多核是動(dòng)力系新一代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

雙核CPU在汽車(chē)電子系統(tǒng)中取得了快速的應(yīng)用，而系統(tǒng)軟硬件、電能消耗及散熱等也需要隨之作出相應(yīng)的改變。

今天汽車(chē)上采用的大多數(shù)微控制器基本都采用傳統(tǒng)的單核結(jié)構(gòu)，不過(guò)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)行業(yè)取得廣泛應(yīng)用的雙核處理器也將在汽車(chē)行業(yè)取得快速發(fā)展，并很快成為標(biāo)準(zhǔn)配置。動(dòng)力系統(tǒng)和安全系統(tǒng)已經(jīng)率先采用了雙核處理器，其他系統(tǒng)也逐漸開(kāi)始架構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

“多核其實(shí)是動(dòng)力系新一代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，”通用公司電子集成和軟件總監(jiān)Kent Helfrich說(shuō)。“在過(guò)去十年中，我們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊方面進(jìn)行了一些多核設(shè)計(jì)，現(xiàn)在我們正在將這些設(shè)計(jì)整合到一個(gè)芯片上。”

不過(guò)多核處理器在一些系統(tǒng)比如信息娛樂(lè)系統(tǒng)中的應(yīng)用還比較有限，但是有望在未來(lái)幾年里取得飛速增長(zhǎng)。芯片制造商預(yù)計(jì)在產(chǎn)品組合方面會(huì)有很大的變化。

飛思卡爾應(yīng)用于安全和動(dòng)力系統(tǒng)中的雙核處理器常常用于同步處理系統(tǒng)的冗余任務(wù)。

“我們預(yù)計(jì)到2015年多核處理器的市場(chǎng)容量會(huì)相當(dāng)大，大約占我們出貨量的一半，”瑞薩科技美國(guó)公司(RenesasTechnology America Inc.)汽車(chē)業(yè)務(wù)單元市場(chǎng)經(jīng)理Amrit Vivekanand說(shuō)。

與大多數(shù)電子設(shè)計(jì)一樣，軟體是電子控制設(shè)計(jì)師面臨的最大挑戰(zhàn)。要想認(rèn)識(shí)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(dān)的任務(wù)明確地區(qū)分開(kāi)。

大多數(shù)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(guò)因?yàn)閮?nèi)存訪問(wèn)和其他一些問(wèn)題會(huì)稍微影響雙核的速度，因此這兩種處理器的時(shí)鐘速率很相近。不過(guò)分段不好的程序也影響處理器的性能。

“如果程序的分段沒(méi)有做好的話，你很難享受到性能方面的優(yōu)勢(shì)，也就很難獲達(dá)到性能提升的目標(biāo)，”STMicroelectronics公司汽車(chē)微控制器市場(chǎng)經(jīng)理JulienFabregues說(shuō)。

信息娛樂(lè)系統(tǒng)需求的增加將使瑞薩科技公司到2015年多核出貨量增加50%。

在汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，整車(chē)廠和一級(jí)供應(yīng)商都是自己做段碼的工作，而不是依賴操作系統(tǒng)或其他軟件工具。這對(duì)一些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其重要，比如動(dòng)力系統(tǒng)和安全系統(tǒng)，因?yàn)檫@些系統(tǒng)中的指令在有需求的時(shí)候必須準(zhǔn)確無(wú)誤地啟動(dòng)。

“現(xiàn)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(nèi)核。這就存在著一個(gè)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，”Helfrich說(shuō)。通用技術(shù)人員 Michael Grimes指出這種方式(稱為靜態(tài)分配)形成了一種固定模式。“計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的操作系統(tǒng)采用的是動(dòng)態(tài)分配方式，系統(tǒng)決定采用哪個(gè)內(nèi)核運(yùn)行代碼，”他說(shuō)。 “而我們是自己決定0內(nèi)核做什么，1內(nèi)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(guān)鍵問(wèn)題，但這并不是說(shuō)硬件工程師的工作就簡(jiǎn)單了，只要升級(jí)一下就可以了。當(dāng)兩個(gè)處理器同時(shí)存在于一個(gè)硅片上時(shí)，電能消耗、時(shí)鐘速度及電磁干擾等方面的特性是完全不一樣的。

存儲(chǔ)問(wèn)題也同樣非常重要。硅片空間基本都是用于存儲(chǔ)和處理器工作。閃存一般占用一半的空間，而增加一個(gè)處理器內(nèi)核，占用的空間只有5%，Grimes說(shuō)。

為了提高閃存的使用效率，設(shè)計(jì)人員必須采用可以保證每個(gè)內(nèi)核在需要的時(shí)候都可以讀取數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分配方案——而這些數(shù)據(jù)必須是最新的。這就是存儲(chǔ)管理需要登場(chǎng)的時(shí)候了。

“ 從存儲(chǔ)方面來(lái)看，你需要一個(gè)智能存儲(chǔ)控制器以及智能預(yù)讀緩存，”Fabregues說(shuō)。

安全系統(tǒng)部件如氣囊將推動(dòng)STMicroelectronics業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)

從另外一方面來(lái)說(shuō)，工程師還需要弄清楚他們想通過(guò)第二個(gè)內(nèi)核完成怎樣的工作。在一些應(yīng)用中，比如信息娛樂(lè)，內(nèi)核負(fù)責(zé)不同的工作。但是在動(dòng)力系和安全系中，許多處理器都執(zhí)行相同的程序，以提供容錯(cuò)性。

“在許多安全應(yīng)用方面，處理器按順序先后運(yùn)行，這是滿足ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的最有效方式，”Fabregues說(shuō)。

專門(mén)為該應(yīng)用設(shè)計(jì)的芯片須擁有特有的邏輯關(guān)系，可以比較每一個(gè)處理器的結(jié)果。“要針對(duì)鎖步操作對(duì)芯片進(jìn)行專門(mén)的設(shè)計(jì)，邏輯關(guān)系負(fù)責(zé)結(jié)果的對(duì)比，這樣可以迅速識(shí)別出發(fā)生的錯(cuò)誤，”飛思卡爾(Freescale Semiconductors)汽車(chē)微控制器總監(jiān)Ray Cornyn說(shuō)。

能耗與熱量

熱量與能耗管理方面的挑戰(zhàn)并不會(huì)因?yàn)殡p核處理器的采用而消失。這些問(wèn)題其實(shí)是雙核處理器應(yīng)用的推動(dòng)因素，不過(guò)時(shí)鐘速度的提高也導(dǎo)致了能耗需求的提高，以及系統(tǒng)溫度的提高。

雙核芯片較低的時(shí)鐘速度在動(dòng)力系中表現(xiàn)良好。較低的時(shí)鐘速度也讓雙核芯片比單核芯片更具優(yōu)勢(shì)。“動(dòng)力系統(tǒng)工作溫度很高，芯片的運(yùn)轉(zhuǎn)速度肯定沒(méi)有在室溫下那么快，”Grimes說(shuō)。

在汽車(chē)上其他系統(tǒng)中，工程人員更關(guān)心電控盒數(shù)量的減少。在許多汽車(chē)上擁有大量控制器的情況下，每一個(gè)模塊的需求只要稍微降低一點(diǎn)就可以節(jié)省大量的能耗。

“能耗將成為一個(gè)很大的問(wèn)題，尤其對(duì)電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，”英飛凌公司(InfineonTechnologies)汽車(chē)系統(tǒng)應(yīng)用工程師ChrisWunderlich表示。“你可以為了降低能耗而關(guān)掉一個(gè)處理器，而在需要的時(shí)候你還可以啟動(dòng)它而提高處理性能。”

Wunderlich還說(shuō)，在傳動(dòng)系統(tǒng)中，每一次換擋都會(huì)牽涉許多動(dòng)作。增加一個(gè)處理器可以在需要的時(shí)候打開(kāi)來(lái)處理這些工作，而在下一次換擋前關(guān)掉以節(jié)省能耗。

電子元器件的增加還帶來(lái)了其他一些問(wèn)題，如電磁耦合現(xiàn)象。EMC會(huì)影響車(chē)輛上芯片的運(yùn)行以及連接到車(chē)輛上的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，因此較低的時(shí)鐘速度可以帶來(lái)很多好處。

通用公司Ken Helfrich表示，軟件是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)朝雙核處理器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的主要問(wèn)題(如2010年Ecotec DI渦輪發(fā)動(dòng)機(jī))。

“如果你為了提高系統(tǒng)運(yùn)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(gè)EMC多幾個(gè)數(shù)量級(jí)，”Vivekanand說(shuō)。他指出在一些應(yīng)用中如娛樂(lè)信息系統(tǒng)，雙核處理器可以讓工程師將時(shí)鐘速度提高一倍，而能耗卻沒(méi)有提升那么多，因此并不會(huì)增加太多的能耗。

雖然雙核處理器在未來(lái)幾年里依然會(huì)是計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的主流架構(gòu)，但是汽車(chē)工程師已經(jīng)開(kāi)始在汽車(chē)領(lǐng)域計(jì)劃采用更多的處理器。當(dāng)然性能更高的多核處理器可能也不會(huì)在未來(lái)幾年里就會(huì)應(yīng)用到汽車(chē)上，不過(guò)已經(jīng)有公司開(kāi)始展開(kāi)相關(guān)的研發(fā)項(xiàng)目并尋求合作事宜。

“大概一年半多前我們就同大陸公司開(kāi)始討論為汽車(chē)制動(dòng)和底盤(pán)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)三核處理器，”Cornyn透露道。