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：暢秋

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。

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(gè)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(gè)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(dòng)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。

?01、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)镻HY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(shí)，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?。因此，PHY芯片是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)?；旌舷到y(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(shí)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。

02、新時(shí)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。

?03、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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)、自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）、自動(dòng)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(shí)，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)?/a>結(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)?/a>結(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(jià)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(gè)增加到100多個(gè)，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(shí)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(dòng)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。可通過使用回聲抵消技術(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)。

04、車載總線技術(shù)對比

架構(gòu)的改變和自動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)，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(gè)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(gè)PHY芯片以連接到ADAS域的交換機(jī)上，每個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)也需要配置若干個(gè)PHY芯片。

?05、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。