摘要

本文介紹了瑞薩在早期設計階段針對自動駕駛（AD）和高級駕駛輔助系統（ADAS）的SoC中用于AI處理的深度神經網絡（DNN）加速器的性能、電路尺寸和功耗的工作內容。

Yuji Obayashi

Principal Software Engineer

背景

近年，隨著深度學習（DeepLearning）人工智能（AI）技術的進步，我們的生活中出現了許多直接有益的應用場景，例如自動翻譯精度的提升和根據消費者喜好的個性化推薦。截至2023年，AI在某些領域已經成為產品和服務中不可或缺的應用，其中之一就是自動駕駛（AD）和先進駕駛輔助系統（ADAS）。

以深度神經網絡（DNN）為代表的最新人工智能模型的處理需要大規模的并行計算，因此在PC開發中通常使用通用的GPU進行并行計算。另一方面，用于AD和ADAS的SoC多數搭載了專用電路（以下簡稱加速器），實現了低功耗和高性能的DNN處理。然而，在SoC開發的早期階段，確認搭載的加速器能否在實際所需的DNN中提供足夠的性能通常并不容易。性能比較的指標常常使用加速器設計上的最大計算性能TOPS（Tera Operations Per Second）值，或者其與運行時消耗的功率相除得到的TOPS/W值。然而，由于加速器是針對特定處理的專用設計^（*1），即使TOPS值足夠高，在實際所需的DNN中也可能由于存在無法高效處理的計算或數據傳輸帶寬不足等問題而無法提供足夠的性能。此外，加速器的功率增加可能導致整個SoC的功耗超過可接受的范圍。

（*1）專用設計：雖然使用通用GPU作為加速器也是可能的，但處理特定任務的硬件，可以在較小的電路規模和功耗下獲得更高的處理性能。例如瑞薩的車載SoC R-Car V3H、R-Car V3M和R-Car V4H搭載的加速器具有專為處理DNN中使用卷積操作進行特征提取的卷積神經網絡（CNN）任務而設計的結構。

隨著SoC開發的深入，由于性能不足或功耗過大等原因而進行設計變更的難度普遍增加，對SoC開發進度和開發成本的影響也隨之增加。因此，在開發面向車載AI設備的SoC時，確認搭載的加速器能否在實際顧客產品中所需的DNN中提供足夠的性能，并且功耗是否在可接受范圍內，已成為迫切的問題。

面向AD/ADAS的一般AI開發流程

在解釋如何解決上述問題之前，先簡單介紹一下AD/ADAS的AI開發流程。下面的圖1展示了在AD/ADAS中以軟件為核心，并包括部分SoC開發的AI開發流程的示例。

圖1：AD/ADAS中AI開發流程的例子

圖1將整個開發工作分為六個階段，其中第2和第3階段為SoC電路設計，其他第1和第4-6階段為軟件開發。下面給出了每個階段的工作概述。

第一階段 AI Application/Service Common Development

利用PC和云環境，以應對市場需求和技術趨勢，開發面向AD/ADAS的AI應用程序和服務。

第二階段 AI Accelerator Detail Design

涵蓋了構成加速器硬件的部件設計，如計算單元、內部存儲器和數據傳輸單元。

第三階段 AI Accelerator Configuration

在第三階段中，第二階段中設計的組件被組合起來，以優化面積、功率和性能之間的權衡，同時確定加速器在SoC中的配置以實現各自的設計目標。

第四階段 DNN Model Architecture Design

在第三階段中確定的加速器配置被用來優化每個用于客戶產品的DNN網絡的結構。

第五階段 DNN Inference Optimization

將針對經過第四階段結構優化的每個網絡進行適用于加速器的代碼生成，并進行精度和處理時間的詳細評估。同時，將對代碼和模型數據進行優化，以提高性能。

第六階段 Application Development

將使用第五階段中優化的代碼和模型數據，將AI處理部分嵌入到實際的自動駕駛等處理中，并進行應用的實現和評估。

瑞薩的工作

在上一節所示的AD/ADAS中的AI開發流程中，判斷實際使用的DNN是否能夠在所配備的加速器上提供足夠的性能，通常需要在決定加速器配置的第三階段AI Accelerator Configuration中進行決策。

傳統上，在這一階段的決策是通過使用類似加速器的現有SoC進行的基準測試結果來估計的，但對于因增加或改變功能而與現有SoC規格不同的部分，無法獲得基準測試結果，因此無法通過高度精確的估計來確定是否能達到設計目標。

瑞薩通過使用PPA Estimator（PPA：Performance，Power，Area）而不是現有的SoC基準測試來解決這個課題。PPA Estimator通過使用反映加速器每個組件設計的性能和功率計算模型，使性能和功耗在加速器配置最終確定之前得到估算。具體來說，列出可能的加速器配置（可改變的加速器參數的組合，如處理單元的數量和內部存儲器的容量）進行評估，選擇其中一個配置并與要評估的一個DNN一起輸入PPA Estimator中，以獲得所需的執行時間和功耗。然后，可以針對所需評估的加速器配置和DNN的數量進行重復操作，收集數據，并找到最佳的加速器配置。如此，不僅可以確定一個特定的加速器配置和DNN組合是否有足夠的性能，而且還可以收集廣泛的數據并從中選擇最佳加速器配置。

此外，為了使第三階段AI Accelerator Configuration更加有效，瑞薩還通過將從PPA Estimator執行結果中獲得的信息反饋給目標DNN的網絡模型，并行改進軟件方面的工作，也就是進行硬件-軟件聯合設計（co-design）。AI Accelerator Configuration階段的工作流程如下圖2所示。

圖2：AI Accelerator Configuration工作流程

瑞薩已開始將PPA Estimator應用于從2023年開始的一些帶有AI處理加速器的AD/ADAS的SoC的開發中，并計劃逐步擴大應用范圍。瑞薩將利用PPA Estimator的高度精確性能尋找最佳配置以開發高性能、低功耗的車載AI加速器。

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