为什么选择风河车载高性能计算网关

作者:Ty Kim and Michel Chabroux 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:54 发布时间:2019-09-11
借助于SOA,可以通过公共IPC API在应用层级上发现车内和车外服务(即逻辑单元)。这就提供了一种从异构硬件和软件环境进行抽象的机制,允许开发人员在车载ECU网络内、甚至从车辆外部灵活地分配和整合工作负载,从而提升了低延迟边缘计算的能力。
为什么选择风河车载高性能计算网关

CAE(互联性、自动化和电动化)是汽车工业界的三大趋势,由此要求车载计算机具备更高的性能。车辆一方面被认为是一种消费类设备,同时又具有网络设备所要求的互连性和安全防护能力,以及工业设备所要求的功能安全性和可靠性。

车内互连性需要一个车内网关,将系统中的多个电子控制单元(ECU)与各种网络协议连接起来。随着对更高带宽需求的增加,以太网正在成为车载网络的关键组成部分。正在来临的5G网络为车辆带来更多的网络互连,使车载计算和边缘计算之间的工作负载能够灵活分布,并扩展了车辆在更大的云环境中作为计算节点的角色。这就催生了许多互连应用场景,从非常实用的空中(OTA)软件更新,到支持自治驾驶的面向服务架构(SOA)。

HPC网关

车辆中许多部件都将自动化,从而使驾驶更加安全、更加简便。较为简单的驾驶员辅助系统将会演进成为更复杂的自治驾驶系统,对计算能力产生了更高的需求,以便处理更大量的输入数据,并且覆盖整个车载网络实现ECU协同。

有多种不同的方式来实现多ECU之间的工作负载整合与分配,其中可以包括功能安全和信息安全,构成混合型工作负载。拥有高性能计算(HPC)网关,就可以使用适当的SOA方法,实现灵活的系统部署和升级。HPC网关可以集中化地访问互连车辆数据,从而有助于充分释放数据的价值。

电动化则是环境和监管压力造成的结果。以电动系统取代内燃机系统,可以减少二氧化碳排放。同时,更好的互连性和更高的自动化程度,也是新的需求方向。电动化总成需要配备更多的ECU,同时这些ECU与云之间的互连性对于电池和里程管理、数据分析以及各种功能的无线更新/升级都非常重要。

HPC网关的软件架构

面向服务的体系架构(SOA)听起来像是一个抽象的概念,但实际上它已经变得远比从前更为实用化,这要归功于整个业界围绕AUTOSAR Adaptive Platform做出的大量努力。AUTOSAR (AUTomotive Open System ARchitecture,汽车开放系统架构)是一个遍布全世界的开发合作伙伴组织,由汽车制造商、零部件供应商以及汽车电子、半导体和软件企业组成。

自2003年成立以来,AUTOSAR的合作伙伴体系成功地领导着深度嵌入式ECU标准化软件体系结构,其基础都是AUTOSAR Classic Platform。伴随着先进驾驶辅助系统(ADAS)和自治驾驶硬件与软件的迅速发展,这个合作伙伴体系又针对AUTOSAR Adaptive Platform定义了一套新的标准,基础部分包括POSIX API、灵活的应用生命周期管理以及SOA。

借助于SOA,可以通过公共IPC API在应用层级上发现车内和车外服务(即逻辑单元)。这就提供了一种从异构硬件和软件环境进行抽象的机制,允许开发人员在车载ECU网络内、甚至从车辆外部灵活地分配和整合工作负载,从而提升了低延迟边缘计算的能力。

SOA的基础是通信协议。作为标准的一部分,AUTOSAR定义了2个协议绑定:SOME/IP和DDS。这两种协议通常运行在UDP/TCP/IP堆栈上,以处理现代ADAS和自治驾驶系统所需的带宽。底层网络栈的可靠性和性能将对整个系统的稳定性产生至关重要的影响。

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从表1可以看出VxWorks所具备的网络吞吐量,其示例硬件环境是配备了千兆以太网接口的NXP LS1043A-RBD板。其中有几点值得注意:

对于平均的数据包长度,吞吐量达到了在线或近线速率。在许多情况下,其性能优于Linux。

单核配置的吞吐量与4核配置的吞吐量数据基本相同。由此告诉我们,如果CPU在单核配置中达到最大值——通常情况并非如此,那么当启用4核时,一个CPU将有3个核可用于执行计算和其他操作。所有上述测量都是使用iperf3完成的。网络栈性能是真实应用场景的良好指标,其中考虑到了TCP/IP软件栈的复杂性、所涉及的进程/任务的数量、要处理的系统调用以及要参与复杂事件和所有权同步交换的内存缓冲区。

Adaptive AUTOSAR中间件和高性能网络堆栈提供了坚实的基础,可以以最灵活的方式面向HPC网关来开发和部署应用。例如,如果软件是基于Adaptive AUTOSAR标准所提供的服务发现协议来进行设计,那么最初的开发就可以使用外部ECU提供的服务进行传感器融合。随着硬件设计的稳定和应用场景的成熟,传感器融合服务就可以引入HPG网关本身,但却不要求对其他应用做出重大修改。

操作系统和混合关键应用

HPC网关可以承载具有不同安全级别的各类应用。一些基本的网关功能包括协议转换和不同类型车辆网络之间的数据路由。然而,随着CPU计算能力的提高,再加上基于硬件的包处理技术可以为其他任务释放更多的CPU带宽,你就可以运用更强的分区技术来实现更健壮的系统设计。

例如,使用机器学习方法开发的算法可能已经在Linux环境下进行了原型化和验证。与其将整个应用程序移植到不同的环境中,就不如采用Hypervisor做为“Linux底盘”,而让这些算法不经修改而照样运行。根据配置的不同,这可以为人工智能(AI)应用提供相同的运行环境,最大限度地减少在实验室环境中开发的应用程序做必需的移植和验证工作。

另一种情况则是使用更强的分区技术来提高安全性。Linux或VxWorks客户操作系统可以通过其自身增强的安全堆栈,以独占方式访问外部以太网控制器或调制解调器,但可以在客户操作系统外部进行由外而内的健康和健全性监视,从而提供额外的入侵检测层和损害管理,包括重新启动扮演防火墙角色的客户操作系统。

Wind River Helix Virtualization Platform(虚拟化平台)具备健壮的分区技术,在任何情况下都可以为级别最高的工作负载提供安全的操作系统,让这个操作系统与其他分区完全隔离,从而确保免受任何干扰。

结论

在异构硬件和软件环境中开发车载HPC网关可能是一项艰巨的任务。现代SOC的计算能力不断提高,再加上最先进的人工智能技术带来的复杂性,而且业界对最佳功能安全架构的各执己见,所有这些因素都只会使事情变得更加复杂。

基于Adaptive AUTOSAR标准的面向服务体系结构(SOA)得益于业界的强大支持,可以提供工作负载管理的灵活性。Wind River Helix Virtualization Platform(虚拟化平台)为实用的功能安全体系结构提供了更多的设计选择,并为网络安全增加了保护层,可做为未来自治驾驶车辆的首选平台。