汽車電子多核處理器即將帶來種種挑戰

雙核CPU在汽車電子系統中取得了快速的應用，而系統軟硬件、電能消耗及散熱等也需要隨之作出相應的改變。

今天汽車上采用的大多數微控制器基本都采用傳統的單核結構，不過已經在計算機行業取得廣泛應用的雙核處理器也將在汽車行業取得快速發展，并很快成為標準配置。動力系統和安全系統已經率先采用了雙核處理器，其他系統也逐漸開始架構的轉變。

“多核其實是動力系新一代的產品設計標準，”通用公司電子集成和軟件總監Kent Helfrich說。“在過去十年中，我們在發動機控制模塊方面進行了一些多核設計，現在我們正在將這些設計整合到一個芯片上。”

不過多核處理器在一些系統比如信息娛樂系統中的應用還比較有限，但是有望在未來幾年里取得飛速增長。芯片制造商預計在產品組合方面會有很大的變化。

“我們預計到2015年多核處理器的市場容量會相當大，大約占我們出貨量的一半，”瑞薩科技美國公司（RenesasTechnology America Inc.）汽車業務單元市場經理Amrit Vivekanand說。

與大多數電子設計一樣，軟體是電子控制設計師面臨的最大挑戰。要想認識到雙核處理器提升的速度，有必要將單核和雙核這兩種處理器各自承擔的任務明確地區分開。

大多數芯片制造商表示，雙核處理器的速度大約是單核的1.7倍，不過因為內存訪問和其他一些問題會稍微影響雙核的速度，因此這兩種處理器的時鐘速率很相近。不過分段不好的程序也影響處理器的性能。

“如果程序的分段沒有做好的話，你很難享受到性能方面的優勢，也就很難獲達到性能提升的目標，”STMicroelectronics公司汽車微控制器市場經理JulienFabregues說。

在汽車應用領域，整車廠和一級供應商都是自己做段碼的工作，而不是依賴操作系統或其他軟件工具。這對一些系統來說尤其重要，比如動力系統和安全系統，因為這些系統中的指令在有需求的時候必須準確無誤地啟動。

“現在，我們不得不把一部分代碼分給0處理器，把另外一部分分給1內核。這就存在著一個轉換的問題，”Helfrich說。通用技術人員Michael Grimes指出這種方式（稱為靜態分配）形成了一種固定模式。“計算機領域的操作系統采用的是動態分配方式，系統決定采用哪個內核運行代碼，”他說。“而我們是自己決定0內核做什么，1內核又做什么。”

硬件的改變

雖然軟件有可能是多核處理器的關鍵問題，但這并不是說硬件工程師的工作就簡單了，只要升級一下就可以了。當兩個處理器同時存在于一個硅片上時，電能消耗、時鐘速度及電磁干擾等方面的特性是完全不一樣的。

存儲問題也同樣非常重要。硅片空間基本都是用于存儲和處理器工作。閃存一般占用一半的空間，而增加一個處理器內核，占用的空間只有5%，Grimes說。

為了提高閃存的使用效率，設計人員必須采用可以保證每個內核在需要的時候都可以讀取數據的系統分配方案——而這些數據必須是最新的。這就是存儲管理需要登場的時候了。

“ 從存儲方面來看，你需要一個智能存儲控制器以及智能預讀緩存，”Fabregues說。

從另外一方面來說，工程師還需要弄清楚他們想通過第二個內核完成怎樣的工作。在一些應用中，比如信息娛樂，內核負責不同的工作。但是在動力系和安全系中，許多處理器都執行相同的程序，以提供容錯性。

“在許多安全應用方面，處理器按順序先后運行，這是滿足ISO26262標準的最有效方式，”Fabregues說。

專門為該應用設計的芯片須擁有特有的邏輯關系，可以比較每一個處理器的結果。“要針對鎖步操作對芯片進行專門的設計，邏輯關系負責結果的對比，這樣可以迅速識別出發生的錯誤，”飛思卡爾（Freescale Semiconductors）汽車微控制器總監Ray Cornyn說。

能耗與熱量

熱量與能耗管理方面的挑戰并不會因為雙核處理器的采用而消失。這些問題其實是雙核處理器應用的推動因素，不過時鐘速度的提高也導致了能耗需求的提高，以及系統溫度的提高。

雙核芯片較低的時鐘速度在動力系中表現良好。較低的時鐘速度也讓雙核芯片比單核芯片更具優勢。“動力系統工作溫度很高，芯片的運轉速度肯定沒有在室溫下那么快，”Grimes說。

在汽車上其他系統中，工程人員更關心電控盒數量的減少。在許多汽車上擁有大量控制器的情況下，每一個模塊的需求只要稍微降低一點就可以節省大量的能耗。

“能耗將成為一個很大的問題，尤其對電動車來說，”英飛凌公司（InfineonTechnologies）汽車系統應用工程師ChrisWunderlich表示。“你可以為了降低能耗而關掉一個處理器，而在需要的時候你還可以啟動它而提高處理性能。”

Wunderlich還說，在傳動系統中，每一次換擋都會牽涉許多動作。增加一個處理器可以在需要的時候打開來處理這些工作，而在下一次換擋前關掉以節省能耗。

電子元器件的增加還帶來了其他一些問題，如電磁耦合現象。EMC會影響車輛上芯片的運行以及連接到車輛上的消費類電子產品，因此較低的時鐘速度可以帶來很多好處。

“如果你為了提高系統運行性能將處理器頻率從200MHz增加到400MHz，電磁輻射的增加非常明顯——比單個EMC多幾個數量級，”Vivekanand說。他指出在一些應用中如娛樂信息系統，雙核處理器可以讓工程師將時鐘速度提高一倍，而能耗卻沒有提升那么多，因此并不會增加太多的能耗。

雖然雙核處理器在未來幾年里依然會是計算機市場的主流架構，但是汽車工程師已經開始在汽車領域計劃采用更多的處理器。當然性能更高的多核處理器可能也不會在未來幾年里就會應用到汽車上，不過已經有公司開始展開相關的研發項目并尋求合作事宜。

“大概一年半多前我們就同大陸公司開始討論為汽車制動和底盤系統開發三核處理器，”Cornyn透露道。