在設計需要低延時和高能效的可擴展系統和應用時，汽車制造商可以從數據中心那里獲益良多

Microchip Technology Inc.

USB和網絡業務部

產品營銷經理

Daniel Leih

納入高級駕駛輔助系統（ADAS）功能如今已成為汽車設計提高安全性和易用性的一個重要方面。制造商正在尋求打造具有更高自動化水平的汽車，并最終實現完全自動駕駛（AD）。

ADAS和AD加上用戶對信息娛樂和個性化的期望不斷提高，意味著汽車正在逐漸演變成為移動數據中心。因此，軟件定義汽車（SDV）所需的關鍵硬件元素（IC、電路板或模塊）之間的通信對于成功運營至關重要。事實上，現在有些汽車已經包含超過1億行代碼，而Straits Research預計到2030年汽車軟件市場的規模將達到近580億美元，復合年增長率為14.8%。

軟件充滿了復雜性以及實時處理來自各種視覺系統傳感器（如攝像頭、雷達、激光雷達和超聲波）的大量數據帶來了不小的挑戰。例如，圖1表明汽車行業使用的傳統通信基礎設施和標準已經達到極限。以太網和控制器局域網（CAN）總線在未來的汽車架構中仍會占有一席之地，但必須進行補充以滿足高性能計算平臺（HPC）在ADAS和AD中嵌入人工智能（AI）和機器學習（ML）的需求。

圖1. 汽車正在成為車輪上的數據中心，因為ADAS必須實時處理來自不同類型傳感器的大量數據

¹ https://straitsresearch.com/report/automotive-software-market

PCIe®技術

外圍組件互連高速（PCIe）技術于2003年問世，旨在滿足計算行業的需求。現在，PCIe已部署在航空航天和汽車領域，被用于在必須符合DO-254標準的固件中實施安全關鍵型應用。

PCIe是一種點對點雙向總線，作為一種混合串行總線，它可以在單通道或2、4、8或16條并行通道中實施，以實現更大的帶寬。此外，每代PCIe的性能也都在不斷提升。圖2展示了PCIe的演變情況。

圖2. PCIe®的性能演變

PCIe已經在一些汽車應用中得到使用，它大約是在第4.0代投入使用。隨著第6.0代技術的性能提升，其數據傳輸速率為64 GTps，如果使用16個通道，則總帶寬可達到128 GBps。現在正是采用PCIe的大好時機，值得注意的是，PCIe還提供了向后兼容性。

汽車正在成為車輪上的數據中心，我們來考慮在這樣一個前提下為什么將PCIe用于陸基數據中心。

高性能、低功耗

數據中心由一個或多個服務器和外設組成，其中包括存儲設備、網絡組件和I/O，以支持云中的HPC。PCIe于當今的高性能處理器中發揮作用，成為在服務器與外設之間建立低延時、高速連接的理想總線。

例如，非易失性存儲器標準（NVMe）專門設計用于通過PCIe接口與閃存配合使用。基于PCIe的NVMe固態硬盤（SSD）比使用SATA接口的SSD提供更快的讀/寫速度。確實，所有的存儲系統，無論是SSD還是機械硬盤，都無法提供復雜的AI和ML應用所需的性能。

通過PCIe在服務器中運行的應用程序之間提供低延時，這對云性能的提升有直接幫助。這意味著PCIe將被嵌入到處理器和NVMe SSD以外的組件當中。它還與許多組件一起，為云與訪問云的系統之間提供網關。要注意的是，雖然汽車本身正在成為移動數據中心，但它們也將成為“智慧城市”之間移動的節點。

從功耗角度來看，NVMe在數據中心的使用也備受青睞。例如，美國能源部估計一個大型數據中心（擁有數萬臺設備）需要超過100 MW的電力，而這足以供8萬戶家庭的電力使用。而與同等規模的SATA SSD相比，NVMe SSD消耗的電量不到其三分之一。

在汽車領域，功耗無疑是一個重要因素，尤其是對于電動汽車（EV），會直接影響到續航里程。事實上，汽車工程師（尤其是電動汽車設計師），越來越關注尺寸、重量和功耗（SWaP）問題。鑒于未來實施ADAS可能需要高達1 kW的功率，而且還需要液冷系統來進行熱管理，所以這并不奇怪。

但同樣，我們有機會借鑒其他領域的經驗。幾十年來，航空航天工業一直在設計滿足嚴格的SWaP和成本（SwaP-C）要求的產品，并且電源等液冷線路可更換單元（LRU）已在某些軍事平臺中使用了十多年之久。

從何處開始？

多年以來，數據中心一直在發揮PCIe硬件的優勢，因為它們希望針對不同的工作負載來優化系統。它們還擅長開發采用不同協議的互連系統；例如，將PCIe用于對時間要求不高的通信（如以太網用于地理上分散的系統）。

在汽車環境中，那些“對時間要求不高”的通信包括傳感器之間的遙測和照明控制。它們不一定需要PCIe，但在執行實時處理且相距僅幾厘米的IC之間，需要使用PCIe來進行短距離、更高數據量的通信。因此，優化的ADAS/AD系統很可能需要囊括以太網、CAN、SerDes以及PCIe。

與以太網不同，不存在特定的汽車PCIe標準，但這并沒有限制其近年來在汽車應用中的使用。同樣，航空航天PCIe標準的缺失也沒有阻止大型航空航天/國防企業（始終致力于追求SWaP-C優勢）在安全關鍵型應用中使用該協議。

由于解決方案必須針對互操作性和可擴展性進行優化，PCIe也在逐漸成為汽車行業首選的計算機互連解決方案，為CPU和專用加速器設備提供超低延時和低功耗的帶寬可擴展性。雖然還沒有出臺特定的汽車PCIe標準，但半導體供應商正在努力讓PCIe進一步在嚴苛的汽車環境中大放光彩。

² https://www.eia.gov/outlooks/aeo/

圖 3. 低延時、低功耗和連接性能出色的PCIe®交換芯片

例如，2022年，Microchip推出了業界首款符合Gen 4要求的汽車級PCIe交換芯片。這些交換芯片被稱為Switchtec™ PFX、PSX和PAX，可提供ADAS架構中分布式、實時、安全關鍵型數據處理所需的高速互連。除了這些交換芯片外，該公司還提供其他基于PCIe的硬件，包括NVMe控制器、NVRAM驅動器、重定時器、重驅動器和定時解決方案，以及基于閃存的FPGA和SoC。

最后，汽車行業必須考慮的另一件事是數據中心將資本支出視為一種對未來年金進行投資的方式。到目前為止，大多數汽車OEM一直認為資本支出具有一次性回報（在購買時），這對于硬件來說行之有效。誠然，大多數OEM會不時對軟件更新收費，但SDV的商業模式需要全盤重新考慮。單純關注硬件的物料清單成本已不合時宜。

總結

為了提高汽車的自動化水平，汽車需要成為一個高性能計算的“車輪上的數據中心”，處理來自各種傳感器的大量數據。慶幸的是，HPC已然成熟，成為高頻交易（HFT）和云的AI/ML應用程序的核心。經過驗證的硬件架構和通信協議（如PCIe）就擺在面前。這意味著汽車制造商可以從數據中心的HPC實施方式中受益匪淺。

由于AWS、Google和其他云服務提供商多年來一直在開發和優化其HPC平臺，因此大部分硬件和軟件可以在需要時信手拈來。汽車制造商可以坐享這些現有的HPC架構，而不用重新發明，從零開始來打造解決方案。

參考資料

1.  https://straitsresearch.com/report/automotive-software-market