プログラマブル ロジック: 車載システムのアクセラレーション

プログラマブル ロジック： 車載システムのアクセラレーション

はじめに 車載システムは自動運転機能を装備するため、ますます高度な技術を必要としています。自動運転機能は、完全自動運転から、ドライバー と運転権限をシェアする権限移譲型自動運転まで、さまざまな機能を網羅する複雑な技術分野です。この、自動運転機能を分類するため、 米国自動車技術会（SAE）では、次段階の基準を定めています。 SAE自 動運転 フォールバック（ レベル 名称 例 車両の制御 モニタリング 縮退運転） 車両の機能 0 自動化なし 該当なし 運転者（人） 運転者（人） 運転者（人） 該当なし アダプティブクルー 1 運転者支援 ズコントロール／レ 運転者（人）と ーンキープ & パー 車両 運転者（人 運転者（人 一部の走行モード キングアシスト 2 部分自動運転 交通渋滞アシスト 車両 運転者（人 運転者（人 一部の走行モード 完全停止と発進　高 3 条件付き自動運転 速道路走行　セルフ 車両 車両 運転者（人 一部の走行モード パーキング 4 高度自動運転 自動運転 車両 車両 車両 一部の走行モード 5 完全自動運転 無人運転 車両 車両 車両 すべての走行モード 自動運転機能を活用するには、車内通信、車両と交通インフラ間 単一のシステムのレベルにおける課題としては、 ISO26262規格へ の通信、センサーのインターフェイス接続、センサーフュージョン、 の準拠を実証するために必要なセキュリティ認定の取得がありま LiDAR、4Dレーダー、オートモーティブビジョン、ドライバーや同乗 す。また、権限のない部外者による変更も制限されなければなりま 者のモニタリングなど、実現の鍵となる技術を導入する必要があり せん。セキュリティの問題に加えて、車載システムは要求の厳しいリ ます. アルタイム性能を達成し、車両が置かれている環境との安全なイン タラクションを可能にする必要があります。 こうした機能を実現するにはさまざまな課題があ モジュールレベルでは、設計者は性能上の要件だけでなく、サイズ、 りシステム開発者はそれを解決しなければなりま 重量、電力、コスト目標（SWAP-C）もクリアしなければならないとい せん。これらの課題は、システム・オブ・システム（ う課題に直面します。これらの要件は、市場導入前にクリアしなければなりません。 社会・規格システムを考慮したシステム設計）と、 単一のシステム、そしてモジュールのレベルに分 ザイリンクスの車載テクノロジー 類することができます。 ザイリンクスの自動車ビジネス（XA）のポートフォリオは、XA Artix-7 および XA Spartan-7 FPGA ファミリ、 XA Zynq-7000 SoC および XA Zynq UltraScale+MPSoC ファミリと各ファミリが利用するツールチ システム・オブ・システムのレベルにおける課題としては、規格ドラフ ェーンを含みます。XAポートフォリオ内のすべてのデバイスに対して トの承認に合わせて、新たな規格標準に柔軟に適応できる能力が は、AEC-Q100規格に準拠した部品承認のための試験が行われて 重要となります。これらの常に更新されていく規格は、サブシステム います。このようなコンポーネントの品質向上は、システム機能の安 同士の車車間通信、車両と交通インフラ間で行われる路車間通信 全をサポートし、全体的な信頼性の向上に寄与します。 の、両方に使用される条項が含まれています。また、車車間通信向 けのソリューション、路車、自動車・インフラ間通信向けのソリューシ ョンも、世界各国どの地域でも利用可能である必要があります、地 域により異なる周波数での通信は不可欠です。 車載システムのアクセラレーション 2

ISO26262規格で定められているとおり、自動車安全水準（Automotive Safety Integrity Level、ASIL）による認証を可能にするため、ザ イリンクスはさまざまな認定ツールチェーンとソフトウェアツールを用意しております。 電力効率とコスト効率に優れたソリューションでありながらも要件を満たすには、車載システムに適したデバイスを選択する必要があり ます。XA Artix-7 および XA Spartan-7 ファミリのデバイスは、従来のFPGAベースからのアプローチを提供し、シーケンシャル処理が必要 な場合にはソフトコア・プロセッサを実装することが可能です。 要件がさらに厳しい性能が求められる場合は、ザイリンクス XA Zynq UltraScale + MPSoC や XA Zynq-7000 ヘテロジニアス SoC が、 処理システム（PS）とプログラマブルロジック（PL）の優れた組み合わせを提供します。 ザイリンクス XA Zynq UltraScale + MPSoC デバイスの特徴： ザイリンクス XA Zynq SoC デバイスの特徴： – 最 大1.2GH（z fmax）で動作可能なクアッドコア 64 bitの ARM – 最大667MHz FMAXで動作できる32 ビット Dual core Arm Cortex-A53 プロセッサと、最大500MH（z fmax）で動作可能な Cortex-A9 プロセッサを搭載したプロセッシングシステ デュアル 32 bit ロックステップ ARM Cortex-R5 プロセッサを ム：PS部 内蔵したリアルタイム処理ユニットを搭載したプロセッシング システム：PS部 – 最大464MH（z Fmax）で動作でき、設定が可能なロジック ブロック、ブロック RAM 、およびDSPエレメントを内蔵する – 最 大645MH（z fmax）で動作でき、設定が可能なロジックブロ 28nmアーキテクチャによるプログラマブル・ロジック：PL部 ック、ブロック RAM 、およびDSPエレメントを内蔵する16nm UltraScale+ アーキテクチャによるプログラマブル・ロジッ ク：PL部 Zynq UltraScale + MPSoC と Zynq-7000 によっても たらされるPS部とPL部の密接な連携により、最新型 の車載システムの要求を満たすことができます。 FPGAソリューションも、ヘテロジニアスSoC向けソリューションも、ともに、プログラマブル・ロジックが搭載されています。このプログラマブ ル・ロジックを使いアルゴリズムの並列処理を行うことで、アルゴリズムのレイテンシーを劇的に低下させ、確定的なアルゴリズム開発を可 能とします。プログラマブル・ロジックはまた、各種PHYとのAny-to-Anyのインターフェイスを自由う設計できるため、CPU、GPU、ASICソリュ ーションと比べ、各種規格の変更やアップデートに柔軟に対応できます。 ザイリンクスのツールチェーン ザイリンクスのXAデバイスの各PS, PL部の設計やコンフィギュレーションは、Vivado Design Suite を使用して開発されます。 Vivadoは統合開発環境で配置配線、シミュレーションのサポートなど、プログラム・ロジック開発において、多くの実績があります。もう一 つ、Vivadoの重要な側面として設計資産の再利用が挙げられます。これにより過去の設計資産やIPコアを使って、設計を完成させることが 容易です。Vivadoを使用することで、設計者は XA Zynq-7000 SoC や XA Zynq UltraScale-+MPSoC デバイスに搭載されるプロセッサと共 に、広範なIPカタログに登録されたIPコア群を周辺として活用することができます。 カスタムIPブロックが必要な場合は、VHDLやVerilogなどのハードウェア記述言語を使用して作成することもできます。また、Vivado Level Synthesisにより、CまたはC++のデザインをプログラマブル・ロジック内に実装することも可能になります。 ソフトウェアソリューションの開発には、Vitisを用います。これは、Cortex-A9、A53、R5、および MicroBlaze ソフトコア・プロセッサ用のソフト ウェアの作成を容易にする統合ソフトウェア開発用プラットフォームです。 車載システムのアクセラレーション 3

Vitisは、PetaLinux を使用した組み込みLinuxの開発をサポートす XA Zynq UltraScale + MPSoC デバイス・ファミリは、プロセッシ ると同時に、FreeRTOSなどのリアルタイムOSもサポートします。フ ングシステム内のコンフィギュレーションセキュリティ・ユニット レームワークが提供され、OpenAMPなどのマルチプロセッサ環境 （CSU）の機能を備えたセキュリティ機能をさらに強化し、階層型 における通信やライフサイクル・マネージメントが容易になります。 セキュリティ機能を実現します。CSUがAES 256- GCM、4096 RSAマ ルチプライヤ、SHA-384をサポートしており、デバイスの安全な再 構成（コンフィギュレーション）が可能になりソリューションの機密 システム開発機能だけでなく、VITISは、 性、認証、堅牢性が実現します。 OPENCLを使用した高速化もサポートします CSU暗号化エンジンのAES、RSA、SHAブロックをランタイムに使用 して、機密性、認証、堅牢性機能を実現することもできます。CSUの OpenCLにより、APU（Application Processing Unit）の制御下で、 DMAは非常に効率的な処理を可能にします。CSUは、Rolling Key アクセラレーション（高速化）カーネルをプログラマブル・ロジック 機能を有効にして、差動電力解析によるキー攻撃を防御するなど、 内に導入することが可能になります。これにより、アルゴリズムの キー管理を行うこともできます。 ハードウエア・アクセラレーションをソフトウエアエンジニアでも ランタイム・セキュリティ・サポートには、内蔵システムモニター 実現出来るようになります。これは、アルゴリズム内で利用される （FPGAデバイスとSoCデバイスの両方）による改ざん防止対策が C、C++記述を高位合成でハード実装させることを意図します。ま 含まれています。これにより、デバイス電圧やダイ温度が限界を超 た、Pragma記述を使用することでアルゴリズム処理を並列処理に えた場合、警告を発信し、監視することができます。システムモニタ 展開しプログラマブル・ロジックに実装することで、パフォーマンス ーには外部接続もあり、エンクロージャレベルでの、より物理的な を最適化することを可能としています。 不正操作防止策として使用できます。 セキュリティ 安全性 すべてのザイリンクスXAデバイスには、Advanced Encryption 自動車システムのメーカーが直面している重要な課題の1つは、 Standard（ AES）に基づいて暗号化ビットストリームを使用し、デ 適切な安全性・品質規格に準拠した安全システムを実現すること バイスを安全に再構成（コンフィギュレーション）する機能がありま です。 す。XA Zynq-7000 SoC や XA Zynq UltraScale + MPSoC のデバイ スを利用すると、プロセッサ・システムとプログラマブル・ロジック 自動車業界においては、これは機能上の安全性に関連しており、 の組み合わせにより、セキュアな（再構成）コンフィギュレーション システムの危険性のレベルを示す ISO26262規格の自動車安全水 手法がより完全なものとなります。 準（Automotive Safety Integrity Level、ASIL）の4段階のうち、い ずれかに準拠しなければなりません。 自動車 安全水準 重要度 故障率（ＦＩＴ、10億時間 検出率 結果 （ASIL あたりの平均故障回数） 単一箇所における故障検 ASIL-D 最重要 ＦＩＴ10未満 出率 >99% 潜在的な故障 Possible fatalities 検出率 >90% in community 単一箇所における故障検 ASIL-C FIT100未満 出率 >97% 潜在的な故障 Possible fatalities 検出率 >80% 単一箇所における故障検 ASIL-B FIT100未満 出率 >90%潜在的な故障 Possible for minor injuries 検出率 >60% 単一箇所における故障検 ASIL-A 最も低い重要度 FIT1000未満 出率 <90%潜在的な故障 Potential for minor injuries 検出率 < 60% QM 品質管理 NA 安全性に関連しない 車載システムのアクセラレーション 4

Single point of failure(SPOF)は、単一障害によるリスクを防止す XA Zynq UltraScale + MPSoC 低電力ドメイン、リアルタイム処理 る安全設計の指標であり、Latent fault metric(LFM)は、安全設計 ユニット、および安全マニュアルは、このほど、ISO26262：2011規 によって検出できない複数箇所における故障に関する指標です。 格に基づきASIL-Cとして認証されました。 故障率FIT（Failure in Time）は、10億時間以内に発生が予測され る装置の故障件数を表します。より重要なシステムには、より低い ASIL-Cソリューションの実装を可能にするアーキテクチャ機能に FIT値が求められるため、設計者にとっては達成に試練を要する は、以下があります。 目標となります。 – Low power、Full power、およびプログラマブル・ロジックの3つ システムに関するASILは、下記項目に関して危険分析を行うこと の独立したドメイン。各ドメインには、ハードウェアにフォールト により、決定されます。 トレランスをもたらす専用電源とクロッキングを有します。 – 重大度 – ドライバーまたは同乗者が受けるおそれのある傷害 – プラットフォーム管理ユニットで、TMRブートの安全性、電源、エ ラーを管理するプロセッサ – 曝露確率 - 車載システムや車両が危険に曝される頻度 – Low powerドメインには、ロックステップモードつきの ARM – 制 御可能性 – ドライバーや車両が傷害を防止するために取るこ Cortex-R5 プロセッサ とのできる操作 – プロブラグラマブル・ロジックの分離を可能にする、メモリ・周 このため、車両に搭載されている各システムのASILリスク等級は 辺機器保護ユニット 異なります。たとえば、ブレーキ、ステアリング、エアバッグなどの 重要なシステムは、通常、ASIL-Dであり、 – Critical memoryのエラー訂正コード 一方、ヘッドライトやADASシステムなどのシステムは、通 – ロジックやメモリを内蔵したセルフテスト、エラーインジェクシ 常、ASIL-Bです。 ョン、ソフトウェアテストライブラリを含むテスト可能なアーキテ クチャ 要求されているASILを満たす設計を実現するには、単一箇所に おける故障および潜在的故障を検出してそのリスクを軽減でき 認証が必要な場合、 ザイリンクスの自動車用デバイスのポートフ るよう、本格的な設計分析や故障モードの検討を行う必要があ ォリオを、ISO26262-8：2011規格に準拠して認証されたツールが ります。 サポートします。 認証済みのツールを利用できるため、開発者は、開発期間全体を IPコア、デバイスアーキテクチャ、およびザイリン 短縮でき、高品質かつ低コストでプロジェクトを期限に合わせて クスWEBが提供するドキュメントサポートで、必 完了することができます。 要とされている機能安全レベルの達成できます また、安全マニュアル、ソフトウェア安全ユーザーガイド、 FMEDA ツール、サンプル、定期的な信頼性レポートなど、認証を取得する ために設計されたシステムおよび分析ツールもご用意しておりま ブロック RAM のエラー検出や訂正を含む、信頼性の高い論理設 す。これらのリソースは、ザイリンクスの機能安全パッケージから 計のためのプログラマブル・ロジックのローレベル・サポートが行 入手可能です。 われます。Triple Module Redundan（t TMR）やロックステップのオ プションのついた MicroBlazeソフトコア・プロセッサをプログラブ これらの開発ツールを、ザイリンクスの自動車用デバイスと組み ルロジックに実装することで多様な構成を可能とします。 合わせて使用することで、開発者は、最新の自動車開発の課題に 対応することができます。 また、XADC と Sysmon を使用してデバイスの電源レールとダイ 温度を監視、閾値を超えた場合はアラームを発効させることも出 来ます。 プログラマブル・ロジック内における各機能の分離はザイリンク スのIsolation design flow (IDF）とVivado Isolation Verifier (VIV) を使用して実装検証できます。これにより プログラマブル・ロジッ ク内に実装された機能の間の分離が確保されます。 車載システムのアクセラレーション 5

複数拠点間インターフェイス接続 自動運転機能を実装する核心部分となるのは、異なるモダリティを持つセンサー群、アクチュエータや多様な規格のインターフェイスとの 接続性と言えます。センサーからデータを受信すると、車両がそれに反応できるように判定処理を行う必要があります。 センサーとのインターフェイスとその処理における、重要な課題の1つとして、プロセッサはさまざまな高帯域センサーモダリティとのインタ ーフェイス実現性が求められることが挙げられます。 これらのモダリティはすべて、異なるインターフェイス規格を備えています。一般的なソリューションでは、カメラ、レーダー、LiDARなどの広 帯域幅センター用のMIPI 、JESD204B、LVDS、GigEなどの高速インターフェイスを使用するさまざまなセンサーモダリティからデータを受信 します。また、加速度計等の低帯域センサーとのインターフェイスにはCAN、SPI、I2C、UART等の標準規格での通信とその処理が必要となり ます。 Zynq UltraScale-+MPSoC のプロセッシングシステムやプログラマブル・ロジックは、CAN, SPI, I2C , UARTおよびギガビットEthernet等の 業界標準インターフェイスをサポートしています。 プログラマブル・ロジックが有するI/Oの柔軟性によりMIPI, LVDSやその他のGigaビット・ シリアルリンクとのダイレクト・インターフェイスが 可能です　また、各種IPコアを搭載して、より高いレベルのプロトコルをプログラマブル・ロジック内に実装することができます。また、プロ グラマブル・ロジックにプロトコルを実装することで、規格の改訂に素早く対応することができ、システムでサポートが求められる数多くのセ ンサーの通信規格に柔軟に対応できます。また、プログラマブル・ロジックは、ハードウェア・デザインとして将来的に必要となるPHYとの接 続性を提供する可能性を持ち、真のAny to Anyインターフェイス接続を可能にしています。 画像処理の高速化 画像処理は、ナビゲーションから、ドライバーや同乗者のモニタリングにいたるまで、あまたの車載システムにおいて、その中核を担います。 通常、これらのシステムで使用されるアルゴリズムは、OpenCVなどの高レベルのフレームワークで作成されモデル化されます。 PLソリューションは、画像のパイプライン処理を論理的に構築できるため、画像処理システム のパフォーマンスを大幅に向上させることができます。このパイプライン処理は、PLのパラレ ル特性を活用します OpenCVなどのフレームワークで作成された高レベルのアルゴリズム・モデルを、HDLによってすべて再作成することなく活用できるよう にするため、ザイリンクスは、XF::OpenCVライブラリを提供いたします。Vitis統合ソフトウェア開発プラットフォームのハイレベル統合を 使用してPLに統合できるOpenCV関数のうち、一般に広く使用されているいくつかが、XF::OpenCVライブラリに含まれています。これによ り、OpenCVを使用してハイレベルのモデリングを行うことができ、ハードウェア記述言語を延々と記述することなく、PLパイプライン内で、 同じ関数をすばやく簡単に実装できます。 車載システムのアクセラレーション 6

画像処理またはダウンストリーム処理に必要とされるH.264/H.265 がありました。ベースバンド信号は、アナログ-デジタル・コンバータ エンコーディングまたはデコーディング処理性能をXA Zynq （ADC）およびデジタル-アナログ・コンバータ（DAC）を使用して、ア UltraScale + MPSoC EVシリーズに搭載されたストリームのバッファ ナログ領域への変換および同領域からの変換が行われます。 リング用UltraRAMとVideo CODECユニットが提供します ザイリンクスの Zynq UltraScale + RFSoC デバイスポートフォリオ ニューラルネットワークの高速化 には、高性能クアッドコア ARM Cortex-A53 64 ビットプロセッサを 画像処理についで、オートメーションシステムの開発を可能にする 搭載したプロセッシングシステムだけでなく、 ための、もう1つの重要なテクノロジーが、機械学習です。たとえば、 GSPS（ギガサンプル／秒）クラスのADCやDACに加えて、アップコン 機械学習を利用して、高速道路上の物体を分類したり、ドライバー バータ、ダウンコンバータ、複雑なミキサー、インターポレーター、デ や同乗者を監視したりモニタリングしたりすることができます。 シメーターなど、必要なサポートインフラストラクチャサポートイン ニューラルネットワークの実装と高速化に、Vitis AI を利用可能 フラストラクチャを内蔵するプログラマブル・ロジックも含まれてい です。Vitis AI は、プログラマ風呂ロジックを利用して、Caffe や ます。 TensorFlow 等、広く利用されているML/AI フレームワークをア これにより、RFフロントエンドとのインターフェイスの複雑さが大幅 クセラレーションすることができます。Vitis AI は Model Zoo, AI に緩和されるだけでなく、要求される実装面積も全体的に縮小で compiler, Optimizer, Quantizer, Profilerを提供し、システムへのデ きます。 ィープラーニング処理ユニットを実装を可能としました。 ザイリンクスの Zynq UltraScale + RFSoC の主な構成要素 ミックスドシグナル機能 は、GSPSレベルのサンプリングレートで処理可能なADCコンバータ レーダーは、霧や豪雨など、明るさや天候条件を問わず、常に機能 とDACコンバータになります。世代によってこのサンプルレートには する唯一のセンサー技術です。より高次のSAE自動運転レベルによ 幅があり、第1世代のADCでは2Gサンプル／秒、第3世代のデバイス る運転を実現するため、十分に正確な情報を取得する目的で、頻繁 では5Gサンプル／秒で、4つのナイキストゾーンすべてで動作を可 に利用されるのが4次元レーダーです。 能にするRF入力帯域幅をサポートします。サンプリングDACのレー トは、第1世代の6.5Gサンプル／秒から第2世代の10Gサンプル／ 4Dレーダーにより、方位、高度、直線距離のほか、ドップラー周波数 秒まであります。このサンプリングレートと広いRF入力帯域幅の組 についても情報が得られます。ドップラー周波数を活用すれば、検 み合わせにより、RF Tx および Rx パスの複雑さが大幅に緩和され 出ターゲットの速度が決定できます。これにより、4Dレーダーは、広 ます。 い視野（100度）、細やかな空間分解能（1度）、それに長距離機能（ 約300m）を備えたシステムを提供します。これが、交通渋滞時アシス 結論 ト、高速道路走行、セルフパーキングなどの機能を備えた、SAE自動 自動車の機能に対する要求が高まる中、設計者は、ザイリンクスXA 運転レベル2および3での自動運転を可能とします。 の車載デバイスやサポートツールチェーンのポートフォリオにより、 求められる性能だけでなく、必要とされる品質や機能上の安全性、 従来のレーダーソリューションでは、アップコンバージョンやダウン また情報のセキュリティを実現することができます。 コンバージョンを行うには、RFフロントエンドにおける信号生成や 長時間の信号処理にベースバンドデジタル処理を使用する必要 車載システムのアクセラレーション 7

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