Waymo自研5nm芯片上车，AI算力超1000TOPS

当地时间8月20日，谷歌母公司Alphabet旗下自动驾驶公司Waymo通过官方博客首次详细披露了其定制计算系统的细节，其中最引人注目的是其自主研发的5nm制程ASIC芯片。该芯片由台积电代工，AI算力超过1000 TOPS，已在Waymo最新一代无人出租车中投入量产。

Waymo工程副总裁Satish Jeyachandran在博客中表示：“自动驾驶的计算系统需要处理极其多样化的任务。我们设计的这套系统，其性能即使在数据中心也堪称卓越，同时还要应对车载环境的复杂性和实时性要求。”

自动驾驶需要什么样的计算系统

自动驾驶的计算系统，需要将原始传感器数据转化为实时驾驶指令。要在道路上安全可靠地运行物理人工智能，需要从根本上转变系统设计，使其具备确定性、低延迟的性能。过去十年，Waymo设计硬件、传感器和算法，以应对现实世界边缘计算的独特挑战。

用于自动驾驶的计算系统需要处理极其多样化的工作负载。 因此，Waymo设计了一套最先进的系统，其性能即使在数据中心也堪称卓越，同时还要应对车载运行环境的复杂性以及实时性要求。与传统的驾驶辅助计算不同，该系统无需人工辅助即可完成整个驾驶任务，因此对性能的要求要高得多。凭借超过 2 亿英里的全自动驾驶经验，Waymo围绕三个不可妥协的要求来设计其计算系统：

1、响应迅速：为了做出实时驾驶决策，自动驾驶系统完全在车载环境下运行，持续在毫秒级时间内处理决策。Waymo精心设计了超低延迟的软件栈，最大限度地缩短了从第一个像素到实际操作的延迟。在这关键的毫秒级时间内，先进的机器学习模型能够构建对周围环境的高度精确理解，从而评估出最安全的行驶路径。实现这一目标需要强大的原始计算能力——Waymo在短短八年内将其规模扩大了20倍——并结合深度优化的软件栈，以高效利用这些能力。

2、坚固耐用：Waymo精心打造的计算系统，从组件到系统层面都具备卓越的耐久性和可靠性，使其能够在严苛的物理环境中稳定运行。Waymo的硬件能够承受持续的振动、冲击和极端温度。通过与车辆的液冷系统直接集成，无论是在严寒的中西部冬季，还是在酷热的凤凰城，都能保持最佳性能。

3、冗余设计：由于无需人工接管，主动安全和冗余机制已内置于系统中。Waymo的计算系统设计为两个独立的引擎。它们通常作为一个整体运行，并行处理所有工作负载；但如果其中一个发生故障，另一个可以无缝接管。

专为实时处理与高可靠性设计的定制芯片

从现成组件到定制系统的演进，需要重新思考物理和架构设计。Waymo的高度集成的系统需要在不影响骑行体验的前提下，提供强大的处理能力，最大限度地提高了电池效率，同时保留了充足的后备箱空间，并实现了静音运行。

为此，Waymo构建了一个以机器学习为核心的架构，以极低的延迟运行先进的神经网络。为了管理编排、数据传输和日志记录等关键的非机器学习任务，同时最大限度地延长机器学习计算时间，Waymo将机器学习技术与顶级的CPU、GPU和加速器相结合。最终，打造了一个均衡且异构的系统。

为了在原始数据到达其核心机器学习系统之前对其进行处理，Waymo推出专门定制的 5nm ASIC 芯片，这是一款专为实时处理、融合原始传感器数据并运行高级神经网络而设计的专用机器学习引擎。通过芯片、传感器和算法的同步开发，Waymo能够突破传感器保真度、带宽效率和量化方面的极限，从而执行从稀疏卷积到密集 Transformer 的各种异构模型。

该专用加速器可即时从原始激光雷达、雷达和摄像头数据流中提取关键信息，包括用于增强低光照感知能力的时域降噪。这些数据被输入到我们专门开发的推理引擎中，以运行传感器融合机器学习模型，从而在不牺牲保真度的前提下显著提高效率。虽然这些 ASIC 本身就能提供超过 1000 TOPS 的机器学习性能，专门用于前端处理和机器学习模型，但Waymo对整个技术栈进行了优化，以最大限度地提高性能，尤其是在我们经常使用的低批量处理模式下。

△通过将定制芯片与我们的传感器和算法协同设计，Waymo实现了无与伦比的效率和性能。Waymo最新的系统（右图）可同时实时处理来自 13 个高分辨率摄像头的高精度数据，提供卓越的低光照感知能力，并展现传统摄像头（左图）无法捕捉到的关键环境细节。

虽因不了解该芯片具体是在什么精度和功耗水平下实现的1000TOPS算力，但鉴于 Waymo 强调 TOPS 级别，推测其性能可能达 INT8 水平，与英伟达的 Drive AGX Thor 平台相当。

除强大的计算能力外，这款自研芯片的可靠性也至关重要。车辆常面临振动、冲击和极端温度变化，与数据中心环境差异大。为应对此情况，Waymo 采用多层冗余设计，芯片由车辆冷却系统液冷，确保在不同天气下保持温度。同时，每辆车配备两块 ASIC 芯片，正常时协同工作，若一块故障，另一块可接管。这种冗余设计在航空航天器中也常见，对于在复杂道路环境中高速行驶的车辆而言十分必要。

除了自主研发芯片外，Waymo表示，其还与AMD、美光、英伟达、三星、闪迪、Socionext 和台积电等业界领先的合作伙伴紧密合作，他们的世界一流的计算解决方案为Waymo的技术高效扩展提供了强大的基础，共同携手打造功能最强大的自主计算系统。

Waymo自研AI芯片是在自动驾驶技术核心环节实现垂直整合的关键一步，旨在降低对英伟达等第三方供应商的依赖，并更精确地控制成本与性能。据《福布斯》报道，配备第六代硬件系统的Waymo车辆，其成本已从第五代的10万至12.5万美元降至2万至2.5万美元。目前，Waymo的车队规模约为4000辆，每周完成近50万次付费出行，并计划通过导入由中国极氪代工的新车型Ojai来进一步扩张车队。

编辑：芯智讯-浪客剑