Зрительная кора и прочие мозги для автопилота

В прошлый раз мы рассказали об обилии «органов чувств», с помощью которых  Audi AI traffic jam pilot, «пробочный автопилот», получает представление об окружающем мире, точнее – дорожной обстановке. Ну а сейчас мы рассмотрим его «мозги», те вычислительные средства, которые обрабатывают в реальном времени и с высоким резервированием исключительно плотные потоки информации, и те семейства микросхем, на которых они выполнены.

Воспользовавшись в прошлый раз сравнением камер, сонаров, радаров и лидара с органами чувств животных, продолжим эту метафору дальше, к мозгу. Мозг – штука невероятно сложная, сформированная сотнями миллионов лет эволюции, и дорогостоящая. Мозг человека, имея массу не более 1,5—2% от массы тела, потребляет четверть всей, достающейся организму, энергии. И столько ресурсов природа выделяла ему не для того, чтобы он размышлял о морально-этических проблемах, но для решения повседневных задач выживания, требующих обработки сигналов идущих от органов чувств.

Трудно сказать, пользовались ли инженеры Audi приемами инженерной дисциплины бионики, состоящей в копировании в технике решений живой природы, или решение сходных задач приводит к сходным решениям, вроде как формы ихтиозавра, акулы и дельфина, из которых один ящер, другая рыба, а третий млекопитающее. Но в результате структура компьютерной начинки  Audi AI traffic jam pilot удивительно похожа на центральную нервную систему высших млекопитающих, включая человека.

Зрительная кора головного мозга – в авто-пилоте ее роль играют микросхемы Mobileye EyeQ3
Зрительная кора головного мозга – в авто-пилоте ее роль играют микросхемы Mobileye EyeQ3

Итак, самое привычное, аналог зрения, видеокамеры. Их у AI traffic jam pilot  шесть – четыре видеокамеры кругового обзора,  дополнительная фронтальная камера, инфракрасная камера. И для обработки их авто-пилот имеет то, что можно назвать аналогом видеокоры. Это – система технического зрения Mobileye EyeQ3. Mobileye – это основанная в 1999 г. израильская технологическая компания, в 2017 году ее купил процессорный гигант Intel, выложив $15,3 млрд, 30% от того, сколько в тот момент стоил широкоизвестный «Газпром».

Разработку микросхемы EyeQ компания Mobileye начала в 2004 г., с той поры сменилось несколько поколений чипов. В авто-пилоте AI traffic jam pilot  используется третье поколение – Mobileye EyeQ3, представленный в 2014 году. Специализация на задачах технического зрения позволила разработчикам добиться высокой производительности при низком энергопотреблении. Это не самая свежая разработка израильских инженеров – сейчас доступны и чипы EyeQ4 четвертого поколения. Однако то, что в серии 2018 года используется кристалл 2014 года, дает представление о сроках разработки столь технически сложной системы.

Что же делают микросхемы Mobileye EyeQ3 в автопилоте? А делают они примерно то же, что и первичная зрительная кора головного мозга человека – она сжимает и анализирует данные с фронтальной камеры. Кстати, аналогия с человеческим зрением (получающим сигналы от светочувствительных палочек и цветочувствительных колбочек) усиливается наличием у автомобиля инфракрасной камеры. То есть – сигналы с матриц камер в микросхеме  Mobileye EyeQ3 превращаются в сигналы о геометрическом положении и типе объекта.

Лидар, лазерный локатор, не имеет аналогов в природе. Обратим внимание – у него механическое сканирование, как у первых систем телевидения…
Лидар, лазерный локатор, не имеет аналогов в природе. Обратим внимание – у него механическое сканирование, как у первых систем телевидения…

Сигналы с близкодействующих сонаров, ультразвуковых локаторов, и с радаров среднего диапазона соотнести с человеческим слухом не получится. Их аналог – нейросети летучих мышей для сонаров,  и гидролокаторы  у дельфинов. Поскольку вода плотнее, и лучше проводит звук, то радары автомобиля более органично будет сравнить с гидролокатором китообразных. Сигналы от этих устройств обрабатываются и сводятся в единый информационный массив с помощью микросхем  Cyclone V от компании Altera. Altera с 1983 г. занимается разработкой программируемых логических интегральных схем, в 2015 г. ее купил Intel за $16,7 млрд.

Реклама на Компьютерре

Выполненные по  28-нм технологии, микросхемы семейства СБИС ПЛ Cyclone V имеют  своей основой адаптивные логические модули, настраиваемые на конкретную задачу.  Кроме этого, кристаллы семейства Cyclone V содержат блоки цифровой обработки сигналов переменной точности, блоки встроенного ОЗУ,  высокоскоростные приемопередатчики, аппаратные IP-блоки (контроллеры PCI Express и контроллеры внешней синхронной памяти), и средства защиты проекта от несанкционированного копирования и модификации. Последнее критически важно для чипов встраиваемых в автомобиль, средство повышенной опасности!

Точно так же, как и Mobileye EyeQ3, Altera Cyclone V за счет специализации обеспечивает низкое энергопотребление при высокой производительности, скорости обмена от 3,125 до 5 Гбит/с. Массовое производство чипов Cyclone V (настраиваются на задачу они уже у разработчика, программированием) обеспечивает и их доступную цену. А это тоже крайне важно для столь распространенной вещи, как автомобиль, и дает надежду на скорое внедрение автопилотов в машины не только представительского класса…

Конструкция бортового компьютера zFAS создана с учетом возможностей масштабирования и модернизации
Конструкция бортового компьютера zFAS создана с учетом возможностей масштабирования и модернизации

Аналог головного мозга авто-пилота – это zFAS, zentrales Fahrerassistenzsteuergerät, Центральная система помощи водителю. Ее часто называют немецкой аббревиатурой zFAS даже в англоязычных текстах. Его нейросеть сделана на трех микросхемах NVIDIA Tegra K1. С фирмой NVIDIA сталкивался каждый, кто играл в видеоигры. Это производитель видеокарт и процессорных наборов для них. Чип NVIDIA Tegra K1 – это созданная для мобильных устройств «система на кристалле», использующий  микроархитектуру Kepler, такую же, как и в видеокартах класса GeForce 600 и Tesla.

На кристалле размещены процессорные ядра, кэш инструкций, оперативная память, мощный видеоускоритель. Все это в одном корпусе и с энергопотреблением до 8 Вт. Скорее всего, именно потенциал видеопроцессора используется для сведения данных от всех датчиков в объемную картинку дорожной среды, опознания окружающих объектов и принятия решений на движение. «Поднимать» информацию до верхнего уровня помогает кристалл TriCore (микроконтроллер с сигнальным процессором в одном корпусе), производимый германской Infineon Technologies AG.

Есть у авто-пилота и свой «мозжечок», орган  отвечающий за координацию движений, регуляцию равновесия и мышечного тонуса. Скоростью и направлением движения автомобиля при автономном движении управляет также кристалл TriCore, теперь в ипостаси микроконтроллера. Похоже, именно он принимает на себя управление пневматической подвеской в аварийных ситуациях, когда надо подставить под неминуемый удар максимально прочную часть машины. Но точно сказать трудно – и информации мало, и zFAS (серийное производство возложено на компанию Delphi, глобального поставщика автокомплектующих) изначально сконструирован с учетом постоянного развития и модернизации.

И – замену комплектующих на более современные и мощные. И ­– внедрение функций автообучения авто-водителей, путем обмена информацией через фирменную сеть высокоскоростного мобильного интернета.Но это – дело будущее. Пока же обратим внимание на то, что для создания автономных автомобилей потребовалась скоординированная работа специализированных высокотехнологических фирм всего мира.