黑芝麻智能跨域時(shí)間同步技術(shù)：消除多域計(jì)算單元的時(shí)鐘信任鴻溝

上海2025年7月21日 /美通社/ -- 本文圍繞跨域時(shí)間同步技術(shù)展開(kāi)，作為智能汽車 "感知-決策-執(zhí)行 -交互" 全鏈路的時(shí)間基準(zhǔn)，文章介紹了 PTP、gPTP、CAN 等主流同步技術(shù)及特點(diǎn)，并以黑芝麻智能武當(dāng) C1296 芯片為例，通過(guò)多方式同步實(shí)現(xiàn)多域高精度對(duì)齊，消除時(shí)鐘信任鴻溝的實(shí)測(cè)效果。

智能汽車的核心是通過(guò)多維度感知、實(shí)時(shí)決策和精準(zhǔn)控制實(shí)現(xiàn)輔助駕駛與智能交互，而這一切的前提是 "時(shí)間基準(zhǔn)一致"，由于不同傳感器采集數(shù)據(jù)的頻率、機(jī)制不同，只有在時(shí)間基準(zhǔn)一致的情況下，數(shù)據(jù)融合、控制反饋才能準(zhǔn)確進(jìn)行，時(shí)間基準(zhǔn)不一致的情況下就會(huì)產(chǎn)生環(huán)境感知錯(cuò)誤、目標(biāo)跟蹤紊亂、控制指令錯(cuò)誤、系統(tǒng)協(xié)調(diào)混亂等情況。時(shí)間同步技術(shù)看似基礎(chǔ)，卻是保障智能汽車安全、高效運(yùn)行的 "隱形骨架"。

時(shí)間同步：分布式系統(tǒng)的"隱形時(shí)鐘管家"

時(shí)間同步技術(shù)是指通過(guò)硬件、協(xié)議或算法，使多個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)、設(shè)備或節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘基準(zhǔn)保持一致（或誤差控制在可接受范圍）的技術(shù)體系。其核心是消除不同時(shí)鐘源的 "時(shí)間偏差"，確保數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理在 "統(tǒng)一時(shí)間維度" 上有效關(guān)聯(lián)。

從精度維度看，時(shí)間同步技術(shù)可覆蓋從毫秒級(jí)（ms）到納秒級(jí)（ns）的需求，常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)方式包括：

• 衛(wèi)星授時(shí)（如 GPS、北斗，提供絕對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)，精度達(dá)幾十納秒）。
• 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議同步（如 NTP 用于毫秒級(jí)同步，PTP/IEEE 1588 用于微秒至納秒級(jí)同步）。
• 硬件時(shí)鐘校準(zhǔn)（如通過(guò)晶振 + 算法修正漂移，確保短期穩(wěn)定性）。

時(shí)間同步對(duì)智能汽車的作用：核心技術(shù)基石

智能汽車是"多傳感器融合 + 車聯(lián)網(wǎng)交互 + 輔助駕駛決策"的復(fù)雜系統(tǒng)，時(shí)間同步技術(shù)是智能汽車 "感知 - 決策 - 執(zhí)行 - 交互" 全鏈路的 "時(shí)間基準(zhǔn)錨點(diǎn)"，對(duì)內(nèi)，它保障多傳感器數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確性，避免因時(shí)間偏差導(dǎo)致的感知錯(cuò)誤；對(duì)外，它支撐車聯(lián)網(wǎng)交互的可靠性，確保V2X 信息的實(shí)時(shí)性與有效性；對(duì)安全，它是輔助駕駛決策與執(zhí)行的 "時(shí)序保障"，直接關(guān)系到車輛與行人的安全。具體作用體現(xiàn)在以下場(chǎng)景：

• 確保多傳感器數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確性
• 保障車聯(lián)網(wǎng)（V2X）交互的可靠性
• 支撐高精度定位與路徑規(guī)劃
• 提升輔助駕駛決策與執(zhí)行的安全性
• 滿足數(shù)據(jù)記錄與追溯的合規(guī)性

主要時(shí)間同步技術(shù)方案

常見(jiàn)的時(shí)間同步包括：PTP（精確時(shí)間協(xié)議，Precision Time Protocol），gPTP（廣義 PTP，Generalized PTP），CAN（控制器局域網(wǎng)，Controller Area Network）時(shí)間同步，ToD/PPS（時(shí)間日期 /秒脈沖，Time of Day/ Pulse Per Second），NTP（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，Network Time Protocol）等。

PTP

PTP時(shí)間同步基于 IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)主從節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間戳交互，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)精度的時(shí)間同步。PTP同步流程通過(guò)四次握手計(jì)算時(shí)間偏差（Δ）和鏈路延遲（Delay）：

PTP時(shí)間同步流程Sync：主時(shí)鐘發(fā)送同步報(bào)文，記錄發(fā)送時(shí)間 t1。Follow_Up：主時(shí)鐘補(bǔ)發(fā) t1，從時(shí)鐘接收后計(jì)算 t1 + Delay + Δ = t2。Delay_Req：從時(shí)鐘發(fā)送延遲請(qǐng)求，記錄發(fā)送時(shí)間 t3。Delay_Resp：主時(shí)鐘補(bǔ)發(fā) t4，從時(shí)鐘計(jì)算 t3 + Delay - Δ = t4。

其關(guān)鍵機(jī)制包括：

• 邊界時(shí)鐘（BC）：作為時(shí)間中繼節(jié)點(diǎn)，同步上游主時(shí)鐘并向下游分發(fā)時(shí)間。
• 透明時(shí)鐘（TC）：交換機(jī) / 路由器記錄報(bào)文在設(shè)備內(nèi)的駐留時(shí)間（Correction Field），補(bǔ)償鏈路不對(duì)稱性。
• 雙步模式：主時(shí)鐘通過(guò) Sync 報(bào)文發(fā)送時(shí)間戳，F(xiàn)ollow_Up 報(bào)文補(bǔ)發(fā)精確時(shí)間，適用于非硬件時(shí)間戳設(shè)備。

在 PTP時(shí)間同步中，有E2E（End - to - End，端到端）和 P2P（Peer - to - Peer，對(duì)等）兩種不同的延遲測(cè)量機(jī)制，其中，E2E部署簡(jiǎn)單（中間設(shè)備無(wú)需支持 PTP）、成本低、兼容性好，但是同步精度較低（誤差易累積），故障排查困難（無(wú)法定位中間設(shè)備問(wèn)題），難以滿足高精度場(chǎng)景；P2P同步精度高（逐段測(cè)量延遲，納秒級(jí)），故障定位清晰（可追溯具體鏈路 /設(shè)備），適合復(fù)雜高精度場(chǎng)景。但部署復(fù)雜、成本高，兼容性要求嚴(yán)格。PTP同步常用于工業(yè)自動(dòng)化（高精度控制）、電力系統(tǒng)（智能電網(wǎng)同步）、音視頻同步（AVB）、5G 基站同步。

gPTP

gPTP時(shí)間同步基于IEEE 802.1AS 標(biāo)準(zhǔn)，專為以太網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）設(shè)計(jì)，優(yōu)化低延遲場(chǎng)景下的同步效率。gPTP關(guān)鍵技術(shù)包括：

• Peer Delay 機(jī)制：測(cè)量相鄰設(shè)備間的單向延遲，要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持透明時(shí)鐘或邊界時(shí)鐘。
• TDMA 調(diào)度：結(jié)合 802.1Qbv 時(shí)間感知整形，實(shí)現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)的無(wú)沖突傳輸，確保 μs 級(jí)同步精度。

gPTP同步常用在車載以太網(wǎng)（輔助駕駛傳感器同步）、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT 設(shè)備低延遲協(xié)同）、實(shí)時(shí)音視頻傳輸（如 AVB 音頻系統(tǒng)）。

gPTP時(shí)間同步流程

• Pdelay_Req：Requester發(fā)送Pdelay_Req報(bào)文并標(biāo)記該報(bào)文發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間戳t1。
• Pdelay_Resp：Responder接收Pdelay_Req報(bào)文并標(biāo)記該報(bào)文到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間戳t2，隨后Responder發(fā)送Pdelay_Resp報(bào)文并標(biāo)記該報(bào)文發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間戳t3，Pdelay_Resp報(bào)文攜帶時(shí)間信息t2，Requester接收Pdelay_Resp報(bào)文并標(biāo)記該報(bào)文到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間戳t4。
• Pdelay_Resp_Follow_Up：Responder發(fā)送Pdelay_Resp_Follow_Up報(bào)文并攜帶t3時(shí)間信息。

時(shí)間偏差（Δ）和鏈路延遲（Delay）:

CAN時(shí)間同步

CAN 總線作為分布式控制網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間同步依賴消息周期性與時(shí)間戳機(jī)制，精度約微秒級(jí)。
CAN時(shí)間同步是基于消息的同步：

• 主節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送同步消息（如包含時(shí)間戳的特定 ID 幀）。
• 從節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收消息的時(shí)間間隔調(diào)整本地時(shí)鐘（頻率同步），或直接采用消息中的時(shí)間戳（相位同步）。

CAN時(shí)間同步流程實(shí)現(xiàn)方式

• 無(wú)專用協(xié)議：通常依賴應(yīng)用層自定義邏輯，而非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧。
• 挑戰(zhàn)：CAN 總線帶寬有限（最高 1Mbps），同步消息頻率受限，精度低于 PTP/gPTP。

CAN時(shí)間同步常用在車載電子（ECU 分布式控制，如引擎、剎車系統(tǒng)協(xié)同）、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線（低速傳感器網(wǎng)絡(luò)）。

ToD/PPS同步

ToD/PPS同步將ToD和PPS組合使用，PPS 提供秒級(jí)對(duì)齊，ToD 提供完整時(shí)間信息，兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)高精度同步（如 GPS 接收機(jī)同時(shí)輸出 PPS 和 NMEA 時(shí)間數(shù)據(jù)）。

ToD和PPS

• ToD（時(shí)間日期）：通過(guò)串口（如 RS-232/485）或網(wǎng)絡(luò)（如 NTP）傳輸具體時(shí)間，精度取決于傳輸延遲（毫秒級(jí)～秒級(jí)）。
• PPS（秒脈沖）：硬件信號(hào)（如 TTL 電平）每秒發(fā)送一個(gè)脈沖，上升沿對(duì)應(yīng)精確秒起始點(diǎn)，精度可達(dá)納秒級(jí)（依賴硬件時(shí)鐘源，如 GPS、原子鐘）。

以GNSS方式為例的ToD/PPS同步過(guò)程

接口與協(xié)議

• 物理層：PPS 為差分或單端電平信號(hào)，ToD 常用 ASCII 格式（如 NMEA 0183）或二進(jìn)制協(xié)議（如 IRIG-B）。
• 同步流程：設(shè)備通過(guò) PPS 校準(zhǔn)秒邊界，通過(guò) ToD 更新時(shí)間戳，消除累計(jì)誤差。

ToD/PPS同步常用在金融系統(tǒng)（交易時(shí)間戳）、電信基站（GPS 同步）、工業(yè)設(shè)備（外部基準(zhǔn)時(shí)間源接入）。

NTP同步

NTP工作在應(yīng)用層，一般基UDP協(xié)議（端口號(hào) 123），采用客戶端 - 服務(wù)器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。其核心通過(guò)時(shí)間戳交換計(jì)算時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲，典型的 NTP 交互過(guò)程包含四次報(bào)文傳輸。

NTP同步層次化結(jié)構(gòu)采用Stratum等級(jí)體系來(lái)確定時(shí)間源的層級(jí)。Stratum0為最精確的時(shí)間源，通常是原子鐘或衛(wèi)星時(shí)間接收器；Stratum1服務(wù)器直接與 Stratum0設(shè)備相連；Stratum2服務(wù)器從 Stratum1獲取時(shí)間，依此類推。層級(jí)越低，時(shí)間精度越高，一般局域網(wǎng)內(nèi) NTP 同步精度可達(dá) 5ms ，廣域網(wǎng)中精度為幾十毫秒。

NTP廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)、日志管理等場(chǎng)景。例如，在大型網(wǎng)站服務(wù)器集群中，通過(guò) NTP 確保各服務(wù)器時(shí)間一致，便于日志分析和用戶行為追蹤；在企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)中，為計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備提供統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)。

NTP時(shí)間同步流程

各同步方案技術(shù)對(duì)比

時(shí)間同步評(píng)價(jià)指標(biāo)

時(shí)間同步技術(shù)的測(cè)量與評(píng)價(jià)需圍繞 "同步精度""穩(wěn)定性""可靠性" 等核心維度展開(kāi)，不同場(chǎng)景（如智能汽車、工業(yè)控制、通信網(wǎng)絡(luò)）的指標(biāo)側(cè)重略有差異，但基礎(chǔ)指標(biāo)體系一致。以下是時(shí)間同步技術(shù)的關(guān)鍵測(cè)量評(píng)價(jià)指標(biāo)：

精度指標(biāo)

用于衡量時(shí)間同步的 "準(zhǔn)確性"，即兩個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間偏差程度：

時(shí)間偏差（Time Offset）：兩個(gè)時(shí)鐘（如本地時(shí)鐘與參考時(shí)鐘）在同一時(shí)刻的時(shí)間差值，公式為：偏差 = 本地時(shí)鐘值 - 參考時(shí)鐘值。時(shí)間偏差直接反映同步誤差的絕對(duì)值，是最基礎(chǔ)的精度指標(biāo)。例如，智能汽車傳感器同步要求偏差≤1μs，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)融合錯(cuò)位。

同步精度（Synchronization Accuracy）：經(jīng)過(guò)同步后，系統(tǒng)中所有時(shí)鐘與參考時(shí)鐘的最大允許偏差范圍。單位：納秒（ns）、微秒（μs）、毫秒（ms）等，根據(jù)場(chǎng)景需求而定（如智能汽車多傳感器融合需≤100ns，V2V 通信需≤1ms）。

穩(wěn)定性指標(biāo)

用于衡量時(shí)間同步的 "長(zhǎng)期一致性"，即時(shí)鐘偏差隨時(shí)間的波動(dòng)程度。

時(shí)鐘漂移（Clock Drift）：時(shí)鐘因硬件（如晶振）誤差導(dǎo)致的頻率偏移，表現(xiàn)為時(shí)間偏差隨時(shí)間逐漸增大的速率（單位：ppm，即百萬(wàn)分之一）。

抖動(dòng)（Jitter）：短時(shí)間內(nèi)（如毫秒級(jí)）時(shí)鐘偏差的隨機(jī)波動(dòng)，通常用偏差值的標(biāo)準(zhǔn)差表示。抖動(dòng)反映同步的短期穩(wěn)定性。例如，智能汽車 V2X 通信中，抖動(dòng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致信息接收時(shí)間不確定，影響實(shí)時(shí)決策。

可靠性與效率指標(biāo)

用于衡量同步技術(shù)的 "實(shí)用性" 和 "魯棒性"。

同步建立時(shí)間（Synchronization Time）：系統(tǒng)從啟動(dòng)到達(dá)到目標(biāo)同步精度所需的時(shí)間。對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景至關(guān)重要。例如，智能汽車啟動(dòng)后需快速完成傳感器同步（如≤1 秒），否則自輔助駕駛功能無(wú)法及時(shí)激活。

同步保持時(shí)間（Holdover Time）：當(dāng)參考時(shí)鐘（如衛(wèi)星信號(hào)）丟失后，系統(tǒng)依靠本地時(shí)鐘維持同步精度的最長(zhǎng)時(shí)間。

抗干擾能力：在網(wǎng)絡(luò)延遲、信號(hào)丟包、電磁干擾（EMI）等環(huán)境下，維持同步精度的能力?？垢蓴_能力通過(guò)丟包率（如5%丟包時(shí)的同步偏差變化）、電磁兼容（EMC）測(cè)試（如汽車電子環(huán)境下的抗干擾性能）衡量。

資源開(kāi)銷：同步過(guò)程占用的計(jì)算資源（CPU/內(nèi)存）和網(wǎng)絡(luò)帶寬。智能汽車域控制器算力有限，需選擇輕量化協(xié)議（如簡(jiǎn)化版PTP），避免資源浪費(fèi)影響核心功能。

場(chǎng)景化衍生指標(biāo)

在智能汽車等特定領(lǐng)域，還需結(jié)合應(yīng)用需求定義細(xì)分指標(biāo)：

跨域同步一致性：智能汽車的感知域、決策域、執(zhí)行域之間的時(shí)鐘偏差（如決策指令與執(zhí)行器響應(yīng)的時(shí)間差）。

V2X 時(shí)間戳有效性：車與車 / 路通信中，時(shí)間戳的可信度（如防止惡意節(jié)點(diǎn)偽造時(shí)間信息導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)）。

日志時(shí)間可追溯性：車輛行駛數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)簽與絕對(duì)時(shí)間（如北斗授時(shí)）的偏差，需滿足法規(guī)要求（如歐盟 UN R155 標(biāo)準(zhǔn)）。

C1296跨域時(shí)間同步的場(chǎng)景實(shí)測(cè)

黑芝麻智能武當(dāng)C1296芯片包括：ADAS域、IVI域、功能安全域、實(shí)時(shí)控制域、網(wǎng)關(guān)域、儀表域等多個(gè)子系統(tǒng)，以及CPU、GPU、NPU、ISP、DSP等多個(gè)內(nèi)部模塊。在C1296芯片中，提供了豐富的硬件接口，支持硬件戳和硬件PTP時(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)、高精度的時(shí)間同步，各個(gè)模塊都有可能作為內(nèi)部的主時(shí)鐘源。此外，C1296芯片還支持作為end station同步到外部時(shí)鐘源，可以對(duì)激光雷達(dá)或其他處理器進(jìn)行授時(shí)。

場(chǎng)景1：使用switch域的多樣化時(shí)間同步方式完成時(shí)間同步場(chǎng)景搭建

C1296芯片網(wǎng)關(guān)域集成多個(gè)硬件時(shí)鐘，即可以獨(dú)立使用保證時(shí)鐘隔離也可以硬件同步保持時(shí)鐘一致性，并且網(wǎng)關(guān)域支持多種同步方式：gPTP時(shí)間同步、CAN時(shí)間同步、GNSS時(shí)間同步等，滿足從時(shí)鐘源同步時(shí)間后同時(shí)給其他域及其他外部設(shè)備提供時(shí)間同步功能。

在場(chǎng)景1中，網(wǎng)關(guān)域一方面作為從時(shí)鐘通過(guò)GPTP（CAN/GNSS）同步方式從時(shí)鐘源同步時(shí)間，另一方面作為主時(shí)鐘通過(guò)內(nèi)部ToD/PPS方式給C1296內(nèi)的其他子系統(tǒng)同步時(shí)間，不僅如此，網(wǎng)關(guān)域還可以通過(guò)gPTP同步方式給場(chǎng)景內(nèi)的其他支持gPTP同步的外設(shè)同步時(shí)間。同時(shí)C1296的ADAS域支持PTP時(shí)間同步給Lidar等傳感器外設(shè)授時(shí)，實(shí)時(shí)控制域支持CAN同步方式給Radar等傳感器外設(shè)授時(shí)。

C1296網(wǎng)關(guān)域給芯片內(nèi)其他子系統(tǒng)進(jìn)行同步時(shí)間時(shí)，會(huì)使用到GTC單元，GTC（Global Timebase Counter）是在C1296內(nèi)部的一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的64位累加計(jì)數(shù)器，以恒定的時(shí)鐘頻率持續(xù)累加。網(wǎng)關(guān)域作為內(nèi)部主時(shí)鐘周期性觸發(fā)PPS信號(hào)并通過(guò)GTC傳遞到其它各子系統(tǒng)，GTC同時(shí)鎖存信號(hào)到達(dá)時(shí)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值。網(wǎng)關(guān)域發(fā)送PPS信號(hào)成功后會(huì)廣播該P(yáng)PS信號(hào)的PHC時(shí)間和GTC鎖存計(jì)數(shù), 這樣其它各子系統(tǒng)就可以對(duì)齊ToD和PPS時(shí)間實(shí)現(xiàn)ToD/PPS方式同步。

場(chǎng)景2：使用輔助駕駛域的豐富接口搭建適配不同的時(shí)間同步場(chǎng)景需求

C1296芯片ADAS域支持硬件戳和硬件PTP時(shí)鐘，集成PTP時(shí)間同步和NTP時(shí)間同步等方式，可以從時(shí)鐘源同步時(shí)間，同時(shí)給其他域和外部終端提供時(shí)間同步功能。ADAS域提供系統(tǒng)的SDK和示例，支持時(shí)間同步方式的開(kāi)發(fā)定制。

在場(chǎng)景2中，ADAS域一方面作為從時(shí)鐘通過(guò)PTP同步方式從時(shí)鐘源同步時(shí)間，另一方面作為主時(shí)鐘通過(guò)內(nèi)部ToD/PPS方式給C1296內(nèi)的其他子系統(tǒng)同步時(shí)間，不僅如此，ADAS域還可以通過(guò)PTP同步方式給場(chǎng)景內(nèi)的其他外設(shè)如Lidar授時(shí)，實(shí)時(shí)控制域支持CAN同步方式給Radar等傳感器外設(shè)授時(shí)，網(wǎng)關(guān)域支持gPTP同步方式給場(chǎng)景內(nèi)的其他支持gPTP同步的外設(shè)同步時(shí)間。

C1296芯片的網(wǎng)關(guān)域、ADAS域、實(shí)時(shí)控制域等都具有硬件PTP時(shí)鐘，支持硬件時(shí)間戳。同步協(xié)議上支持和集成了gPTP、PTP、CAN、NTP、ToD/PPS同步等多種同步方式，如此，各個(gè)域都可以作為內(nèi)部的主時(shí)鐘源從外部時(shí)鐘源同步時(shí)間并進(jìn)行內(nèi)部時(shí)間同步。此外，各域還支持作為時(shí)鐘源對(duì)激光雷達(dá)或其他處理器進(jìn)行授時(shí)。

基于C1296芯片，結(jié)合C1296跨域時(shí)間同步技術(shù)，可以快速、靈活搭建多域場(chǎng)景的時(shí)間同步解決方案，實(shí)現(xiàn)各域時(shí)間線的高精度對(duì)齊，消除多域計(jì)算單元的時(shí)鐘信任鴻溝。