特斯拉AP3.0（FSD版）域控制器拆解分析学习笔记

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导读

最近由于工作需要，整理了一下Tesla、NVIDIA、WAYMO等自动驾驶领头羊的一些资料，主要是关于域控制器、硬件架构、系统架构方面的梳理。特斯拉的技术能让大众汽车甘拜下风，NVIDIA的AI计算平台绝对是行业首屈一指，学习学习，站在巨人的肩旁上，才能看得远不是。一个不正经的工程师，看的不远，但是跟风而行不掉队，还是可以滴！

关于特斯拉自动驾驶技术的讨论在行业内是非常热闹的，特斯拉主张的视觉路线虽然从成本角度讲是很有优势的，但是其算法和控制的复杂程度绝对是最大的最难的，相比之下自动驾驶领域另一佼佼者Waymo坚持激光雷达优先的技术路线反而相对来说实现起来容易一点，但是激光雷达的高昂成本给量产造成障碍，不过国内自动驾驶行业基本上在L3以上都会有激光雷达，并且不止一个，比如百度Apollo、小马智行等等。最近关注了网络上关于特斯拉Autopilot AP3.0的拆解，作为行业内的一个不太正经的工程师，也跟了一把风，记记笔记。特斯拉AP2.0、AP2.5、AP3.0电路板对比佐思汽研估算单算芯片价格估计为5000人民币，整块板子成本大约在7500-8500人民币之间（含接插件），虽然车规级接插件，尤其是高速通信的以太网连接器比较贵，但是不能忽略这个电路板PCB的成本，这个美国TTM出品的PCB可以和电脑主板叫板了，量产价格也得200左右（估）。特斯拉FSD的选装价是5.6万元，虽然有软件成本分摊，但是这价格确实有点黑。据说这个AP3.0也是由台湾广达（全球第一大笔记本电脑代工厂）在上海松江的工厂代工。LPDDR 全称是Low Power Double Data Rate SDRAM，是DDR SDRAM的一种，又称为 mDDR(Mobile DDR SDRM)，是目前全球范围内移动设备上使用最广泛的“工作记忆”内存。特斯拉的LPDDR4（8BD77D9WCF）是Micron美光供应。8表示年份2018，B 表示第 4 周，D 代表 D-Die，属于镁光产品线中性能相对一般的型号，77 分别代表芯片生产地和封装地，7 代表中国台湾（5 代表中国大陆）。所以，这是一颗美光 2018 年第二周生产的D-Die颗粒）D9WCF对应型号为MT53D512M32D2DS-046AAT。53 代表这是一颗 LPDDR4 颗粒；D 代表1.1V 的工作电压；512M 表示单颗颗粒的容量为 512MB；32 表示单颗粒位宽为 32bit，D2 表示这款颗粒是双层封装，也就是单颗体积里面有两颗 512MB 的颗粒，总容量 1GB；DS 是包装编号；046表示这款颗粒的工作频率是 2133MHZ；第一个 A 表示Automotive，车用颗粒；后面的 AT 表示 Automotive Temperature。FSD的GPS模块是NEO-M8L-01A-81，水平精度圆概率误差（英文简称CEP- Circular Error Probable）为2.5米，有SBAS辅助下是1.5米，接收GPS/QZSS/GLONASS/北斗，CEP和RMS是GPS的定位准确度(俗称精度)单位，是误差概率单位。冷启动26秒，热启动1秒，辅助启动3秒。内置简易6轴IMU，刷新频率20Hz，量大的话价格会低于300元人民币。UFS（Universal Flash Storage）采用THGAF9G8L2LBAB7，Toshiba 2018年中期量产的新产品，车规级标准UFS，AEC-Q100 2级标准，容量32GB，由于特斯拉的算法模型占地不大倒也够用。MAX20025S是开关型电源稳压器，给内存供电的，来自Maxim Integrated，目前查不到更多的介绍资料。S512SD8H21应该是Boot启动，由Cypress（已被Infineon收购）供货。特斯拉板子的右边从上到下依次是FOV摄像头、鱼眼环视摄像头、A柱左右摄像头、B柱左右摄像头、前视主摄像头、车内DMS摄像头、后摄像头、GPS同轴天线。左边从上到下依次是第二供电和I/O接口（车身LIN网络等），以太网诊断进/出、调试USB、烧录、主供电和I/O（底盘CAN网络等）。特斯拉用了3片TI的FPD-LINK，也就是解串器芯片，解串器芯片都是配对使用，加串行一般在摄像头内部，解串行在PCB上。两片DS90UB960，与其对应的可以是 DS90UB953-Q1, DS90UB935-Q1,DS90UB933-Q1, DS90UB913A-Q1。DS90UB960拥有4条Lane，如果是MIPI CSI-2端口，每条Lane带宽可以从400Mbps到1.6Gbps之间设置。上图为TI推荐的DS90UB960的典型应用示意图，即接4个200万像素帧率30Hz的YUV444数据，或者4个200万像素帧率60Hz的YUV420数据。DS90UB954是DS90UB960简化版，从4Lane减少到2Lane，与之搭配使用的是DS90UB953。由于大部分摄像头的LVDS格式只能用于近距离传输，因此摄像头都要配备一个解串行芯片，将并行数据转换为串行用同轴或STP传输，这样传输距离远且EMI电磁干扰更容易过车规。目前行业内做解串行芯片用的较多的就是德州仪器TI以及Maxim，特斯拉用的是德州仪器，而我们做开发接触的较多的是Maxim，可能是源于NVIDIA的AI芯片平台设计推荐，目前智能驾驶方面用的摄像头大部分都是Maxim方案。（摄像头的数据格式通常有RAWRGB、YUV两种。YUV常见的有三种级YUV444，YUV422和YUV420。计算带宽的公式是像素*帧率*比特*X，对RAW RGB来说X=4，比如一款摄像头输出30Hz，200万像素，那么带宽是200万x30x8x4，即1.92Gbps。YUV444是像素X帧率X比特X3，即1.44Gbps，YUV422是像素X帧率X比特X2，即0.96Gbps，YUV420是像素X帧率X比特X1.5，即0.72Gbps。ADAS通常对色彩考虑不多，YUV420足够。除车载外一般多采用YUV422。）上图为NVIDIA DriverPX2框架图和接口示意图，显示使用了12个GMSL接口，NVIDIA解串行用的是Maxim的GMSL。显然NVIDIA用了3片Maxim的GMSL，每片再连4颗摄像头，（有传言Maxim可能为英伟达定做了GMSL解串行芯片），目前Maxim最高等级的GMSL芯片是MAX9296，摄像头里对应的芯片为MAX9295，最高带宽为12GBps，能对应两个800万像素。这两个组合目前是业内的最高配了，目前除了一些大公司或者Tier1，其他的研发公司基本上拿不到。而TI量产芯片中，最高就是DS90UB960，只能对应6Gbps带宽。目前行业内GMSL加MIPI CSI-2对应高像素ADAS辅助驾驶的应用属于主流，虽然有人推荐更高性能的以太网，但是目前车载以太网还不成熟，而且大多用于激光雷达。行业内MIPI（LVDS，MIPI是LVDS协议的一种）与以太网的竞争目前以太网较为落后。相对于LVDS，以太网的优势是带宽更高，可靠度更强，链路层协议非常周全，安全性、延迟等要好过LVDS，总线拓扑更灵活，更容易桥接交换。但是对汽车行业来说，车载以太网虽然这几年比较热门，但是毕竟是较为新颖的概念并且还未形成统一标准，研发工程师需要时间来摸索熟悉，而MIPI已经非常成熟，几乎垄断车载摄像头市场，工程师们对其应用非常熟悉，用于开发的话周期短很多。目前以太网阵营有Marvell、博通、瑞萨和NXP以及大部分传统网络通信厂家。而LVDS这边只有德州仪器和Maxim，只有这两家能玩转解串行。以太网领域超过10Gbps带宽的PHY厂家屈指可数，最常见的就是 Aquantia，不过在2019年5月被Marvell在以4.52亿美元的价格收购，Aquantia以万兆网卡出名，据说一张网卡要价130美元。最近在研究PHY交换机，行业内缺少资源不说，这个价格也实在是让人咬牙跺脚！MCU是InfineonTC297t，目前属于唯一选择，行业内用的也比较多，比如ZF的域控制器，或者其他基于Xavier设计的域控制器内部的MCU都是这个TC297T。FSD没有用PCIe的以太网交换机，作为SOC芯片，也没有集成PHY芯片功能。估计和AP2.5一样还是88EA1512。特斯拉采用88EA6321连接两个FSD作为数据交换核心，同时可能还有GPS和以太网诊断，特斯拉没有激光雷达，毫米波雷达用博世的是CAN通讯，因此也就不涉及到以太网，这与特斯拉一直走的视觉路线相吻合。88EA6321是Marvell 第一代车载以太网交换机，提供7通道千兆以太网，完全符合 IEEE802.3 车载标准，支持 AVB（音频/视频桥接功能），并支持低能耗。上图为88E6321的内部框架图，这是一个针对汽车EAVB的7口以太交换机，2014年底推出，有两个IEEE10/100/1000BASE-T/TX/T接口（对应传统的RJ45即我们常说的水晶头），两个RGMII/xMII接口或一个GMII接口，2个SGMII / Serdes接口，1个RGMII/xMII接口，MII即MediumIndependent Interface，RMII为ReducedMII，SMII为Serial MII，GMII是Giga MII。MII（Media Independent Interface）即媒体独立接口，MII接口是MAC与PHY连接的标准接口。它是IEEE-802.3定义的以太网行业标准。10/100/1000BASE-T/TX/T指传输线缆。Port2、5、6可以配置为MAC模式或者PHY模式，均支持RGMII/RMII/MII，2、6Port还支持GMII。Port3、4支持10、100、1000M自适应以太网接口。Port0、1支持100M、1000M光口（SFP）。国内很多企业用88E6321做交换机，博世也用其做过网关。但是EAVB（Ethernet Audio Video Bridging）不是严格意义上的汽车以太网标准，它是IEEE的802.1任务组于2005开始制定的用于车载实时音视频的传输协议集。EAVB一直没推广开，其原因在于汽车内传输音视频流最典型的应用是娱乐系统，这种系统不用考虑延迟问题。而其他汽车应用大多是纯视频流，EAVB需要硬件压缩然后再解压，这就大幅度增加成本。而纯视频可以采用低成本传输方式，比如GMSL、MIPI或FPDLINK。IEEE在2012年11月，将EAVB小组改名为TSN（Time Sensitive Networking），就是时间敏感网络。意味着严格意义上的汽车以太网标准出世。当然TSN是一系列标准。TSN核心工具TSN相对EAVB来说最强的地方在于对L4的支持，即802.1CB协议。这也是L4级无人驾驶必须用TSN的主要原因，也只有TSN能让整个系统达到功能安全的最高等级ASIL D级。同样，与自适应AUTOSAR的捆绑程度也比较高。此外， 与传统的IP/VLAN路由相比，TSN有几大优势：没有CPU运算能力和带宽瓶颈限制，和其他ECU没有交叉依赖，有更快的并行启动，交换和MCU有独立的Reboot，高度的灵活性。特斯拉的两片FSD是加强算力，而非是一片做冗余系统。出于安全角度，L4级无人驾驶需要一个冗余处理器，802.1CB的作用就是建立主处理系统和冗余处理系统之间的通讯机制。802.1CB是两套系统间的冗余，芯片之间的冗余还是多采用PCIE交换机的多主机fail-operational机制。特斯拉的交换器端口有预留，可能为以后的扩展考虑，比如V2X。特斯拉的FSD设计中比较激进一点就是采用EAVB做自动驾驶的核心交换，虽然EVAB不是个标准车规级的东西，不过目前在没有更好的选择情况下，特斯拉的激进就是先进之处了。

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智能汽车不仅仅是当下的热门，也是未来趋势所在，作为一个汽车电控工程师，研究、设计、产品，这是工作；但是拆解、分析，形成自己的设计语言，这是兴趣。每个阶段有不同的收货，整理一下，记个笔记，给自己烙个印，也分享一下，共勉！

作者：风语辰

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