LiDAR在FPGA和ASIC之間的選擇

LiDAR點(diǎn)云的實(shí)時(shí)處理有時(shí)甚至超過100萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)/秒，因此需要高水平的計(jì)算來加速點(diǎn)云深度學(xué)習(xí)算法。LiDAR 3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是通過刪除不需要的數(shù)據(jù)、過濾相關(guān)數(shù)據(jù)和將點(diǎn)云劃分為片段等步驟進(jìn)行預(yù)處理的，最后對(duì)特征進(jìn)行識(shí)別和分類。

LiDAR系統(tǒng)的開發(fā)必須在ASIC或FPGA之間進(jìn)行權(quán)衡。目前，大多數(shù)采用的ASIC都集中在模擬光子學(xué)方面，而不是數(shù)字信號(hào)處理。

NRE：研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)和測試一個(gè)新產(chǎn)品或產(chǎn)品改進(jìn)的一次性成本性能和功耗：功耗預(yù)算與芯片性能的關(guān)系上市時(shí)間成本芯片封裝尺寸

在提到汽車ASIC和FPGA時(shí)，人們會(huì)有一個(gè)固有觀念，但這些需要重新審視。車廠最好在為LiDAR應(yīng)用選擇ASIC或FPGA之前詢問芯片供應(yīng)商，因?yàn)楹芏喙逃杏^念其實(shí)是有誤區(qū)的。一般這些固有觀念認(rèn)為ASIC會(huì)優(yōu)化性能、能效高、開發(fā)時(shí)間長/上市時(shí)間慢、可定制性低；FPGA價(jià)格太貴、功耗高、沒有針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化、開發(fā)資源有限、只適用于研究/測試車輛，而不適合量產(chǎn)。

基于FPGA的解決方案

FPGA和基于FPGA的MPSoC（Multi-processor Systems-on-Chip）得益于并行處理架構(gòu)，與CPU和GPU的串行架構(gòu)不同。FPGA的靈活性使它適合于需要經(jīng)常修改和升級(jí)的應(yīng)用和設(shè)備，而ASIC則更適合于永久性應(yīng)用。

FPGA提供了靈活性和差異化，以及低延遲、高吞吐量，也可以滿足快速上市時(shí)間。靈活性和適應(yīng)性在LiDAR領(lǐng)域很重要，因?yàn)闉?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/ADAS/">ADAS和AV系統(tǒng)的性能、標(biāo)準(zhǔn)和算法在不斷變化。例如，F(xiàn)PGA可以被配置和重新配置，以平衡電源效率和性能要求。

FPGA既能提供AI應(yīng)用所需的額外性能和處理效率，包括LiDAR點(diǎn)云處理，又能實(shí)現(xiàn)可編程性，從而有利于系統(tǒng)的靈活性、硬件復(fù)用、降低開發(fā)成本。

FPGA是一個(gè)有吸引力的選擇，特別是當(dāng)感知算法仍在開發(fā)中時(shí)，因?yàn)樾酒梢噪S著算法的開發(fā)而定制，并避免了昂貴的重新設(shè)計(jì)ASIC解決方案的可能性。

FPGA早前是作為加速器來增強(qiáng)基于CPU的SoC的性能。然而，F(xiàn)PGA正逐漸成為MPSoC的主要處理設(shè)備。

FPGA已經(jīng)從基本的可編程邏輯發(fā)展到復(fù)雜的SoC器件，其中包含多個(gè)嵌入式處理器、計(jì)算引擎、內(nèi)存和接口，所有這些都具有高能效。

以Xilinx解決方案為例，不同類別的FPGA如下：

FPGA：Artix-7系列，Kintex-7系列

SoC：Zynq-7000系列

MPSoC - Zynq UltraScale+ MPSoC

RFSoC - Zynq UltraScale+ RFSoC

ASIC解決方案

許多開發(fā)者選擇了ASIC，是作為提高集成度、降低成本和功耗的一種手段。與GPU和FPGA相比，典型的ASIC解決方案往往具有更高的效率、更小尺寸以及更低的功耗。LiDAR開發(fā)者還必須權(quán)衡ASIC的漫長開發(fā)周期和缺乏靈活性的問題。

ASIC是一種芯片解決方案，為特定的目的而設(shè)計(jì)，不能被重新編程或修改以執(zhí)行其他功能或其他應(yīng)用。ASIC被設(shè)計(jì)為用于特定的功能，而且只是這個(gè)特定的功能。

隨著功能的成熟和規(guī)模的增加，就可以開發(fā)ASIC來降低成本和功耗。為某一特定功能設(shè)計(jì)和構(gòu)建專用的ASIC并非沒有潛在的隱患，因?yàn)樗鼈儾荒鼙恢匦戮幊?，并且需要持續(xù)的NRE投資。開發(fā)一款A(yù)SIC需要具有專業(yè)知識(shí)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來設(shè)計(jì)、測試和驗(yàn)證，這可能會(huì)增加整個(gè)項(xiàng)目的成本和幾個(gè)月的開發(fā)時(shí)間。

一個(gè)ASIC通常是適合大眾市場、大批量的設(shè)計(jì)，特別設(shè)計(jì)的需要。它比FPGA的能效更高，當(dāng)大批量應(yīng)用時(shí)更具成本效益，ASIC的單位成本通常低于FPGA。ASIC的封裝尺寸也比FPGA小得多。

由于其固有的設(shè)計(jì)靈活性，工程師可以改變FPGA內(nèi)的電路，以應(yīng)對(duì)汽車LiDAR系統(tǒng)的流體設(shè)計(jì)和性能要求。從下面的時(shí)間軸可以看出，與基于ASIC的設(shè)計(jì)相比，F(xiàn)PGA解決方案在汽車生產(chǎn)LiDAR處理應(yīng)用中占了大多數(shù)。

Innoviz是唯一一家在量產(chǎn)車型中采用ASIC的公司，該公司還在內(nèi)部設(shè)計(jì)了MEMS模塊、硅探測器和名為Maui的信號(hào)處理ASIC等關(guān)鍵系統(tǒng)部件。寶馬將采用Innoviz的LiDAR技術(shù)，由Magna提供系統(tǒng)集成。Innoviz聲稱，內(nèi)部設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件，而不是使用現(xiàn)成的商品部件，提供了可保護(hù)和可持續(xù)的技術(shù)差異化，可區(qū)別于競爭對(duì)手或替代技術(shù)。Innoviz認(rèn)為，汽車LiDAR進(jìn)入市場的重要障礙之一是大批量制造緊湊而復(fù)雜的傳感產(chǎn)品的工藝和技術(shù)。

Innoviz的16納米Maui信號(hào)處理ASIC如下：

控制激光脈沖的發(fā)射，使其從場景中的物體上反射并返回被探測器收集。

接收和處理來自探測器的模擬信號(hào)，并創(chuàng)建從LiDAR輸出的點(diǎn)云。

控制MEMS鏡的邏輯，以保持正確的掃描模式，這是可以通過軟件配置的，并保持各個(gè)反射鏡之間的同步，這對(duì)LiDAR的性能非常重要。

Maui包括過濾噪聲（如環(huán)境光）和提取信號(hào)的技術(shù)，這對(duì)LiDAR的性能至關(guān)重要。

Maui還包括硬件和CPU內(nèi)核，以滿足功能安全和ISO26262需求。