安霸CV2FS/CV22FS获得ASIL C芯片功能安全认证

Posted 2023-05-05

参考技术A

　　日前，Ambarella (下称“安霸”专注AI视觉感知的半导体公司) 宣布，其汽车AI视觉感知芯片（SoC）CV2FS/CV22FS成功通过exida的ASIL C芯片功能安全认证，获得证书，并且其内置的功能安全岛为ASIL D级别。CV2FS/CV22FS这一功能安全等级比通常用于前视ADAS到L4级自动驾驶的AI SoC的ASIL B等级更为严格。有了CV2FS/CV22FS芯片，汽车整车厂和Tier-1可以更容易提升系统的功能安全等级，缩短产品上市时间，提升AI计算性能，降低成本和功耗。

　　exida是全球领先的产品认证和知识产权公司，专注于汽车和自动化系统功能安全评估、报警管理、网络安保评估和产品测试认证。exida为客户提供与功能安全标准实施以及其它标准相关的帮助和指导。exida认证安霸芯片CV2FS/CV22FS符合ISO 26262汽车功能安全标准的ASIL C要求，包括：基于符合ISO 26262的芯片开发流程的ASIL C级系统能力；基于芯片内嵌的安全机制ASIL C诊断覆盖率；评估设计检测和控制随机硬件故障的能力。

　　exida的首席运营官Alexander Griessing说：“祝贺安霸芯片CV2FS/CV22FS 获得ISO 26262 ASIL C功能安全认证。安霸设计该款芯片时，从硬件设计到软件开发流程都全面符合ASIL C的功能安全要求，并在大量集成的自研IP中增加了各种功能安全机制。"

　　安霸首席运营官Chan Lee表示：“安霸芯片CV2FS/CV22FS能获得高级别认证，得益于芯片设计伊始，我们就将汽车功能安全纳入CVflow AI 芯片设计流程中，而不是像其它众多芯片厂商那样后期才对其进行改造。通过此方法并结合我们的自研重心（包括业界领先的ISP图像处理和AI硬件加速引擎CVflow），安霸在设计最高ASIL级的芯片架构方面，相比同行业更具优势。"

　　汽车安全完整性等级（ASIL）是由ISO 26262 标准针对道路车辆的功能安全性定义的风险分类系统。该标准包括四种ASIL等级，从A到D，其中D的产品功能安全性要求最高，A为最低。ASIL认证等级是通过对潜在危险进行风险分析，在各种车辆运行情况下评估各种危险的严重程度、接触概率和可控性，来进行评定。字母级别是根据这些危险的处理情况，以及标准对每个ASIL级别定义的安全目标来进行分配。此前，业界主流的视觉AI SoC的芯片功能安全等级一般没有超过B等级，虽然其功能安全岛可以到D等级。

　　灵活的CV2FS设计体现了安霸算法优先的理念，不仅提供专为前向单目和双目立体视觉ADAS摄像头量身定制的AI SoC，还可成为支持L2+及更高级别自动驾驶系统的计算机视觉ECU、汽车域控制器的AI加速器、带盲点检测（BSD）的电子后视镜，以及座舱内部驾驶员和座舱监控（DMS和OMS）系统。安霸不仅可通过ASIL C认证帮助客户实现其产品功能安全目标，还在其整个CVflow系列产品组合中提供统一的软件架构。这使得汽车整车厂以及Tier-1在保留原有软件开发投入的同时，可通过更高级别的安全功能扩展其产品线。

      上市时间

　　安霸AI SoC CV2FS/CV22FS现可提供样品及用于量产。

模型压缩部署概述

一，模型在线部署

深度学习和计算机视觉方向除了算法训练/研究，还有两个重要的方向: 模型压缩（模型优化、量化）、模型部署（模型转换、后端功能SDK开发）。所谓模型部署，即将算法研究员训练出的模型部署到具体的端边云芯片平台上，并完成特定业务的视频结构化应用开发。

现阶段的平台主要分为云平台（如英伟达 GPU）、手机移动端平台（ARM 系列芯片）和其他嵌入式端侧平台（海思 3519、安霸 CV22、地平线 X3、英伟达 jetson tx2 等芯片）。对于模型部署/移植/优化工程师来说，虽然模型优化、量化等是更有挑战性和技术性的知识，但是对于新手的我们往往是在做解决模型无法在端侧部署的问题，包括但不限于：实现新 OP、修改不兼容的属性、修改不兼容的权重形状、学习不同芯片平台的推理部署框架等。对于模型转换来说，现在行业主流是使用 Caffe 和 ONNX 模型作为中间模型。

1.1，深度学习项目开发流程

在高校做深度学习 demo 应用一般是这样一个过程，比如使用 Pytorch/TensorFlow 框架训练出一个模型，然后直接使用 Pytorch 框架做推理（test）完成功能验证，但是在工业界这是不可能的，因为这样模型推理速度很慢，一般我们必须有专门的深度学习推理加速框架去做模型推理（inference）。以 GPU 云平台推理框架 TensorRT 为例，简单描述模型训练推理过程就是：训练好网络模型（权重参数数据类型为 FP32）输入 TensorRT，然后 TensorRT 做解析优化，并进行在线推理和输出结果。两种不同的模型训练推理过程对比如下图所示:

前面的描述较为简单，实际在工业届，理想的深度学习项目开发流程应该分为三个步骤: 模型离线训练、模型压缩和模型在线部署，后面两个步骤互有交叉，具体详情如下：

1. 模型离线训练：实时性低，数据离线且更新不频繁，batchsize 较大，消耗大量 GPU 资源。

   • 设计开发模型网络结构;
   • 准备数据集并进行数据预处理、EDA 等操作；
   • 深度学习框架训练模型：数据增强、超参数调整、优化器选择、训练策略调整（多尺度训练）、TTA、模型融合等；
   • 模型测试。

2. 模型优化压缩：主要涉及模型优化、模型转换、模型量化和模型编译优化，这些过程很多都在高性能计算推理框架中集成了，各个芯片厂商也提供了相应的工具链和推理库来完成模型优化压缩。实际开发中，在不同的平台选择不同的推理加速引擎框架，比如 GPU 平台选择 TensorRT，手机移动端（ARM）选择 NCNN/MNN，NPU 芯片平台，如海思3519、地平线X3、安霸CV22等则直接在厂商给出的工具链进行模型的优化（optimizer）和压缩。

   • 模型优化 Optimizer：主要指计算图优化。首先对计算图进行分析并应用一系列与硬件无关的优化策略，从而在逻辑上降低运行时的开销，常见的类似优化策略其包括：算子融合（conv、bn、relu 融合）、算子替换、常数折叠、公共子表达式消除等。
   • 模型转换 Converter：Pytorch->Caffe、Pytorch->ONNX、ONNX模型->NCNN/NPU芯片厂商模型格式（需要踩坑非常多，Pytorch、ONNX、NPU 三者之间的算子要注意兼容）。注意 ONNX 一般用作训练框架和推理框架之间转换的中间模型格式。
   • 模型量化 Quantizer：主要指训练后量化（Post-training quantization PTQ）；权重、激活使用不同的量化位宽，如速度最快的量化方式 w8a8、速度和精度平衡的量化方式 w8a16。
   • 模型编译优化（编译优化+NPU 指令生成+内存优化）Compiler：模型编译针对不同的硬件平台有不同优化方法，与前面的和硬件无关的模型层面的优化不同。GPU平台存在 kernel fusion 方法；而 NPU 平台算子是通过特定二进制指令实现，其编译优化方法包括，卷积层的拆分、卷积核权重数据重排、NPU 算子调优等。

3. 模型部署/SDK输出: 针对视频级应用需要输出功能接口的SDK。实时性要求高，数据线上且更新频繁，batchsize 为 1。主要需要完成多模型的集成、模型输入的预处理、非DL算法模块的开发、 各个模块 pipeline 的串联，以及最后 c 接口（SDK）的输出。

   • 板端框架模型推理: Inference：C/C++。不同的 NPU 芯片/不同的公司有着不同的推理框架，但是模型的推理流程大致是一样的。包括：输入图像数据预处理、加载模型文件并解析、填充输入图像和模型权重数据到相应地址、模型推理、释放模型资源。这里主要需要学习不同的模型部署和推理框架。
   • pipeline 应用开发: 在实际的深度学习项目开发过程中，模型推理只是其中的基础功能，具体的我们还需要实现多模型的集成、模型输入前处理、以及非 DL 算法模块的开发: 包括检测模块、跟踪模块、选帧模块、关联模块和业务算法模块等，并将各模块串联成一个 pipeline，从而完成视频结构化应用的开发。
   • SDK集成: 在完成了具体业务 pipeline 的算法开发后，一般就需要输出 c 接口的 SDK 给到下层的业务侧（前后端）人员调用了。这里主要涉及 c/c++ 接口的转换、pipeline 多线程/多通道等sample的开发、以及大量的单元、性能、精度、稳定性测试。
   • 芯片平台板端推理 Inference，不同的 NPU 芯片有着不同的 SDK 库代码，但是模型运行流程类似。

所以综上所述，深度学习项目开发流程可以大致总结为三个步骤: 模型离线训练、模型优化压缩和模型部署/SDK输出，后两个步骤互有交叉。前面 2 个步骤在 PC 上完成，最后一个步骤开发的代码是需要在在 AI 芯片系统上运行的。最后以视差模型在海思 3519 平台的部署为例，其模型部署工作流程如下：

1.2，模型训练和推理的不同

为了更好进行模型优化和部署的工作，需要总结一下模型推理（Inference）和训练（Training）的不同：

1. 网络权重值固定，只有前向传播（Forward），无需反向传播，因此：
   • 模型权值和结构固定，可以做计算图优化，比如算子融合等；
   • 输入输出大小固定，可以做 memory 优化，比如 feature 重排和 kernel 重排。
2. batch_size 会很小（比如 1），存在 latency 的问题。
3. 可以使用低精度的技术，训练阶段要进行反向传播，每次梯度的更新是很微小的，需要相对较高的精度比如 FP32 来处理数据。但是推理阶段，对精度要求没那么高，现在很多论文都表明使用低精度如 in16 或者 int8 数据类型来做推理，也不会带来很大的精度损失。

二，手机端CPU推理框架的优化

对于 HPC 和软件工程师来说，在手机 CPU 端做模型推理框架的优化，可以从上到下考虑：

1. 算法层优化：最上面就是算法层，如可以用winograd从数学上减少乘法的数量（仅在大channel尺寸下有效）；
2. 框架优化：推理框架可以实现内存池、多线程等策略；
3. 硬件层优化：主要包括: 适应不同的硬件架构特性、pipeline和cache优化、内存数据重排、NEON 汇编优化等。

三，参考资料

1. 《NVIDIA TensorRT 以及实战记录》PPT