随着汽车电子架构的演进,以太网将大量应用,未来最贵的车载半导体将是网络界面 IC(主要是 PHY)和以太网交换机。不仅最贵,且门槛也最高。
 

 

上表为 Drive AGX Pegasus 主要集成电路表,未计算图灵 GPU 的价格。这其中使用了 18 个 PHY,4 个以太网交换机芯片,以太网交换机芯片内部也都有 PHY,且所占的成本比例(即晶圆面积)也最高。价值远在主运算单元之上。目前车载以太网 PHY,最常见的是博通、NXP 和 Marvell,其他还有德州仪器、Microchip(即收购来的 Micrel 和 Microsemi)、台湾瑞昱、高通收购的 Atheros。万兆以太网 PHY 基本上被 Marvell 收购的 Aquantia 垄断,Aquantia 已经被 Marvell 以 4.52 亿美元收购。车载 10Gbps PHY 只有 Aquantia 的 AQV107。以太网交换机芯片和以太 PHY 除了在计算单元使用外,座舱部分也是大量使用,奔驰最新的 S 级座舱使用 4 片 Marvell 的 88EA6321,至少 4 个 PHY。在中央网关和每一个分域网关也需要一个以太交换机,ADAS 部分可能还需要一个 PCIe 交换机。未来一部车当中至少有 5 片以太网交换机芯片,多的可能达到 10 片 -12 片以上,以太 PHY 至少需要 10 片,多得可能达 15 片。总价值远超主 SoC。主要厂家有 Marvell、博通、Microchip、瑞昱和 NXP。市场潜力大,门槛高,几乎不可能有新玩家出现,格局非常稳定。前两者市场占有率估计超过 60%。

 

目前 100M 车载以太网主要是 100BASE-T1,这个标准背后主要是博通。在 2011 年,宝马、现代、NXP、飞思卡尔、HARMAN、意法半导体、博通发起 OABR (OPEN Alliance BroadR-Reach)车载以太网联盟, OPEN 是 OnePair Ethernet Network 的缩写,OABR 已经由 IEEE 标准化,并命名为 100BASE-T1。传统的百兆以太网的名字是 100BASE-TX,二者在物理层上差别很大。二者最显著的区别就是,100BASE-T1 在物理连接上使用了一对双绞线实现全双工的信息传输,而 100BASE-TX 则使用了两对双绞线实现全双工,一对用于收,另一对用于发。

 

100BASE-T1 利用所谓的回音消除技术(echo cancellation)实现了在一对双绞线上的全双工通信。回音消除技术的大概过程是这样的,作为发送方的节点将自己要发送的差分电压加载到双绞线上,而作为接收者的节点则将双绞线上的总电压减去自己发出去的电压,做减法得到的结果就是发送节点发送的电压。BroadR-Reach 是 Broadcom 公司针对自己车载以太网产品的专用商标。因此可以认为 100BASE-T1=OABR=BroadR-Reach。   

 

 

上图为网络 OSI 7 层模型,物理层 IC 是传输界面 IC,也可以叫收发器 IC。PHY 连接一个数据链路层的设备(MAC)到一个物理媒介,如光纤或铜缆线。典型的 PHY 包括 PCS(Physical Coding Sublayer,物理编码子层)和 PMD(PhysicalMedia Dependent,物理介质相关子层)。PCS 对被发送和接受的信息加码和解码,目的是使接收器更容易恢复信号。物理层不是指具体的物理设备,也不是指信号传输的物理媒体,而是指在物理媒体之上为上一层(数据链路层)提供一个传输原始比特流的物理连接。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除,而提供具有机械的,电子的,功能的和规范的特性。

 

简单的说,物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。以以太网为例,数据链路层分为上层 LLC(Logical Links Control,逻辑链路控制),和下层的 MAC(媒体访问控制),MAC 主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候,MAC 协议可以事先判断是否可以发送数据,如果可以发送将给数据加上一些控制信息,最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层;在接收数据的时候,MAC 协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误,如果没有错误,则去掉控制信息发送至 LLC(逻辑链路控制)层。   

   
PHY 在发送数据的时候,收到 MAC 过来的数据(对 PHY 来说,没有帧的概念,对它来说,都是数据而不管什么地址,数据还是 CRC),每 4bit 就增加 1bit 的检错码,然后把并行数据转化为串行流数据,再按照物理层的编码规则(10Based-T 的 NRZ 编码或 100based-T 的曼彻斯特编码)把数据编码,再变为模拟信号把数据送出去。网线上的到底是模拟信号还是数字信号呢?答案是模拟信号,因为它传出和接收是采用的模拟的技术。虽然它传送的信息是数字的,并不是传送的信号是数字的。  
 

 

 以太网连接处理器的方式  

MII(Media Independent Interface)即媒体独立接口,MII 接口是 MAC 与 PHY 连接的标准接口。它是 IEEE-802.3 定义的以太网行业标准。MII 接口提供了 MAC 与 PHY 之间、PHY 与 STA(Station Management)之间的互联技术,该接口支持 10Mb/s 与 100Mb/s 的数据传输速率,数据传输的位宽为 4 位。"媒体独立"表明在不对 MAC 硬件重新设计或替换的情况下,任何类型的 PHY 设备都可以正常工作。简化媒体独立接口是标准的以太网接口之一,比 MII 有更少的 I/O 传输。RMII 口是用两根线来传输数据的,MII 口是用 4 根线来传输数据的,GMII 是用 8 根线来传输数据的。MII/RMII 只是一种接口,对于 10Mbps 线速,MII 的时钟速率是 2.5MHz 就可以了,RMII 则需要 5MHz;对于 100Mbps 线速,MII 需要的时钟速率是 25MHz,RMII 则是 50MHz。GMII 是千兆网的 MII 接口,这个也有相应的 RGMII 接口,表示简化了的 GMII 接口。GMII 采用 8 位接口数据,工作时钟 125MHz,因此传输速率可达 1000Mbps。同时兼容 MII 所规定的 10/100Mbps 工作方式。GMII 接口数据结构符合 IEEE 以太网标准,该接口定义见 IEEE 802.3-2000。

 

界面 IC 是混合 IC,包含有模拟和数字。众所周知,模拟 IC 处理的信号都具有连续性,可以转换为正弦波研究,而数字 IC 处理的是非连续性信号,都是脉冲方波。模拟电路比较注重经验,设计门槛高,学习周期 10-15 年,数字电路则有 EDA 工具辅助,学习周期 3-5 年。模拟 IC 强调的是高信噪比、低失真、低耗电、高可靠性和稳定性。产品一旦达到设计目标就具备长久的生命力。

 

生命周期长达 10 年以上的模拟 IC 产品也不在少数。如音频运算放大器 NE5532,生命周期超过 50 年,现在还在用。数字 IC 多采用 CMOS 工艺,而模拟 IC 少采用 CMOS 工艺。因为模拟 IC 通常要输出高电压或者大电流来驱动其他元件,而 CMOS 工艺的驱动能力很差。此外,模拟 IC 最关键的是低失真和高信噪比,这两者都是在高电压下比较容易做到的。而 CMOS 工艺主要用在 5V 以下的低电压环境,并且持续朝低电压方向发展。对于数字电路来说是没有噪音和失真的,数字电路设计者完全不用考虑这些因素。此外由于工艺技术的限制,模拟电路设计时应尽量少用或不用电阻和电容,特别是高阻值电阻和大容量电容,只有这样才能提高集成度和降低成本。某些射频 IC 在电路板的布局也必须考虑在内,而这些是数字 IC 设计所不用考虑的。因此模拟 IC 的设计者必须熟悉几乎所有的电子元器件。

 

另一个门槛是 CDR,即时钟数据恢复,对于高速的串行总线来说,一般情况下都是通过数据编码把时钟信息嵌入到传输的数据流里,然后在接收端通过时钟恢复把时钟信息提取出来,并用这个恢复出来的时钟对数据进行采样,因此时钟恢复电路对于高速串行信号的传输和接收至关重要。CDR 接口的主要设计挑战是抖动,即实际数据传送位置相对于所期望位置的偏移。总抖动(TJ)由确定性抖动和随机抖动组成。大多数抖动是确定的,其分量包括码间干扰、串扰、占空失真和周期抖动(例如来自开关电源的干扰)。而通常随机抖动是半导体发热问题的副产品,且很难预测。传送参考时钟、传送 PLL、串化器和高速输出缓冲器都对会传送抖动造成影响。一般来说对低频的抖动容忍度很高,PLL 电路能够很好地跟踪,恢复出来的时钟和被测信号一起抖动。高频比较麻烦,要设置 PLL 电路过滤掉,如何设置,没有电脑辅助,全靠经验,没有 10 年左右的经验是做不好的。

 

这也使得界面 IC 的护城河非常宽阔,可以允许非常小的厂家存在,它可能只有一款产品,但生命力异常顽强,生命周期一般都在 20 年以上。界面 IC 厂家的历史都非常悠远,最少都在 10 年以上,大部分超过 20 年,大部分都拥有自己的晶圆厂,因为这些芯片成本在推出几年后,99%都来自制造。中国这种厂家极少。 

 

以太网交换机的工作基础是以太网信息包结构。以太网信息包为固定格式,但长度可变,在信息包中带有目的 MAC 地址、源 MAC 地址、信息长度等若干内容。目前使用较多的以太网交换机都是 Layer 2(OSI 的第二层)交换机,即基于以太网 MAC 地址进行交换。

 

以太网交换机控制电路收到一个以太包(从某一端口)后,立即查找其内存中的地址对照表(MAC 端口号),以确认该目的 MAC 的 NIC 挂在哪一个端口上,然后将该包送到该端口上,如果该目的 MAC 地址是首次出现,则广播到所有端口。以太网交换机是根据以太网包中的源 MAC 地址来更新“MAC 地址—端口号表”的,每一台计算机打开后,其上面的 NIC(即 PHY)会定期发出空闲包或信号,以太网交换机可据此得知其存在及 MAC 地址,所谓自动地址学习就是指此意。

 

所谓自动年龄更新(Auto-aging),指的是若一定时间内未见已出现的 MAC 地址发出包,则将此 MAC 地址从“MAC—端口号表”中清除,此 MAC 地址重新出现时将会被当作新地址处理。如果收到 1 个包,查了目标 mac,没查到相应的条目怎么办?会从所有口发出,这个动作也叫做泛洪,即广播。

 

汽车以太网交换机自然要复杂的多,TSN 的众多标准都是靠以太网交换机实现的。

 

 

我们重点来看出镜率仅次于 802.1AS 的 802.1Qbv。

 

汽车控制数据可以分为三种,Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。ScheduledTraffic 如底盘控制数据,没有任何的妥协余地,必须按照严格的时间要求送达,有些是只需要尽力而为的如娱乐系统数据,可以灵活掌握。汽车行业一般要求底盘系统延迟不超过 5 毫秒,最好是 2.5 毫秒或 1 毫秒,这也是车载以太网与通用以太网最大不同之处,要求低延迟。

 

 

在 TSN 标准里,数据则被分为 4 级,最高的预计延迟时间仅为 100 微秒。

 

低延迟的核心标准是 IEEE802.1Qbv 时间感知队列。

 

 
通过时间感知整形器(Time Aware Shaper)使 TSN 交换机能够来控制队列流量(queued traffic),以太网帧被标识并指派给基于优先级的 VLAN Tag,每个队列在一个时间表中定义,然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在规定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的,可知的。而在 TSN 网络的数据报文延时被得到保障。TAS 介绍了一个传输门概念,这个门有“开”、“关”两个状态。传输的选择过程 - 仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。而这些门的状态由网络时间进度表 network schedule 进行定义。对没有进入 network schedule 的队列流量关闭,这样就能保障那些对传输时间要求严格的队列的带宽和延迟时间。TAS 保障时间要求严苛的队列免受其它网络信息的干扰,它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟。当优先级非常高时,抢占机制可以被使用。
 

 

在网络进行配置时队列分为 Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic 三种,对于 Schedule 而言则直接按照原定的时间规划通过,其它则按优先级,Best-effort 通常排在最后。Qbv 主要为那些时间严苛型应用而设计,其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv 确保了实时数据的传输,以及其它非实时数据的交换。

 

汽车以太网交换机方面,主要有 Marvell、博通和 NXP。Microchip 收购的 Micrel 和台湾瑞昱也有一席之地。瑞昱已经成功进入大众供应链。

 

 
目前已经量产的最顶级车载以太网交换芯片是博通的 BCM53162,可以对应 4 路 2.5GbE,售价高达 650 美元(Mouser 报价,100 片起,万片起的话,价格估计降到 130 美元)左右。Marvell 目前主力产品是 88EA6321 和 88Q5050, 在 2019 年 9 月,Marvell 又推出了 88Q5072 和 88Q6113,自然也满足 TSN 标准。目前 Marvell 的旗舰是 88Q6113。
 

 

88Q6113 放弃低带宽的 100/1000Base-T 接口,大量增加 SGMII。

 

NXP 的车载以太网交换芯片以高性价比著称,目前 NXP 有两款车载以太网交换芯片,一片是 2016 年中期推出的 SJA1105TEL,另一片是刚刚在 2020 年 1 月推出的 SJA1110。SJA1105 是针对 EAVB 网络,SJA1105TEL 则增加了对 TSN 的支持,为了降低成本,SJA1105 内部没有 PHY,需要外置 PHY,NXP 推荐 TJA1101/TJA1102/TJA1110。端口也比较少,只有 5 口。SJA1110 则有 10 口。

 

国内一窝蜂地去做所谓人工智能芯片,就是门槛很低,估计有上百家都在做所谓人工智能芯片,而市场空间非常有限,泡沫之大,实属罕见。