在当今汽车智能化的浪潮中，选择安全可靠的处理器对汽车制造商来说至关重要。随着汽车电气化的进展，自动驾驶、车内人机界面（HMI）和高级驾驶辅助系统（ADAS）对算力和安全性的要求日益提高，尤其是自动驾驶功能的逐渐普及，功能安全的重要性日益突出。而对于算力的要求，除了CPU，GPU同样也是关系到从ADAS到HMI的各种用户体验。

Imagination日前推出DXS GPU IP，专为处理驾驶舱、信息娱乐和高级驾驶辅助系统中的图形和计算工作负载而打造。该处理器在分布式安全性方面引入了多项新的创新，消除了在Imagination处理器上实现ASIL-B等级功能安全的额外开销。目前，该产品已经获得了汽车市场的使用许可。  

日前，Imagination车载GPU产品线的产品总监章政和Imagination 资深产品总监Stephen Spain，专程从英国来华，介绍这款新品，也证明了Imagination对于中国市场的重视。

玩家越来越多，要求越来越高

章政指出，随着汽车电气化的推进，汽车芯片市场正经历巨变。包括OEM和ODM，以及其他新玩家，都在车载处理器领域进行创新。

目前，随着区域架构概念的兴起，ECU越来越模块化，并且支持OTA，在这种趋势下，中央计算和虚拟化的概念对算力有了更高要求；另外多屏、大屏的趋势也推动显示性能的提升；更重要的是，功能安全正在成为一大趋势。在单芯片中要同时运行不同安全等级的任务。

与此同时，随着车厂对于成本的把控，双芯片方案正在向单芯片方案迁移，同时芯片内部也要尽量优化PPA，从而节约尺寸和成本。

在这一系列需求变革过程中，GPU越来越成为芯片的关键。

从功能安全（FUSA）谈起

功能安全（Functional Safety，FUSA）是确保系统在出现故障时仍能安全运行的关键技术。对于自动驾驶系统和ADAS，功能安全至关重要，因为这些系统的任何错误都可能导致严重的交通事故，功能安全等级从ASIL-A到ASIL-D要求依次提高。FUSA的核心目标是在故障发生时，确保系统的主要功能能够继续运行，或者在不可恢复的情况下安全地停机。

在传统的功能安全设计中，双核锁步（Dual-Core Lockstep，DCLS）和工作负载重复是常见的解决方案。双核锁步通过在两个相同的核心上运行相同的工作负载，并对比其结果来检测错误。这种方法虽然能够有效地满足ASIL-D级别的安全要求，但代价是大幅增加芯片面积，通常为原始面积的两倍。另外，工作负载重复方法则是通过对同一个任务进行多次执行，来确保结果的准确性，但这会显著降低系统性能。

Imagination的创新：分布式安全机制

传统的双核锁步和工作负载重复方法无法兼顾性能、面积和功耗（PPA）。Imagination的DXS GPU采用了其专利的分布式安全机制（DSM），通过在GPU的多个子模块中分散部署安全检测逻辑，实现对功能安全的全面覆盖，而不会带来显著的性能损失或芯片面积增加。

Imagination专门在分布式功能安全的创新与突破白皮书中，介绍了多项核心创新点。

Imagination的核心创新点

安全对（Safety Pairs）： Imagination在其DXS GPU中通过创建“安全对”机制，将并行执行的相同硬件模块进行配对，在其空闲周期内执行测试向量以检测硬件故障。GPU通常包含许多并行的计算单元，如算术逻辑单元（ALU），这些单元可以在不影响主任务执行的情况下，使用测试向量检测其工作是否正常。这种方法利用了GPU内固有的并行性，确保每个模块在空闲时间被检查而不会影响正常计算。

空闲周期窃取（ICS，Idle Cycle Stealing）： 由于现代GPU和CPU往往无法在每个时钟周期都完全利用所有计算资源，因此Imagination利用这些空闲周期来执行安全检测任务。这意味着在不中断实际工作负载执行的情况下，硬件可以自动检测并修复故障。通过ICS机制，GPU可以在工作负载执行期间以低开销方式进行故障检测，从而显著降低了整体系统的功耗和面积。

测试向量生成与执行： 在Imagination的DSM中，测试向量并不是预先存储的，而是通过线性反馈移位寄存器（LFSR）生成的伪随机测试向量。这种方法能够在极小的面积开销下生成高效的测试数据集，并确保对大部分故障进行覆盖。测试向量会在GPU的多个模块上运行，检查各个模块的输入和输出数据是否一致，并通过较小的校验电路实时比对结果。这种方法不仅节省了面积，还减少了功耗。

分布式故障检测与报告： 当检测到故障时，DSM会通过分布式的故障报告机制，迅速将错误反馈给中央处理单元或系统控制器。这样可以保证在故障发生后，系统能够快速反应并进行相应的处理，比如重新启动相关模块或采取故障安全模式。在Imagination的设计中，这种分布式的检测与报告机制极大地提高了系统的响应速度和故障定位精度。

DSM带来了哪些可量化优势？

Imagination详细量化介绍了DSM的性能提升，可以看出DXS确实是目前最为领先的GPU IP。

降低面积与功耗开销：Imagination的DSM通过利用硬件的空闲周期进行测试，仅增加了10%左右的面积开销，几乎不会影响GPU的整体性能，相比于双核锁步增加一倍面积，或者工作负载重复降低的系统性能而言，有着绝对的优势。由于DSM在设计上高度优化，其功耗相比传统方法显著降低，特别适合对能效有严格要求的汽车电子系统。

更高的故障检测覆盖率： 通过安全对和空闲周期窃取技术，Imagination的FUSA架构能够有效检测到超过90%的单点故障，符合ASIL-B和ASIL-D的要求。同时，Imagination的测试向量生成与执行方法确保了系统可以在非常短的时间内完成故障检测，保证了系统的实时性和安全性。

灵活的可编程性： DXS GPU具备高度的可编程性，能够根据不同应用场景的需求进行灵活调整。无论是在图形处理、ADAS数据处理还是HMI交互，DXS都能够通过其虚拟化功能和多核架构，动态分配计算资源。同时，由于DXS支持多达8个虚拟机，可以在同一硬件上运行多个操作系统，大大提升了系统的灵活性。

先进的可扩展性：算力可从单核0.25 TFLOPS的配置，扩展到1.5 TFLOPS的处理能力，这意味着该处理器的峰值性能比Imagination上一代汽车GPU IP提高了50%。Imagination独特的多核技术可实现两核、三核和四核配置，而内核之间的低带宽总线和对隔离的支持，也使IMG DXS可适用于多晶粒芯片（chiplet）。

章政表示，Imagination的DSM技术已经申请了多项专利，这些专利确保了Imagination在汽车GPU功能安全领域的技术领先地位，也为其客户提供了强有力的技术保障。

DXS GPU加强汽车驾驶体验

随着汽车行业向智能化迈进，Imagination的DXS GPU以其强大的计算能力和创新的分布式安全机制，满足了自动驾驶和高级辅助驾驶系统对功能安全的严格要求。DXS不仅显著减少了实现功能安全的开销，还提高了整个系统的性能，为未来汽车提供了一个安全、可靠的GPU解决方案。

无论是在车载显示和HMI中所需的虚拟化，还是ADAS和自动驾驶中所需的高效AI算力，DXS都能够以高效且安全的方式执行，同时Imagination还提供了包括安全包，包括硬件安全手册、硬件安全案例报告、FMEDA（故障模式影响和诊断分析）和安全分析摘要报告，并与CoreAVI合作开发Imagination GPU的安全关键驱动程序，通过一揽子方案方便客户完成ASIL-B直到ASIL-D的严苛要求。

正如Imagination首席产品官James Chapman在声明中表示，Imagination的汽车GPU不仅因其渲染能力而广受欢迎，同时也因其计算能力备受青睐。