En kamera alstrar en bildsekvens. Snabbt som ögat måste beräkningsenheten avgöra om det finns något viktigt i bilden. Kanske ett barn vid vägrenen?

Den här typen av scenario blir vanligare i framtida bilar. Sensorsystem fångar in information som en beräkningsenhet ska analysera. Handlar det om system som tittar på enstaka funktioner, exempelvis som varnar för filbyten, kan det fungera med standardprocessorer. Ska systemet däremot hantera många och komplexa funktioner måste hårdvaran väljas med omsorg.

Martin Duncan

– Arkitekturerna som finns spänner från risckärnor till vektoracceleratorer. Men ingen av dessa är optimal för alla typer av beräkningar utan man behöver båda, säger Martin Duncan, marknadsansvarig för fordonsprodukter på ST Microelectronics.

ST Microelectronics har arbetet med säkerhetshöjande stödsystem, så kallad ADAS-teknik (se faktaruta), i många år. Under åtta år har företaget samarbetet med algoritmföretaget MobileEye. Just nu arbetar de två med att utveckla sin tredje generation av EyeQ, en systemkrets (system-on-chip) speciellt optimerad för bildbehandling. Volvo och BMW är exempel på företag som använder EyeQ-arkitekturen i bilar som är i produktion.

ST har lejonparten av marknaden när det gäller ADAS-kretsar för bildbearbetning. Men på senare tid har konkurrensen hårdnat från andra halvledartillverkare. Så sent som i oktober lanserade exempelvis Texas Instruments en kraftfull SoC-krets för kamerasystem. Och Freescale – som tagit ledningen när det gäller radartilllämpningar – planerar att släppa kraftfullare systemkretsar för bildbearbetning under nästa år.

Texas Instruments nykomling – TDA2x och tillverkad i 28 nm – gör skäl för namnet systemkrets. I sin mest avancerade tappning har den två Arm Cortex A15-kärnor, två par Arm Cortex M4-kärnor, två C66x DSP-kärnor samt en skräddarsydd grafikaccelerator för videobearbetning. Till detta kommer en mängd inbyggt minne, tre videoingångar för upp till sex kameror, en uppsjö gränssnitt och mer därtill.

Det TI framhäver som mest speciellt är ändå grafikacceleratorn, kallad Vision Acceleration Pack. Den innehåller upp till fyra Eve-kärnor (Embedded Vision Engines), som var och en bestående av en 32-bitars risc-kärna och en 512-bit vektorprocessor. Varje Eve kan leverera 10,4 GMAC.

Frank Foster

– När en videoström kommet in analyseras den först av Eve-kärnorna, därefter tar DSP:erna över för beslutsfattande. Beroende av beslut kan en reaktion hos bilen triggas, förklarar Frank Foster, marknadsansvarig för ADAS-system på TI i Europa. Och han tillägger:

– Vår Eve-kärna har extremt hög datagenomströmning och energieffektivitet. Den ger mer än 8 gånger högre beräkningsprestanda än en Cortex A15 vid samma energiförbrukning.

Till en början rullar TI ut tre huvudfamiljer: en A-version speciellt anpassad att sitta i kameran som tittar framåt, en V-version för kameran som tittar runt bilen och en F-version som samlar in och analysera information från flera olika sensorer (sensor fusion). Alla familjer utgår från samma chip, de har bara skalats så att olika funktioner finns tillgängliga. V-versionen fokuserar exempelvis på videoingångar och grafikbearbetning, A-versionen har alla Eve-kärnor tillgängliga medan F-versionen har alla Arm-kärnor.

Inom en nära framtid planerar även ST och Freescale för motsvarande lösningar som TI.

– Vår tredje EyeQ-generationen, EyeQ3, är kvalificerad och går i produktion tidigt nästa år, avslöjar Martin Duncan och fortsätter:

– Den har en ny version av -Mips34K med hyperthreading. Den har fått fler multiplicerare, mer minne och kör vid högre frekvens än föregångaren.
Klockfrekvensen har kunnat skruvas upp till över 500 MHz genom att man flyttat över konstruktionen till en 40 nm-process. EyeQ2 tillverkas i 90 nm.

Samtidigt får EyeQ3 fyra Mips-kärnor, alla är parade med en vässade generation av Mobil-Eyes vektorprocessor Vector Microcode Processor (VMP) som är skräddarsydd för bildalgoritmer. Det är dubbelt upp mot EyeQ2.

– EyeQ3 har 8 gånger kraftfullare VMP-prestanda och 4 till 5 gånger högre Mipsprestanda än föregångaren. Så totalt tror vi oss nå 6 till 8 gånger högre prestanda mellan de två generationerna, säger Martin Duncan.

Ett halvår efter det att den tredje generationen av EyeQ lanserats planerar ST dessutom att släppa en skalad variant, döpt till EyeQ3-Lite.

Freescale planerar också för en systemkrets som adresserar samma marknad som EyeQ3 och TDA2x. Den utvecklas i samarbete med CongniVue, som likt MobilEye utvecklar bildbehandlingsalgoritmer, går under kodnamnet Treerunner och kommer att släppa inom ett år.

Davide Santo

– Förutom IP från CongniVue kommer vår framtida systemkrets att innehålla en ny generation Arm-kärna, säger Davide Santo, ansvarig för ADAS-produkter på Freescale, och han tillägger:

– Men vårt koncept skiljer sig genom att vi även medför ett säkerhetskoncept som saknas hos vissa konkurrenter. Likaså vill vi inte använda proprietära programmeringsspråk, utan enbart öppna programspråk.

Davide Santo talar även gärna om de radarkretsar som företaget lanserades i somras. Det är en extremt integrerad radarlösning för ADAS bestående av en 77 GHz transceiver, MRD 2001, och en för ändamålet optimerad processor, Qorivva MPC577xK.

– Jag tror, utan att vara arro-gant, att detta är det mest integrerade och mest avancerade radarsystemet som går att finna på marknaden idag, säger Davide Santo.

77 GHz är det nya frekvensområdet som bilindustrin håller på att skifta till inom denna typ av tillämpningar, även om det fortfarande finns en stor marknad för 24 GHz. Den högre frekvensen ger mer tillgänglig bandbredd och möjlighet till snabbare modulation.

– Modulationshastigheten är proportionell mot noggrannheten som du kan särskilja två objekt som befinner sig på långt avstånd. Antalet sändar- och mottagarkanaler bestäms av hur långt och noggrant man vill se och vinkeln till det man vill se.

Transceivern är tillverkad i kiselgermanium och kommer i form av ett kretspaket; en transmitter (två chip) med upp till fyra kanaler, en mottager(fyra chip) med upp till 12 kanaler samt en spänningsstyrd oscillator.

Parkompisen Qorivva är utvecklad för att hantera signalerna från radarsensorn optimalt. Algoritmen för en radar är relativt enkel. Här är FFT-analys centralt eftersom radarsystem tittar mycket i frekvensdomän. Genom att tyda data i spektrumet går det att beräkna avstånd, vinkel och hastighet på ett objekt.

– Gör man detta med en generisk kärna blir det väldigt dyrt, eftersom de inte är optimerade för snabb FFT, säger Davide Santo.

Det är också anledningen till att exempelvis EyeQ3 och TDA2x inte är lämpade att användas för radartillämpningar, även om de prestandamässigt kan.

– Idag innehåller TDA2x onödigt mycket för radarapplikationer. Under nästa år kommer vi med en nedskalad version för radar, men vi har även andra kretsar i vår roadmap som kommer att bli mer skräddarsydda för vissa områden, säger Frank Foster på TI.

Även ST vill utvidga sin produktportfölj inom radarområdet, som bara har rf-lösningar idag.

Läs även: Autoliv ser med egna algoritmer

– Vi håller på att utveckla en systemkrets som är speciellt anpassad för att processa radarsignaler. Här ser vi en stor marknad framöver, men vi är inte i det läge att vi kan tala om den kretsen ännu, säger Martin Duncan.

Advanced Driver Assistance Systems

ADAS, kort för Advanced Driver Assistance Systems, är ett säkerhetshöjande stödsystem ämnat att hjälpa chauffören att köra sitt fordon på ett säkert sätt. Här ingår säkerhetstekniker som exempelvis filbytesvarnare, parkeringshjälp och adaptiv farthållare. Redan idag finns ADAS-system i ett flertal fordon, främst i lyxigare bilmodeller men de är också på väg att ta sig in i enklare volymmodeller. Självklart är säkerhetsaspekten det som driver på utvecklingen, men en stark pådrivare är också betygssystemet Euro NCAP som bedömer hur säker en bil är som ska säljas på den europeiska marknaden. I framtiden spår många att Euro NCAP:s tester kommer att förutsätta ADAS-system, åtminstone om biltillverkaren vill nå toppbetyget fem stjärnor. Än så länge är det flesta stödsystem konstruerade så att föraren kan välja att ignorera det. I framtiden är det däremot meningen att systemen ska få allt mer kontroll över trafiksituationen. För att upptäcka hinder eller annat i bilens omgivning används olika sensorteknikerna. I dagens ADAS-system används kameror (vision), infraröda kameror, radar, lidar och ultraljud för att samla in information om trafiksituationen. På längre sikt – men före år 2020 – spår analysföretaget Frost & Sullivan att de två huvudsakliga sensorteknikerna i ADAS-system kommer att vara kameror och ultraljud, följt av radarsystem.