高性能、高安全：Imagination DXS GPU 重塑車載計算

 在近期（2024年9月11日）舉行的發(fā)布會上，Imagination Technologies 推出了其最新的 GPU IP 產品，強調了在功能安全和計算性能方面的重大突破。Imagination車載GPU產品總監(jiān)，章政先生向業(yè)界介紹了公司最新研發(fā)的車載 GPU 產品——DXS GPU。他表示，該產品專為汽車市場設計，以滿足不斷增長的自動駕駛和智能座艙的需求。而這款新一代 GPU 將為汽車市場帶來更智能的駕駛體驗、更迅速的人機交互以及更豐富的娛樂功能，同時降低能耗。

章政先生表示，車載市場正以每年8%到10%的速度快速增長，尤其在ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）和車內人機界面 (HMI) 領域。隨著電氣化的推進，越來越多的新玩家進入市場，OEM 和 ODM 廠商也開始自主研發(fā)芯片，以滿足對高性能計算的需求。

傳統(tǒng)移動設備領域的芯片廠商也紛紛切入汽車市場，競爭日趨激烈。而在傳統(tǒng)的汽車架構之中，一般都采用分布式 ECU（電子控制單元）控制各個模塊，存在升級困難、布線復雜、成本高昂等問題。隨著電氣化的發(fā)展，汽車架構正逐漸向中央計算和虛擬化轉變。通過虛擬化技術，可以將多個 ECU 功能整合到一個計算單元中，并通過遠程升級 (OTA) 方式不斷更新功能，提升用戶體驗。

在當前的車載市場的大背景之下，章政進一步談到，Imagination作為一家擁有39年歷史的IP公司，一直致力于圖形處理器技術的研發(fā)。特別是在車載行業(yè)，Imagination已深耕超過二十年，自2004年與瑞薩合作推出首款車載產品以來，其GPU產品出貨量已達130億顆，其中3.95億顆器件被安裝在車輛中。

多年的技術積累讓Imagination在數(shù)字座艙、安全儀表盤和后排娛樂等方面提供了類似智能手機的視覺體驗，同時在功能安全和多任務處理方面為傳統(tǒng)和新興車廠提供了卓越的用戶體驗。Imagination的GPU架構之所以在汽車領域受到歡迎，是因為它能夠滿足車輛座艙顯示和自動駕駛計算的雙重需求。PowerVR GPU原生支持多達8個虛擬機，可以完成車上所有任務，同時提供高效的渲染和高性能的計算能力。不僅如此，Imagination與合作伙伴長期在功能安全領域投入，推出了針對汽車需求的XS產品線。該產品線不斷推出新功能，以更靈活的方式滿足功能安全需求，提高效率和安全性。研發(fā)過程遵循嚴格的V字型流程，確保產品質量。

在回顧了Imagination的技術積累和車載市場的發(fā)展之后，章政向各位隆重介紹了本次線下會的全新產品——Imagination DXS GPU。章政表示，新一代車載GPU產品將給汽車消費者帶來更智能的駕駛，更迅速的交互、更豐富的娛樂以及更低的電力消耗。

DXS GPU代表了Imagination在車載GPU領域的最新成就，它不僅是一款高性能的圖形處理器，能夠支持車內所有屏幕的娛樂和交互需求，而且在硬件性能上比前一代產品提升了50%。DXS GPU的推出，標志著Imagination在AI性能上的提升也遠超50%。

DXS GPU的設計理念完美契合了當前汽車架構從分布式向中央計算轉變的趨勢。它不僅提供了超越CPU的計算性能，而且在編程靈活性上遠遠超過了NPU和加速器SoC，這使得DXS GPU成為高性能中央計算的理想選擇。

DXS GPU最引人注目的創(chuàng)新之一是其全新的功能安全解決方案——分布式安全機制（DSM）。這一機制幾乎完全消除了傳統(tǒng)功能安全方案在性能和芯片面積上的損失，為車載GPU的安全性能樹立了新的標準。在車載應用中，功能安全是至關重要的。它確保了車輛的電子系統(tǒng)能夠在各種條件下穩(wěn)定運行，從而保障駕駛員、乘客和行人的安全。DXS GPU通過其創(chuàng)新的分布式安全機制，不僅提升了GPU的性能，同時也確保了功能安全，這對于自動駕駛和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的發(fā)展具有重要意義。

提到安全，如今隨著自動駕駛技術從實驗室走向現(xiàn)實，功能安全成為汽車行業(yè)關注的焦點。章政表示，在實驗室環(huán)境中，自動駕駛系統(tǒng)往往缺乏真實場景中的復雜性和風險因素，例如行人、障礙物等。然而，當自動駕駛汽車駛上街頭，功能安全變得至關重要，它直接關系到人員安全和車輛可靠性。

功能安全的核心目標是確保自動駕駛系統(tǒng)在面對潛在風險時，能夠按照預定的安全策略執(zhí)行，避免發(fā)生事故。任何自動駕駛系統(tǒng)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)的偏差，都可能導致無法預料的后果，這對于企業(yè)、家庭和個人都是無法承受的損失。因此，功能安全已成為汽車領域不可或缺的重要趨勢。

功能安全并非一刀切的標準，而是根據(jù)不同的安全風險等級劃分。例如，車載娛樂系統(tǒng)可能不需要嚴格的功能安全保障，而車身狀態(tài)顯示、行人識別等與安全直接相關的功能，則需要滿足高等級的功能安全要求。為了應對這些多樣化的需求，Imagination 提供了相應的解決方案，例如利用虛擬化技術來解耦不同安全等級的任務，確保關鍵安全功能不受其他非安全任務的影響，從而實現(xiàn)安全高效的自動駕駛體驗。

在討論功能安全之后，章政開始介紹全新發(fā)布的DXS GPU的性能。

他談到，DXS GPU在設計中引入了新的SPU單元，使其硬件性能提升了50%。DXS GPU采用5納米工藝節(jié)點，運行頻率更高，支持多核配置，四核配置下可達到1.5GHz主頻，提供9 TFLOOS FP32性能和32 TOPS int 8性能，同時處理288G像素每秒。DXS GPU的設計還考慮了高端制程大芯片良率問題，采用多小芯片（chiplet）封裝技術提高良率和設計靈活性。DXS GPU支持將兩個chiplet組合成一個GPU或單獨作為兩個獨立GPU使用，通過靈活的總線設計實現(xiàn)工作負載的均勻分配。

在SPU方面，DXS GPU進行了多項優(yōu)化，包括2D雙速紋理處理技術，以應對日益增長的紋理處理需求，提升性能。此外，針對Vulkan等游戲中小型任務的頻繁切換，DXS GPU改進了流水線數(shù)據(jù)主控，減少了任務切換時的性能損失，并更新了固件處理器以提高任務調度效率。

DXS GPU引入了可變分辨率渲染和ASTC HDR支持等新功能，顯著提升了游戲性能和效率。與傳統(tǒng)圖形處理相比，DXS GPU在硬件性能上高出競品四倍，在渲染類任務上單位面積性能高出競品兩倍，在計算為中心的圖形處理任務上單位面積性能高出競品28%。

在安全性方面，DXS GPU的分布式功能安全機制使功能安全相關的應用性能翻倍。DXS GPU在軟件和AI方面也有所提升，支持FP16半精度浮點計算和int 8精度計算，提供強大的AI計算能力。DXS GPU的生態(tài)系統(tǒng)基于開放標準，如OpenCL、Vulkan和one API，有利于降低研發(fā)成本和市場推廣。

DXS GPU的靈活性使其能夠通過虛擬化技術實現(xiàn)不同工作任務的和諧共存，如自動停車和ADAS功能。在安全性方面，DXS GPU致力于提供高可靠性的ADAS計算結果，并保證運行時的功能安全。

面對半導體技術的帶寬和工藝節(jié)點瓶頸，DXS GPU通過架構創(chuàng)新，如FP16功能和雙速率FP16單元，提高了AI工作負載的性能。DXS GPU還通過增加片上存儲，減少了系統(tǒng)產品的帶寬要求，降低了ADAS實現(xiàn)的限制。

在硬件之外，Imagination DXS GPU 通過一系列軟件優(yōu)化和庫的支持，極大地提升了 GPU 的易用性和性能，降低了開發(fā)者的門檻，使得廣泛的應用開發(fā)者能夠充分利用 DXS GPU 的強大性能。為了幫助開發(fā)者尤其是應用開發(fā)者充分利用 GPU 的性能，Imagination 開發(fā)了多種底層庫，包括幾何庫、BLAS庫（imgBLAS）、CNN庫（imgNN）以及專門處理車載工作的庫，如 FFT 庫（imgFFT）。這些底層庫經過大量軟件調優(yōu)，確保了在 Imagination GPU 上的效率最高。

另一方面，Imagination 認識到并非所有開發(fā)者都使用底層庫，因此將這些庫對接到 open API 上，并進行了優(yōu)化。作為 oneAPI 基金會的成員，Imagination 支持 oneAPI 的發(fā)展，并為基金會貢獻專業(yè)知識，加速其發(fā)展。此外，對于習慣使用其他框架的開發(fā)者，Imagination 提供了 PVRtune 工具，幫助他們在 DXS GPU 上分析框架和工作負載，發(fā)現(xiàn)性能瓶頸。另外，DXS GPU 支持計算機視覺等應用，如 ADAS 數(shù)據(jù)的預處理和后處理。Imagination 與 OEM、ODM 和領先供應商合作，確保這些應用能夠高效運行。同時，Imagination 遵循 UXL 基金會的標準，推動軟件在不同架構間的自由遷移，降低遷移成本。DXS GPU 在 AI 性能上同樣也實現(xiàn)了巨大飛躍，相較于前一代產品提升了近十倍。這一提升部分得益于硬件性能的增加（約 50%），但更多來自于軟件支持和協(xié)同，特別是在計算庫方面的 2 到 4 倍性能提升。通過優(yōu)化帶寬使用和片上內存，以及盡量保持計算在片上進行，DXS GPU 不僅節(jié)省了帶寬，還降低了能耗。

最后，Imagination DXS GPU 不僅是最強的車載功能安全 GPU，還通過軟件優(yōu)化和計算庫的增強，實現(xiàn)了硬件利用率的最大化。DXS GPU 提供了靈活的配置選項，滿足不同廠商的產品定位和性能要求。隨著計算庫的不斷進步，DXS GPU 能夠實現(xiàn)更多的 ADAS 工作，并支持靈活的 ADAS 算法，使客戶的產品更具可持續(xù)性。憑借 GPU 的可編程性和強大的算力，DXS GPU 能夠快速適應新的自動駕駛算法或功能，滿足市場和客戶的需求。