汽车电子多核处理器即将带来种种挑战

双核CPU在汽车电子系统中取得了快速的应用，而系统软硬件、电能消耗及散热等也需要随之作出相应的改变。

今天汽车上采用的大多数微控制器基本都采用传统的单核结构，不过已经在计算机行业取得广泛应用的双核处理器也将在汽车行业取得快速发展，并很快成为标准配置。动力系统和安全系统已经率先采用了双核处理器，其他系统也逐渐开始架构的转变。

“多核其实是动力系新一代的产品设计标准，”通用公司电子集成和软件总监Kent Helfrich说。“在过去十年中，我们在发动机控制模块方面进行了一些多核设计，现在我们正在将这些设计整合到一个芯片上。”

不过多核处理器在一些系统比如信息娱乐系统中的应用还比较有限，但是有望在未来几年里取得飞速增长。芯片制造商预计在产品组合方面会有很大的变化。

“我们预计到2015年多核处理器的市场容量会相当大，大约占我们出货量的一半，”瑞萨科技美国公司（RenesasTechnology America Inc.）汽车业务单元市场经理Amrit Vivekanand说。

与大多数电子设计一样，软体是电子控制设计师面临的最大挑战。要想认识到双核处理器提升的速度，有必要将单核和双核这两种处理器各自承担的任务明确地区分开。

大多数芯片制造商表示，双核处理器的速度大约是单核的1.7倍，不过因为内存访问和其他一些问题会稍微影响双核的速度，因此这两种处理器的时钟速率很相近。不过分段不好的程序也影响处理器的性能。

“如果程序的分段没有做好的话，你很难享受到性能方面的优势，也就很难获达到性能提升的目标，”STMicroelectronics公司汽车微控制器市场经理JulienFabregues说。

在汽车应用领域，整车厂和一级供应商都是自己做段码的工作，而不是依赖操作系统或其他软件工具。这对一些系统来说尤其重要，比如动力系统和安全系统，因为这些系统中的指令在有需求的时候必须准确无误地启动。

“现在，我们不得不把一部分代码分给0处理器，把另外一部分分给1内核。这就存在着一个转换的问题，”Helfrich说。通用技术人员Michael Grimes指出这种方式（称为静态分配）形成了一种固定模式。“计算机领域的操作系统采用的是动态分配方式，系统决定采用哪个内核运行代码，”他说。“而我们是自己决定0内核做什么，1内核又做什么。”

硬件的改变

虽然软件有可能是多核处理器的关键问题，但这并不是说硬件工程师的工作就简单了，只要升级一下就可以了。当两个处理器同时存在于一个硅片上时，电能消耗、时钟速度及电磁干扰等方面的特性是完全不一样的。

存储问题也同样非常重要。硅片空间基本都是用于存储和处理器工作。闪存一般占用一半的空间，而增加一个处理器内核，占用的空间只有5%，Grimes说。

为了提高闪存的使用效率，设计人员必须采用可以保证每个内核在需要的时候都可以读取数据的系统分配方案——而这些数据必须是最新的。这就是存储管理需要登场的时候了。

“ 从存储方面来看，你需要一个智能存储控制器以及智能预读缓存，”Fabregues说。

从另外一方面来说，工程师还需要弄清楚他们想通过第二个内核完成怎样的工作。在一些应用中，比如信息娱乐，内核负责不同的工作。但是在动力系和安全系中，许多处理器都执行相同的程序，以提供容错性。

“在许多安全应用方面，处理器按顺序先后运行，这是满足ISO26262标准的最有效方式，”Fabregues说。

专门为该应用设计的芯片须拥有特有的逻辑关系，可以比较每一个处理器的结果。“要针对锁步操作对芯片进行专门的设计，逻辑关系负责结果的对比，这样可以迅速识别出发生的错误，”飞思卡尔（Freescale Semiconductors）汽车微控制器总监Ray Cornyn说。

能耗与热量

热量与能耗管理方面的挑战并不会因为双核处理器的采用而消失。这些问题其实是双核处理器应用的推动因素，不过时钟速度的提高也导致了能耗需求的提高，以及系统温度的提高。

双核芯片较低的时钟速度在动力系中表现良好。较低的时钟速度也让双核芯片比单核芯片更具优势。“动力系统工作温度很高，芯片的运转速度肯定没有在室温下那么快，”Grimes说。

在汽车上其他系统中，工程人员更关心电控盒数量的减少。在许多汽车上拥有大量控制器的情况下，每一个模块的需求只要稍微降低一点就可以节省大量的能耗。

“能耗将成为一个很大的问题，尤其对电动车来说，”英飞凌公司（InfineonTechnologies）汽车系统应用工程师ChrisWunderlich表示。“你可以为了降低能耗而关掉一个处理器，而在需要的时候你还可以启动它而提高处理性能。”

Wunderlich还说，在传动系统中，每一次换挡都会牵涉许多动作。增加一个处理器可以在需要的时候打开来处理这些工作，而在下一次换挡前关掉以节省能耗。

电子元器件的增加还带来了其他一些问题，如电磁耦合现象。EMC会影响车辆上芯片的运行以及连接到车辆上的消费类电子产品，因此较低的时钟速度可以带来很多好处。

“如果你为了提高系统运行性能将处理器频率从200MHz增加到400MHz，电磁辐射的增加非常明显——比单个EMC多几个数量级，”Vivekanand说。他指出在一些应用中如娱乐信息系统，双核处理器可以让工程师将时钟速度提高一倍，而能耗却没有提升那么多，因此并不会增加太多的能耗。

虽然双核处理器在未来几年里依然会是计算机市场的主流架构，但是汽车工程师已经开始在汽车领域计划采用更多的处理器。当然性能更高的多核处理器可能也不会在未来几年里就会应用到汽车上，不过已经有公司开始展开相关的研发项目并寻求合作事宜。

“大概一年半多前我们就同大陆公司开始讨论为汽车制动和底盘系统开发三核处理器，”Cornyn透露道。