigrity 將電源完整性工具 (包括簽核和優化選項) 集成到單一解決方案
數據源：Cadence官網
除電源完整性分析，更在 Automotive Ethernet 100Base-T 驗證設計提供符合規范的設計套件，讓車用電子設計者在效能與成本間快速取得平衡。針對板級 ESD 防范與設計，通過 SPEED2000 將分析流程標準化快速設置符合規定靜電放電模型，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 從電源分析設計，SI 到 ESD 都是車用電子在 ECU 設計中所不能或缺的工具，并協助 ECU 模塊在最短時間取得相關認證。除了尋常的電路分析外，＂安全性＂無疑是汽車應用的一大門坎。
依規定，欲取得 ISO 26262 標準資格的組件供貨商，其開發工具亦須通過 ISO 26262 正式評估，才能取得車輛安全完整性等級 (ASIL)。此類強制性的法規要求，勢必需要新的工具、流程和專業輔助，方可將＂安全性＂與＂功能性＂的驗證流程緊密結合。
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性的 EDA 供貨商。張永專解說，利用合于規范 (TCL) 的軟件工具仿真，可以自動模擬產生所有致命缺陷，再據以運算出缺陷率 (detective rate)；這個缺陷率數值，關系到最終的 ISO 26262 ASIL 安全等級，而相應文件是否完善齊全將是關鍵。Cadence 模擬／混合信號工具鏈、數字前端設計與驗證流程，有超過 30 種通過 TCL1 規范工具，結合數字實現與簽核流程，用于完整 ISO 26262 開發生命周期。
為此，Cadence 積極成為經國際認證單位 TÜV SÜD 評估認可、符合 ISO 26262 標準之綜合工具信賴水平合規性的 EDA 供貨商。張永專解說，利用合于規范 (TCL) 的軟件工具仿真，可以自動模擬產生所有致命缺陷，再據以運算出缺陷率 (detective rate)；這個缺陷率數值，關系到最終的 ISO 26262 ASIL 安全等級，而相應文件是否完善齊全將是關鍵。Cadence 模擬／混合信號工具鏈、數字前端設計與驗證流程，有超過 30 種通過 TCL1 規范工具，結合數字實現與簽核流程，用于完整 ISO 26262 開發生命周期。
表：Cadence 因應 ISO 26262 認證之解決方案
|
流程 |
Cadence 解決方案 |
|
數字前端設計與驗證 |
Incisive 企業仿真器 |
|
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 應用 |
|
|
Genus 解決方案 |
|
|
Encounter Conformal |
|
|
模擬／混合信號設計、實施與驗證 |
Virtuoso 套件 |
|
Spectre 電路仿真平臺 |
|
|
數字設計實現與簽核 |
Innovus 設計實現系統 |
|
Modus 測試解決方案 |
類似＂生產履歷溯源＂的概念，Cadence 車用工具和 Tensilica IP 皆具備 ASIL-B Ready 資格，加上有了數字前端設計與驗證、模擬／混合信號設計、實施與驗證，以及數字設計實現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過資格確認，Cadence SPB 應用工程資深經理林謂昌補充，以往汽車制造商只需關心電子驅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、數字混合信號的設計與驗證，將確保機械驅動的正確性。
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，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設計就不得輕忽，以確保信號正確及終端機械動作精準性。隨著車用影音質量要求提升與自駕車所需 AI 大量運算數據傳遞等，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計挑戰提升，包括非屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線。
照片人物：Cadence SPB 應用工程資深經理林謂昌
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計難度與成本提升。他并提到，車用電子設計分析與一般消費性電子產品有別。車用電子模塊是組裝于較大車體上，結合分布于整車的各式影像、雷達偵測；整合車體的天線設計、EMI 與熱分析會加大設計難度。模擬分析所常用熱及電磁網格切割演算與所謂divide and conquer (解構與整合) 技術應用非常重要。Cadence Sigrity 結合過去電磁綜效運算與專利 3D 解構與整合電磁模型及熱模型提取 (Extraction) 技術，巧妙運用于熱傳及高低頻率電磁分析，大幅降低車電相關分析的困難。
＂這些橫跨電子、機械的應用，對非專業領域的人員來說，可能是一大壓力；而合乎法規流程的 EDA 工具，正好能為設計者填補此一需求缺口＂，林謂昌強調。另一方面，由于汽車電子須來回多次測試，委外開發常須花費 3～4 年的時間，但若改成自主開發因更能貼近個別需求，可縮短為 1～2 年。
