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          汽車芯片的下一波革命或?qū)l(fā)生在這一通信領(lǐng)域

          作者: 時間:2023-08-24 來源:半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫 收藏

          以太網(wǎng)(Ethernet,IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn))應(yīng)用市場廣闊,自 1973 年誕生以來,已經(jīng)歷 40 多年的發(fā)展歷程。因其具備技術(shù)成熟、高度標(biāo)準(zhǔn)化、帶寬高及低成本等諸多優(yōu)勢,成為了應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù),覆蓋家庭網(wǎng)絡(luò)及用戶終端,企業(yè)及園區(qū)網(wǎng),運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò),大型數(shù)據(jù)中心和服務(wù)提供商等應(yīng)用領(lǐng)域,在全球范圍內(nèi)形成了以太網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng),是當(dāng)今信息世界最重要的基礎(chǔ)設(shè)施,需要通過以太網(wǎng)通信的終端設(shè)備都可以采用以太網(wǎng)物理層芯片(PHY 芯片)及相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202308/449889.htm

          以太網(wǎng)協(xié)議采用星形拓?fù)浠蚓€性總線,這是 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ),在 OSI(Open System Interconnection)七層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,以太網(wǎng)協(xié)議在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層工作。以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)鏈路層的功能劃分到了兩個不同的子層,分別是邏輯鏈路控制層和介質(zhì)訪問控制(Media Access Control,MAC)層。

          本文主要關(guān)注物理層,OSI 物理層規(guī)范規(guī)定的是連接傳輸介質(zhì)的相關(guān)器件標(biāo)準(zhǔn),主要包括機(jī)械特性,電氣特性和功能特性。機(jī)械特性是指接口所用連接器的尺寸、引線個數(shù)、引線排列順序,以及固定方式和材質(zhì)等機(jī)械性能指標(biāo);電氣特性是指介質(zhì)及接口電壓、電流指標(biāo);功能特性是指物理層器件需要實(shí)現(xiàn)的功能,例如,如何處理數(shù)據(jù)流,使用哪種編碼方式,以及規(guī)定幀格式等。

          根據(jù)以太網(wǎng)聯(lián)盟創(chuàng)建的路線圖,將以太網(wǎng)應(yīng)用分為五大類:工業(yè)自動化,車載以太網(wǎng),企業(yè)應(yīng)用,電信運(yùn)營商,數(shù)據(jù)中心。具體來看,包括信息通信(路由器、交換機(jī)、無線終端、中繼器),智能電子(機(jī)頂盒、LED 顯示屏、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、智能電視),工業(yè)控制(礦業(yè)、工業(yè)相機(jī)等),監(jiān)控設(shè)備(安防攝像頭),以及汽車系統(tǒng)中的輔助駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)、攝像頭、激光雷達(dá)、行車記錄儀等。


          PHY 芯片是互聯(lián)的關(guān)鍵

          以太網(wǎng)物理層芯片(PHY)工作于 OSI 網(wǎng)絡(luò)七層架構(gòu)的最底層,是有線傳輸通信芯片,用以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的連接。具體而言,PHY 芯片連接數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備到物理媒介,并為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒介,處理信號的正確發(fā)送與接收。

          網(wǎng)絡(luò)接口電路一般由 CPU、MAC 控制器和物理層接口(PHY)組成,PHY 整合了多種模擬電路,MAC 是全數(shù)字器件。它們通常有以下三種集成結(jié)構(gòu):1、CPU 內(nèi)部集成了 MAC 和 PHY,這種比較少見;2、CPU 內(nèi)部集成了 MAC,PHY 是獨(dú)立芯片,這種比較常見;3、CPU 不集成 MAC 和 PHY,MAC 和 PHY 采用獨(dú)立芯片或者集成芯片。

          在 IC 設(shè)計(jì)業(yè)內(nèi),PHY 芯片的研發(fā)門檻是比較高的,這是因?yàn)?PHY 芯片要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號,并把它發(fā)送到通信介質(zhì)上,同時,從接收到的模擬信號中恢復(fù)出數(shù)字信號,再傳輸?shù)缴蠈有酒幚怼R虼?,PHY 芯片是一個復(fù)雜的數(shù)模混合系統(tǒng),芯片中包含高性能 SerDes、ADC/DAC、高精度 PLL 等 AFE 設(shè)計(jì),還包括濾波算法和信號恢復(fù)等 DSP 設(shè)計(jì),其中,模擬電路主要負(fù)責(zé)模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換,,數(shù)字電路負(fù)責(zé)數(shù)字信號的處理,實(shí)現(xiàn)降噪、干擾抵消、均衡、時鐘恢復(fù)等功能。因此,這種芯片研發(fā)需要深厚的數(shù)字、模擬、算法等全方位的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),還需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)高效配合,不是一般的工程師能夠完成的。


          新時期,新應(yīng)用

          近些年,各種數(shù)字化終端設(shè)備大規(guī)模普及,通信、計(jì)算、存儲、監(jiān)控等各種應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)逐漸融合。

          據(jù) IDC 預(yù)測,未來 3 年全球算力規(guī)模將以超過 50% 的速度增長,到 2025 年整體規(guī)模將達(dá)到 3300EFlops,2025 年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)將超過 400 億臺,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量接近 80ZB,超過一半的數(shù)據(jù)需要依賴終端或者邊緣的計(jì)算能力進(jìn)行處理。

          以太網(wǎng)作為應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)傳輸技術(shù),在傳輸可靠性、穩(wěn)定性等方面具有明顯優(yōu)勢,可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、操作系統(tǒng)和軟件運(yùn)行提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能發(fā)展帶來的數(shù)據(jù)傳輸量不斷攀升,以太網(wǎng)應(yīng)用將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷擴(kuò)展。

          在這樣的大背景下,PHY 芯片作為以太網(wǎng)傳輸?shù)幕A(chǔ)芯片,隨著各種應(yīng)用數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長,其市場規(guī)模也在持續(xù)上漲。

          據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心預(yù)測,2022~2025 年,全球以太網(wǎng) PHY 芯片市場規(guī)模將保持 25% 以上的年復(fù)合增長率,到 2025 年,有望突破 300 億元。


          汽車市場是重點(diǎn)突破方向

          隨著以新能源汽車為代表的當(dāng)代汽車向電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化方向發(fā)展,傳統(tǒng)汽車使用的總線(CAN、LIN、FlexRay、MOST)在成本、性能上越來越難以滿足現(xiàn)代化汽車的需求,而以太網(wǎng)在汽車應(yīng)用中的優(yōu)勢逐漸凸顯出來。車載以太網(wǎng) PHY 芯片有望在新能源汽車智能化發(fā)展趨勢帶動下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

          下面介紹一下汽車以太網(wǎng)優(yōu)勢的具體表現(xiàn)。

          當(dāng)代汽車中使用的電子控制和通信系統(tǒng)越來越多,如發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)、自動變速器控制系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、自動巡航系統(tǒng)(ACC)和車載多媒體系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和汽車的顯示儀表之間、系統(tǒng)和汽車故障診斷系統(tǒng)之間都需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換,這種情況下,就不能用導(dǎo)線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的連接和信息傳輸方式,因?yàn)檫@樣裝配非常復(fù)雜,且故障率會很高。這時,就需要用到汽車總線。

          汽車總線是用于車載網(wǎng)絡(luò)中底層設(shè)備或儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò),是車用網(wǎng)絡(luò)與車載設(shè)備控制系統(tǒng)的集成。

          傳統(tǒng)汽車總線 LIN 和 CAN,雖然市場占有率很可觀,但是,它們的傳輸速率已經(jīng)不能滿足逐漸增多的電氣設(shè)備的要求,MOST 總線雖然在傳輸速率上有很大提升,但其環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)阻礙了在整車中的普及,F(xiàn)lexRay 總線的數(shù)十兆傳輸速率、循環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和同步能力很優(yōu)秀,但是,F(xiàn)lexRay 網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率及其難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的傳輸速率、價格昂貴等因素使它僅能用于信息娛樂系統(tǒng)。

          此外,汽車內(nèi)部電子電氣(E/E)元器件的數(shù)量和復(fù)雜度大幅提升,單輛車 ECU 數(shù)量已經(jīng)從 20-30 個增加到 100 多個,部分車型線束長度已高達(dá) 2.5 英里,E/E 架構(gòu)已經(jīng)不能滿足汽車智能化時代的發(fā)展需求,因此,車載網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向域控制和集中控制的趨勢越來越明顯,總線也需要向高帶寬方向發(fā)展。

          車載以太網(wǎng)在傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列優(yōu)化和改良,使之更為貼合車內(nèi)通信需求。

          車載以太網(wǎng)針對車內(nèi)通信需求研發(fā)出了一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)。車載以太網(wǎng)技術(shù)率先應(yīng)用于智能駕駛和智能座艙,并在未來實(shí)現(xiàn)對整車通信技術(shù)的逐步替代,是近些年以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

          線束輕量化是以太網(wǎng)相較于其它總線的另一大優(yōu)點(diǎn)。減輕汽車自重是節(jié)能的基本途徑,而選用輕質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化最有效的方法,線束的復(fù)雜性使其成為汽車結(jié)構(gòu)中僅次于底盤和發(fā)動機(jī)的第三重部件。部分傳統(tǒng)總線線纜厚重,且需要額外的屏蔽以保護(hù)其不受電磁干擾,而車載以太網(wǎng)使用單對非屏蔽雙絞線及更小型的連接器,與傳統(tǒng)總線相比可減少 80% 的線束成本和 30% 的布線重量??赏ㄟ^使用回聲抵消技術(shù)在單線對上實(shí)現(xiàn)雙向通信,以滿足智能化對高帶寬的需求。

          傳統(tǒng)以太網(wǎng)一般采用 4 對線,而車載以太網(wǎng)只有 1 對線,這就導(dǎo)致同樣傳輸速率下,車載以太網(wǎng) PHY 芯片的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度成倍增加,這也是目前各大廠商技術(shù)和產(chǎn)品優(yōu)勢和競爭力的焦點(diǎn)。


          車載總線技術(shù)對比

          架構(gòu)的改變和自動駕駛傳感器帶來的大量數(shù)據(jù)處理需求,使得帶寬成為下一代汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)車載總線網(wǎng)絡(luò)不同,車載以太網(wǎng)可以提供帶寬密集型應(yīng)用所需的更高數(shù)據(jù)傳輸能力,同時,其先天技術(shù)優(yōu)勢可以滿足汽車對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲、輕量化等方面的要求。目前,博世、采埃孚等都提出了下一代汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),特斯拉在 Model 3 和 Model Y 中已經(jīng)采用域控制結(jié)構(gòu)。

          自動駕駛級別越高,車內(nèi)通信對高速率網(wǎng)絡(luò)的需求就越迫切,L3 以上的自動駕駛,需要在車內(nèi)搭配 2.5/5/10G 以太網(wǎng),而到了 L4/L5 自動駕駛,車內(nèi)需要引入 10G+以太網(wǎng)。因此,高速車載以太網(wǎng)是實(shí)現(xiàn) L3 及以上自動駕駛必不可少的配置。

          據(jù)以太網(wǎng)聯(lián)盟預(yù)測,隨著汽車智能化應(yīng)用需求推動車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展,未來智能汽車單車以太網(wǎng)端口將超過 100 個,這為車載以太網(wǎng)芯片提供了巨大的發(fā)展空間。以 Aquantia 汽車的 ADAS 以太網(wǎng)架構(gòu)為例,每一個傳感器(攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等)都需要部署一個 PHY 芯片以連接到 ADAS 域的交換機(jī)上,每個交換機(jī)節(jié)點(diǎn)也需要配置若干個 PHY 芯片。

          中國本土 PHY 芯片企業(yè)在發(fā)力

          目前,全球以太網(wǎng) PHY 芯片市場被少數(shù)企業(yè)把持著,經(jīng)過多年發(fā)展和積累,這些廠商憑借資金、技術(shù)、客戶資源、品牌等優(yōu)勢,掌握了大部分市場份額。據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心統(tǒng)計(jì),博通、美滿電子、瑞昱、德州儀器、恩智浦和微芯穩(wěn)居前列,全球前五大以太網(wǎng) PHY 芯片廠商的市場份額占比高達(dá) 91%。目前,中國大陸的 PHY 芯片市場基本被這些國際巨頭主導(dǎo),市占率達(dá) 87%。

          近些年,中國本土廠商的技術(shù)能力一直在提升過程中,有望憑借本土快速響應(yīng)能力占據(jù)更多市場份額。目前,國內(nèi)主要以太網(wǎng) PHY 芯片廠商包括裕太微,景略半導(dǎo)體,昆高新芯,國科天訊,物芯科技,鑫瑞技術(shù),以及睿普康等。

          在這些廠商中,裕太微是領(lǐng)先企業(yè),能夠大規(guī)模供應(yīng)千兆以太網(wǎng) PHY 芯片,是國內(nèi)首家在車載 PHY 芯片領(lǐng)域通過 OPEN Alliance IOP 認(rèn)證的企業(yè),其 2.5G PHY 芯片已量產(chǎn),在技術(shù)實(shí)力和規(guī)模上處于國內(nèi)領(lǐng)先地位,2021 年,裕太微產(chǎn)品在以太網(wǎng) PHY 芯片市場份額為 2%。景略半導(dǎo)體的核心團(tuán)隊(duì)源于美滿電子,主要為車載、工業(yè)、企業(yè)應(yīng)用提供以太網(wǎng) PHY 芯片,其車載千兆 PHY 芯片即將量產(chǎn)。昆高新芯能提供千兆以太網(wǎng) PHY 和 TSN 芯片,是國內(nèi)較早實(shí)現(xiàn) TSN 交換芯片流片的企業(yè),TSN 芯片即將進(jìn)入量產(chǎn)階段。



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