剖析設(shè)計的幕后花絮：奧迪A8給我們的啟示
當(dāng)奧迪在 2017 年底推出其重新設(shè)計的 A8 轎車時，該公司吹捧它是汽車行業(yè)的首款 3 級汽車。當(dāng)時奧迪所面臨的技術(shù)問題和陌生的成本結(jié)構(gòu)，整個汽車行業(yè)現(xiàn)在都仍在面對。本文根據(jù)奧迪 A8 的拆解，對五個問題進(jìn)行了深刻解讀。
從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個角度來看，奧迪 A8 的最新拆解恰恰說明了，為什么實現(xiàn)更高等級的自動駕駛汽車比任何人最初預(yù)期的都難。因此，奧迪在 A8 上的經(jīng)驗現(xiàn)在仍然很重要。
當(dāng)奧迪在 2017 年底推出其重新設(shè)計的 A8 轎車時，該公司吹捧它是汽車行業(yè)的首款 3 級汽車。當(dāng)時奧迪所面臨的技術(shù)問題和陌生的成本結(jié)構(gòu)，整個汽車行業(yè)現(xiàn)在都仍在面對。本文根據(jù) System Plus Consulting 公司所做的這個拆解，對以下幾個問題進(jìn)行了深刻解讀：
實現(xiàn) 3 級汽車需要什么？
A8 傳感器套件中包括什么？
3 級汽車需要多大處理能力？
奧迪所謂的 zFAS 中央駕駛輔助控制器是由 GPU、SoC、CPU 或 FPGA 驅(qū)動的嗎？
zFAS 的成本是多少？
這可能對奧迪如何使用市場上已有的芯片實現(xiàn)了 3 級功能，并已在其他應(yīng)用中進(jìn)行了試驗和測試具有啟發(fā)性——尤其是與特斯拉相比，后者在兩年后（2019 年）推出了“全自動駕駛計算機(jī)”主板，其主要依賴于兩顆自產(chǎn)的自動駕駛芯片。
System Plus 拆解所包括的分析不僅僅包括逆向工程和確定硬件元素。該公司還進(jìn)行了“反向成本計算”，即估算一家公司在采購特定元器件和制造其產(chǎn)品上必須要花費多少成本。System Plus 的 A8 反向成本計算表明，zFAS 的成本有 60%（估計為 290 美元）是由半導(dǎo)體成本所推動的。這不足為奇，因為現(xiàn)代汽車中有 80%至 85%的內(nèi)容都是電子產(chǎn)品。但是，這項成本相對于總成本來說非常懸殊。
利潤
System Plus 的 CEO Romain Fraux 表示，真正令汽車 OEM 廠商感到震驚的是，沒有一家汽車公司有心理準(zhǔn)備，為每個元器件支付 50%的利潤——這是 Nvidia 和 Intel 等公司所要為其旗艦芯片解決方案收取的費用。這為汽車 OEM 廠商們開辟了一個全新的世界，促使他們?nèi)ブ匦滤伎紕?chuàng)建高度自動化的汽車的計算方法。
System Plus 的拆解/成本估算不包括自動駕駛汽車軟件開發(fā)的成本。但是，在 zFAS 中使用了 FPGA（Altera Cyclone）表明，奧迪試圖保留自己已經(jīng)開發(fā)的軟件資產(chǎn)。
在過去的 18 個月中，一些領(lǐng)先的 OEM 廠商開始暗示，他們希望按照特斯拉的方式設(shè)計自己的自動駕駛汽車芯片。這種方法可以使他們在硬件和軟件開發(fā)方面控制自己的命運。但是，鑒于芯片設(shè)計的高昂成本，目前尚不清楚汽車 OEM 廠商們是否能更好地獨自解決。
奧迪 A8 的另一個重要方面是，奧迪在所有汽車 OEM 廠商中向市場推出了第一款商用車，以顯示出實現(xiàn)自動駕駛的道路。
在 A8 推向市場時，其車內(nèi)的技術(shù)被稱為“自動駕駛突破”，其特色是名為 Traffic Jam Pilot 的系統(tǒng)。在啟用后，Traffic Jam Pilot 可以緩解駕駛員在處理走走停停交通時的麻煩。
但是，這些完美計劃自一開始就與困擾著 3 級車輛概念的“交接問題”（即當(dāng)計算機(jī)停滯時去提醒和吸引分心的人）相沖突。
如今，A8 出現(xiàn)在了大街上，但在現(xiàn)實世界中沒有一輛被激活和運行了其 3 級自動駕駛功能。
但是，奧迪并未因此而受到打擊。A8 向自動駕駛行業(yè)表明了它所面臨的挑戰(zhàn)。行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者們必須首先弄清各種監(jiān)管、技術(shù)、安全、行為和法律方面以及與業(yè)務(wù)相關(guān)的復(fù)雜性，然后才能吹噓無人駕駛汽車烏托邦式的未來。這部分解釋了為什么汽車 OEM 廠商、一級供應(yīng)商、芯片供應(yīng)商以及技術(shù)和服務(wù)公司（即 Waymo、Uber）在制定安全標(biāo)準(zhǔn)方面勢頭越來越大。
探究 A8 內(nèi)部
汽車制造商所面臨的挑戰(zhàn)將不再是提供從零到 100km/h 的最快速度或最佳加速，而是確保日益先進(jìn)的自動駕駛和輔助系統(tǒng)。這是奧迪 A8 對于 3 級自動駕駛功能的目標(biāo)，這款汽車也是世界首款使用激光雷達(dá)技術(shù)的汽車。
A8 的傳感器套件還包括攝像頭、雷達(dá)和超聲波傳感器。奧迪 A8 可自動管理在最擁擠道路上的行駛，而無需駕駛員干預(yù)。奧迪指出，駕駛員可以始終保持雙手不接觸方向盤，并可以根據(jù)當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)進(jìn)行其他活動，例如在車上看電視。車輛可以執(zhí)行大多數(shù)駕駛?cè)蝿?wù)，但仍然需要人工控制（圖 1）
圖 1：奧迪 A8 的關(guān)鍵要素。
Fraux 對奧迪 A8 內(nèi)的創(chuàng)新技術(shù)分析道：“奧迪是首款具有 3 級自動駕駛的汽車。安裝在奧迪 A8 上的 Traffic Jam Pilot 系統(tǒng)，使用了傳感器融合和世界上首款激光雷達(dá)，可以在交通緩慢的情況下在公路和高速公路上以高達(dá) 60km/h 的速度接管駕駛?！保ㄗⅲ旱牵?3 級功能迄今為止尚未啟用）
3級自動駕駛和計算平臺
數(shù)字技術(shù)可以承擔(dān)駕駛員所應(yīng)執(zhí)行的相同任務(wù)，同時提供更高的安全性和舒適性。長期目標(biāo)是擁有完全聯(lián)網(wǎng)的道路，即汽車智能網(wǎng)絡(luò)。這樣就可以減少交通擁堵和環(huán)境污染，并使安全性顯著提高。
無人駕駛正成為汽車界越來越重要的話題，有關(guān)該領(lǐng)域進(jìn)展和創(chuàng)新的新聞已提上議事日程。奧迪 A8 所使用的 3 級自動駕駛被定義為高度自動駕駛，該系統(tǒng)可使駕駛員不必再對車輛的縱向和橫向運動進(jìn)行連續(xù)控制。
Fraux 表示：“奧迪 A8 當(dāng)中包含各種傳感器和一個 zFAS 控制器，Aptiv 通過四個處理器芯片將它們組合在一起?！?zFAS（圖 2）是首款集中式計算平臺，即以一臺計算機(jī)作為中央樞紐，來對來自超聲傳感器（前、后和側(cè)面）、360° 攝像頭（前、后和側(cè)面鏡）、中程雷達(dá)（各個角度）以及遠(yuǎn)程雷達(dá)和位于車前的激光雷達(dá)的實況數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理。
圖 2：Aptiv zFAS 控制器。
zFAS 中的大量處理器
構(gòu)成該平臺的處理器有 Nvidia Tegra K1，它用于交通信號識別、行人檢測、碰撞警告、光檢測和車道識別。具有八層 PCB 的 Tegra K1 集成了 192 個 Cuda 內(nèi)核，這與 Nvidia 集成到市場上現(xiàn)有、支持 DirectX 11 和 OpenGL 4.4 的開普勒 GPU（圖 3）當(dāng)中的單個 SMX 模塊中的內(nèi)核數(shù)量相同。
圖3：Nvidia Tegra K1。
考慮到汽車中集成了大量的傳感器，在汽車中擁有非常強大的處理器就至關(guān)重要。英特爾/Mobileye的EyeQ3負(fù)責(zé)圖像處理。為了滿足功耗和性能目標(biāo)，EyeQ SoC通過使用更精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。在EyeQ3中，Mobileye使用了40nm CMOS，而該公司將在第五代SoC EyeQ5中使用7nm FinFET。每個EyeQ芯片都具有異構(gòu)、完全可編程的加速器，每個加速器類型都針對自己的算法系列進(jìn)行了優(yōu)化。
奇怪的是，英偉達(dá)Tegra K1和Mobileye EyeQ3不足以處理3級車輛所需的所有ADAS任務(wù)。zFAS內(nèi)部還使用了Altera Cyclone來進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以及英飛凌Aurix Tricore而用于監(jiān)視安全操作。Altera Cyclone系列FPGA器件采用1.5V、0.13μm的全層銅SRAM工藝制造，并具有高達(dá)20,060個邏輯單元（LE）的密度和高達(dá)288kb的RAM。
英飛凌Aurix架構(gòu)針對汽車行業(yè)中的動力總成和安全應(yīng)用而實現(xiàn)了性能優(yōu)化。TriCore是首個針對實時嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化的統(tǒng)一、單核32位MCU-DSP架構(gòu)。
奧迪A8中的傳感器
在汽車世界，高級駕駛輔助系統(tǒng)已成為所有新車獲得歐盟新車安全評鑒協(xié)會（Euro NCAP）更高評分的必要條件。在圖1中可以找到System Plus發(fā)現(xiàn)的Audi A8當(dāng)中器件的詳細(xì)列表?！爸圃焐虃冋陂_發(fā)效率越來越高的雷達(dá)傳感器，在市場上，我們可以區(qū)分一些公司，例如Aptiv、Veoneer、ZF、Valeo、Bosch、Mando、Denso和Ainstein?！盕raux表示。
特別是在奧迪A8中可以看到Autoliv的第三代汽車夜視攝像頭、Aptiv的車道輔助前攝像頭、Valeo Scala激光雷達(dá)、博世LRR4 77GHz遠(yuǎn)程雷達(dá)傳感器，以及用作中程雷達(dá)的Aptiv R3TR 76GHz傳感器（安裝在汽車的左前、右前、左后和右后方）。
Autoliv夜視攝像頭由兩個模塊組成：攝像頭和遠(yuǎn)程處理單元（圖4）。Autoliv的紅外夜視攝像頭由FLIR的17μm像素高清氧化釩微測輻射熱計ISC0901組成。該器件利用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)以及基于FPGA陣列和定制算法的先進(jìn)數(shù)值處理系統(tǒng)提供了一種工程方法。
圖4：Autoliv的第三代汽車夜視攝像頭。
Aptiv的車道輔助前置攝像頭安裝在后視鏡上，可提供80m的范圍和36張圖像/秒的幀。該攝像頭使用了安森美半導(dǎo)體提供的1.2兆像素CMOS圖像傳感器，以及8位Microchip PIC MCU。zFAS控制單元使用Mobileye EyeQ3處理芯片來管理圖像映射和識別軟件（圖5）。
圖5：Aptiv的車道輔助前置攝像頭的PCB。
LRR4來自于博世，是一種帶有六個固定雷達(dá)天線的多模式雷達(dá)。四個居中排列的天線可以對環(huán)境提供高速記錄，創(chuàng)建孔徑角為±6°的聚焦光束，而實現(xiàn)對相鄰車道中的交通干擾最小。對于近場的情況，LRR4的兩個外部天線可以將視場角擴(kuò)大到±20°，范圍為5m，而能夠?qū)囕v進(jìn)入或離開車道進(jìn)行快速檢測（圖6）。
圖6：遠(yuǎn)程雷達(dá)傳感器。（圖片來源：System Plus）
Aptiv的短程雷達(dá)傳感器包含兩個發(fā)射器和四個接收器通道，是在76-77GHz頻帶內(nèi)工作，這是汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)配置。PCB使用了一個單片微波集成電路（MMIC）和數(shù)個空腔波導(dǎo)。射頻PCB基板使用玻璃增強的烴基陶瓷層壓板制造，并且完全不含PTFE（圖7和圖8）。
圖7：Aptiv R3TR 76GHz短程雷達(dá)概貌。
圖8：Aptiv R3TR 76GHz短程雷達(dá)電子PCB。
激光雷達(dá)技術(shù)
奧迪A8的關(guān)鍵要素是激光雷達(dá)。這是汽車制造商首次使用激光雷達(dá)。這款激光雷達(dá)所采用的機(jī)械系統(tǒng)采用了旋轉(zhuǎn)鏡技術(shù)，以及905nm波長的邊緣發(fā)射技術(shù)。該器件的量程為150m，水平視場角為145°，垂直視場角為3.2°。電機(jī)控制單元包含一個定子和轉(zhuǎn)子，并帶有控制驅(qū)動器，以及MPS40S霍爾傳感器而用于運動檢測。霍爾效應(yīng)傳感器的輸出電壓會隨著磁場而發(fā)生改變。因為沒有機(jī)械零件會隨著時間的推移而發(fā)生磨損，所以這是一種持久的解決方案。集成式封裝則可減少系統(tǒng)的大小和實現(xiàn)的相對復(fù)雜性（圖9、圖10、圖11）。
激光雷達(dá)系統(tǒng)采用飛行時間（ToF）技術(shù)，可測量精確的計時事件（圖12）。從最新的發(fā)展可看到，有幾種多光束激光雷達(dá)系統(tǒng)已可以對車輛周圍的環(huán)境生成精確的三維圖像。這個信息可用于選擇最合適的駕駛操作。
圖9：激光雷達(dá)。（圖片來源：System Plus）
圖11：激光雷達(dá)的方塊圖
圖12：ToF工作原理圖。（圖片來源：Maxim Integrated）
邊緣發(fā)射激光器是半導(dǎo)體激光器的原始形式并且仍然受到廣泛使用。其諧振長度可以實現(xiàn)高增益。在該結(jié)構(gòu)內(nèi)，激光束在典型的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中被引導(dǎo)。根據(jù)波導(dǎo)的物理特性，有可能實現(xiàn)高光束質(zhì)量但輸出功率有限的輸出，或高輸出功率但光束質(zhì)量低的輸出（圖13）。
圖13：邊緣發(fā)射激光二極管。
如圖13所示，激光雷達(dá)解決方案中所使用的激光器采用3引腳TO型封裝，裸片面積為0.27mm2。激光器的功率為75W，直徑為5.6mm?！凹す馄髟赡苁荢heaumann采用100mm晶圓制造的?！盕raux說道。調(diào)節(jié)單元采用雪崩光電二極管（APD）來獲取穿過兩片透鏡（一個發(fā)射和一個接收）后的激光束。“APD可能是由First Sensor采用150mm晶圓制造的，并采用了8引腳FR4 LLC封裝，裸片面積為5.2mm2（圖14）。”Fraux表示。
APD是一種高速光電二極管，它使用光子倍增來獲得低噪聲信號。APD比PIN光電二極管具有更高的信噪比，可用于各種應(yīng)用，例如高精度測距儀和低照度檢測。從電子角度來看，APD需要更高的反向電壓，并需要更詳細(xì)地考慮其與溫度有關(guān)的增益特性。
圖14：雪崩光電二極管（APD）。
除了用于激光和運動控制的兩個單元之外，控制硬件還包括了主板，它包括Xilinx XA7Z010 SoC雙核Arm Cortex-A9、32位ST SPC56EL60L3 MCU，以及一個電源管理系統(tǒng)，其中又包括ADI的同步降壓穩(wěn)壓器、英飛凌的雙通道智能高邊電源開關(guān)、ADI帶LDO的三路單片式降壓IC和Allegro的三相無傳感器風(fēng)扇驅(qū)動器IC。FlexRay協(xié)議支持?jǐn)?shù)據(jù)通信；FlexRay系統(tǒng)由幾個電子控制單元組成，每個單元都具有一個控制器，而對一個或兩個通信通道的訪問進(jìn)行管理。
估計這種激光雷達(dá)技術(shù)在每年超過10萬個的情況下每單位成本可能達(dá)到150美元，其中很大一部分與主機(jī)板和激光器有關(guān)（圖15）。
圖15：拆解的激光雷達(dá)硬件。
在激光雷達(dá)項目中，跨阻放大器是電子布局中最關(guān)鍵的部分——低噪聲、高增益和快速恢復(fù)特性使這種新器件成為汽車應(yīng)用的理想選擇。為了獲得最佳性能，設(shè)計人員必須特別注意電路之間的接口與集成、波長以及光機(jī)械對準(zhǔn)等問題。這些集成電路符合AEC-Q100認(rèn)證，可滿足汽車行業(yè)最嚴(yán)格的安全要求。
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