【導讀】在汽車電氣化

、智能化、網(wang)聯(lian)化(hua)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)的(de)今(jin)天(tian)，汽(qi)車(che)所(suo)用(yong)的(de)芯(xin)片(pian)數(shu)量(liang)與(yu)種(zhong)類(lei)也(ye)日(ri)益(yi)增(zeng)多(duo)。電(dian)氣(qi)化(hua)引(yin)領(ling)了(le)汽(qi)車(che)電(dian)子(zi)電(dian)氣(qi)架(jia)構(gou)的(de)革(ge)新(xin)
，催(cui)生(sheng)出(chu)域(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)等(deng)集(ji)中(zhong)式(shi)大(da)算(suan)力(li)芯(xin)片(pian)和(he) IGBT 等功率芯片。智能化則引入了多種類的傳感器和 AI 應用，帶動了雷達
、激光雷達

、攝像頭、智能座艙
、5G 車聯網等模組

、處理器、存儲芯片、以及 AI 計算芯片的發展。

在汽車電氣化、智能化、網(wang)聯(lian)化(hua)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)的(de)今(jin)天(tian)，汽(qi)車(che)所(suo)用(yong)的(de)芯(xin)片(pian)數(shu)量(liang)與(yu)種(zhong)類(lei)也(ye)日(ri)益(yi)增(zeng)多(duo)。電(dian)氣(qi)化(hua)引(yin)領(ling)了(le)汽(qi)車(che)電(dian)子(zi)電(dian)氣(qi)架(jia)構(gou)的(de)革(ge)新(xin)，催(cui)生(sheng)出(chu)域(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)等(deng)集(ji)中(zhong)式(shi)大(da)算(suan)力(li)芯(xin)片(pian)和(he) IGBT 等功率芯片。智能化則引入了多種類的傳感器和 AI 應用，帶動了雷達、激光雷達、攝像頭

、智能座艙、5G 車聯網等模組、處理器

、存儲芯片
、以及 AI 計算芯片的發展。

與消費電子芯片相比
，車規級芯片需要滿足更嚴苛的工作環境、更長久的質量保證、更嚴格功能安全的要求。

車規級芯片的功能安全是設計出來的

功能安全要求一個安全係統在發生隨機的

、係統的
、常見的故障時，不會導致安全係統故障，也不會導致人的傷害或死亡、環境汙染
、設備或生產損失。

ISO 26262 是汽車行業廣泛接受的電子功能安全標準，提供了規範及設計指導原則，貫穿產品從概念開發

、係統、硬件及軟件開發
、生產到報廢的整個開發過程。由於芯片在汽車係統中扮演著越來越重要的角色，ISO 26262 2018 版本新增加了 11 章節半導體指南，規範了覆蓋故障模式
、相關性失效分析 DFA、故障注入等通用技術
，以及對數字、模擬、存儲、可編程器件等半導體部件的具體要求。

完整的仿真、充分的驗證、自動化的過程再現等是 ISO 26262 標準推薦的功能安全芯片設計方法的一般準則
，MATLAB 基於模型設計的方法學，能夠幫助工程師快速地自動化地實踐 ISO 26262 標準。

建立芯片最終客戶關心的應用級功能模型

功能正確是功能安全的基礎，智能電動汽車芯片的功能專業、新穎、複雜，例如激光雷達信號處理、ADAS 視頻圖像處理、電池監測傳感器測量與控製、高gao壓ya電dian機ji驅qu動dong器qi等deng，需xu要yao在zai芯xin片pian設she計ji研yan發fa階jie段duan進jin行xing大da量liang的de功gong能neng建jian模mo仿fang真zhen與yu分fen析xi。基ji於yu模mo型xing設she計ji方fang法fa學xue的de一yi個ge核he心xin價jia值zhi即ji是shi建jian模mo
，建jian模mo工gong作zuo不bu僅jin包bao含han芯xin片pian內nei部bu的de功gong能neng算suan法fa模mo型xing，也ye包bao括kuo測ce試shi這zhe些xie功gong能neng所suo需xu的de外wai部bu組zu件jian和he環huan境jing的de構gou建jian
，例li如ru ADAS NCAP 測試場景、被控電機模型、鋰電池組模型，還包括 SoC 芯片的架構分析模型
，例如軟硬件劃分、內存訪問、總線競爭等等。

MATLAB & Simulink 及各種工具箱為各類智能電動汽車芯片的開發提供建模
、仿真、測試支持，以滿足 ISO 26262 對矽前功能測試的要求。

應用級係統模型能夠幫助芯片工程師確保用來評估設計的驗證簽核（signoff）標準與芯片最終客戶最關心的標準一致。

“我們的客戶中有相當一部分是Tier 1汽車供應商

，他們最關心的就是規格書中的各項性能指標，比如信噪比（SNR）和總諧波失真（THD）。他們反倒不太關心大多數 IC 驗證團隊會關心的一些主要指標，比如單個組件測試結果、代碼覆蓋率結果，以及其他硬件實現級別的指標。另外，我們的客戶利用現場試驗和真實駕駛場景來評估完整的雷達係統，而 IC 驗證團隊則使用與真實信號相去甚遠的測試圖形來評估單個射頻、模擬和數字組件。我和所在團隊定義並實現了流程前置方法學
，使得我們驗證 IC 設計的流程與客戶評估 IC 設計的標準保持一致。我們開發用於虛擬現場試驗的路試駕駛場景基於許多客戶所遵循的 Euro NCAP 標準。我們生成的功能和性能指標（如 SNR）與客戶評估自己產品中的 IC 組件所用的指標相同。”——NXP 雷達芯片工程師。[1]

可仿真的模型不僅有助於提升公司內部芯片的設計開發驗證、下一代產品的迭代優化效率，也可以虛擬處理器（vCPU）的方式服務早期客戶
，搶占市場先機。

自動化功能安全的驗證

這是一個機器人與 AI 技術開始盛行的年代
，基於模型設計的研發流程和嵌入在流程中的各種自動化工具正在越來越多的被汽車工程師和芯片工程師所采用。

ISO 26262 功能安全標準要求對芯片進行功能和結構覆蓋率驅動的驗證。而根據業內的調研結果，芯片開發過程中驗證占用了 50%的時間。使用自動化工具提高驗證效率變得非常有意義。

芯片驗證工作通常由芯片驗證工程師完成，日常地掙紮於算法專家和 RTL實現工程師的溝通洪流中。基於模型設計可以顯著提高芯片驗證效率，通過將驗證前移，提高芯片算法的質量


，從而減少算法、實現和驗證的迭代次數；同時在算法、實現和驗證傳遞可仿真的模型，也比傳遞文檔能夠減少許多溝通誤差。

在芯片模型上，工程師可以使用 Simulink CoverageTM 測量芯片模型和生成代碼中的測試覆蓋率，識別缺失的測試或意外的功能

，並在圖表上查看覆蓋率結果

；或者借助 Simulink Design VerifierTM shiyongxingshihuafangfashibiexinpianshejicuowu，faxiannanyifaxiandesiluojiheshejiquexian，zidongshengchengceshixiangliangyifenxiqueshidefugailv，xingshihuadizhengmingshejifuhexuqiu。

為加快汽車顯示芯片圖像處理 IP 核的設計和實施，瑞薩工程師采用了 MATLAB® 和 Simulink® 的基於模型的設計：“與yu傳chuan統tong的de設she計ji流liu程cheng相xiang比bi，采cai用yong基ji於yu模mo型xing的de設she計ji
，我wo們men能neng更geng早zao地di驗yan證zheng我wo們men的de算suan法fa和he係xi統tong功gong能neng，更geng快kuai地di適shi應ying需xu求qiu指zhi標biao變bian更geng，評ping估gu更geng多duo的de設she計ji替ti代dai方fang案an。基ji於yu模mo型xing的de設she計ji幫bang助zhu在zai算suan法fa專zhuan家jia和he RTL 工程師之間架起橋梁。”[2]

快速原型及 RTL 自動化生成

為了應對日益增加的競爭壓力
，芯片製造商正在縮短交貨時間表

；另一方麵
，即使設計變得越來越複雜，客戶對質量和性能的期望也在提高。許多公司發現
，傳統的設計方法——即團隊對規範進行基於文檔的驗證，並在最終生產版本之前生產多個原型已經無法跟上行業當前的步伐。

在模型充分驗證之後
，HDL Coder 可以從模型自動生成可綜合的符合行業編碼標準的VHDL 或 Verilog 代碼
，自動實現 FPGA-in-the-loop 原型驗證
，也可以通過自動生成 SystemVerilog 或 UVM 測試環境以複用模型中的測試激勵和框架，從而大大提高芯片 RTL 開發效率。MathWorks ASIC/FPGA 工作流程支持 ISO 26262 功能安全標準
，HDL Coder 是 ISO 26262 認證的開發工具。

“我們從 2014 年開始研究將 Simulink MBD 用於 ASIC 開發。矽驗證已證明自動生成的代碼 0 bug”來自 Allegro Microsystems 的經驗分享。[3] Allegro 為開發高完整性汽車傳感器芯片采用了基於模型的混合信號 IC 設計流程。

確認芯片底層軟件的功能安全

xinpiandeyunxinghaiyaoyouruanjianzhichi，cheguijixinpianzhizaoshangxuweikehutigongmanzugongnenganquandeyingjianhedicengruanjian。dicengruanjianshenzhishigongnenganquandebiyaozuchengbufen，bangzhubimianxitongyingjianguzhangyijijiancehekongzhisuijiyingjianguzhang，liru FMEDA，clock monitoring
，power monitoring，ECC protection of RAM/ROM。更多的情況下，低層軟件幫助汽車 OEM 和開發人員構建符合安全認證的應用，比如 AUTOSAR MCAL，firmware

，sensor drivers，safety monitoring，safety-certified library。

PolyspaceTM 可以對芯片底層軟件進行符合 ISO 26262 功能安全的驗證。Polyspace 是shi基ji於yu抽chou象xiang解jie釋shi原yuan理li的de代dai碼ma級ji靜jing態tai分fen析xi和he驗yan證zheng工gong具ju，使shi用yong形xing式shi化hua分fen析xi方fang法fa
，無wu需xu測ce試shi用yong例li，即ji能neng對dui代dai碼ma進jin行xing窮qiong盡jin分fen析xi。把ba代dai碼ma中zhong有you問wen題ti和he沒mei問wen題ti的de計ji算suan操cao作zuo通tong過guo顏yan色se完wan全quan區qu分fen開kai，方fang便bian底di層ceng軟ruan件jian工gong程cheng師shi聚ju焦jiao問wen題ti。

Elektrobit 開發 AUTOSAR 基礎軟件，幫助橋接芯片廠商和汽車廠商。確保符合道路車輛的 ISO 26262 功能安全標準涉及證明設計滿足安全要求，架構準確反映設計，以及架構正確實施。Elektrobit 工程師使用 Polyspace Code ProverTM完成耗時的第三階段[4]。Polyspace 的形式化方法內核還幫助 Elektrobit 驗(yan)證(zheng)高(gao)度(du)可(ke)配(pei)置(zhi)軟(ruan)件(jian)
，從(cong)耗(hao)時(shi)的(de)數(shu)千(qian)次(ci)的(de)邊(bian)界(jie)檢(jian)查(zha)方(fang)法(fa)中(zhong)解(jie)脫(tuo)。他(ta)們(men)還(hai)是(shi)用(yong)並(bing)行(xing)問(wen)題(ti)證(zheng)明(ming)，減(jian)少(shao)非(fei)必(bi)要(yao)的(de)互(hu)斥(chi)鎖(suo)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)軟(ruan)件(jian)的(de)性(xing)能(neng)。

服務汽車行業客戶事半功倍

汽車行業廣泛采用基於模型的設計（Model-Based Design）開發流程，汽車芯片廠商為自家芯片提供基於 Simulink 的高效、高性能
、安全認證的硬件支持包
，能更好地服務客戶。典型的例如，Infineon Aurix 高性能 MCU 支持包，NXP model-based design toolbox等。這些支持包能夠將 Simulink 算法生成針對芯片優化的代碼部署到芯片上，有效地將算法裁剪為異構硬件架構，配置和生成所有必要的底層軟件，使用處理器在環 PIL 進行測試
，生成啟動點以在 Synopsys Virtualizer 和硬件上測試代碼等，從而幫助汽車行業工程師縮短項目開發周期。

小結

車規級芯片需要滿足汽車功能安全標準 ISO 26262 的各項要求，MATLAB 基於模型設計方法幫助芯片開發過程符合功能安全標準的一般準則，包括完整的仿真
、充分的驗證、自動化的過程再現，並提供一係列工具提高芯片係統與功能建模、驗證自動化、原型和 RTL 實現、底層軟件驗證等過程的質量和效率。與此同時，車規級芯片未來的客戶們——汽車行業工程師正在廣泛使用基於模型設計方法開發智能電動汽車應用。

參考文獻

[1] https://ww2.mathworks.cn/company/newsletters/articles/environment-in-the-loop-verification-of-automotive-radar-ic-designs.html?s_tid=srchtitle_%25E6%2581%25A9%25E6%2599%25BA%25E6%25B5%25A6_2

[2] https://ww2.mathworks.cn/company/user_stories/renesas-designs-and-implements-image-processing-ip-core-for-asics-with-model-based-design.html

[3] https://ww2.mathworks.cn/videos/a-mixed-signal-model-based-design-flow-for-automotive-sensors-1481312986577.html?s_tid=srchtitle_allegro_1

[4] https://ww2.mathworks.cn/company/newsletters/articles/removing-run-time-errors-from-autosar-components-using-polyspace-code-verifiers.html?s_tid=srchtitle_Elektrobit_1

作者：陳曉挺
，MathWorks中國區通信
、電子和半導體行業市場經理
，主要負責CES行業市場、合作夥伴與客戶開發。畢業於西安交通大學和中國科學院，獲通信專業博士學位。加入MathWorks之前，曾就職於中國科學院和華為
，在通信係統設計
、電子係統研發以及項目管理等領域有豐富的經驗。

關於 MathWorks

MathWorks 是數學計算軟件領域世界領先的開發商。來自該公司的 MATLAB 被稱為“科學家和工程師的語言”，是一個集算法開發
、數據分析、可視化和數值計算於一體的編程環境。Simulink 則ze是shi一yi個ge模mo塊kuai化hua建jian模mo環huan境jing
，麵mian向xiang多duo域yu和he嵌qian入ru式shi工gong程cheng係xi統tong的de仿fang真zhen和he基ji於yu模mo型xing的de設she計ji。這zhe些xie產chan品pin服fu務wu於yu全quan球qiu工gong程cheng師shi和he科ke學xue家jia
，幫bang助zhu他ta們men加jia快kuai步bu伐fa
，在zai汽qi車che、航空航天
、通信
、電子、工業自動化及其他各行各業更快地實現發明
、創新和開發。MATLAB 和 Simulink 產品是全球眾多頂級大學和學術機構的基本教研工具。MathWorks 創建於 1984 年
，總部位於美國馬薩諸塞州的內蒂克市（Natick, Massachusetts），在全球擁有34個分支機構
，共有 6,000 多名員工。

（作者： MathWorks中國陳曉挺博士）

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