汽车E/E架构的心脏就是网关,当然域控制器架构的心脏也是网关,此外OTA的唯一硬件承载体也是网关。网关是未来汽车电子里最核心的部分。

 

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上图为全球第一个域控制器车辆路虎卫士的网络架构,核心就是GWM即网关模块。

 

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上图是域控制器网关的典型架构,网关可以看做中央集线器,其主要作用有两点,一是处理不同的通讯协议如CAN、CAN-FD、以太网、FlexRay、LIN等。另一个作用是分发升级信息,即OTA。早期的网关芯片就是带比较多网络接口MCU的,现在变成MPU,运算能力大大增强了。网关芯片可分为一大三小,NXP占据绝对霸主地位,瑞萨、德州仪器和英飞凌正奋力追赶NXP。

 

网关芯片有几大难点:

 

首先,网关软件系统异常复杂,包括了Linux、RTOS、AUTOSAR、SDHC、IPCF、TCP/IP,需要足够强大的软件生态平台支持,但芯片厂家一人单打独斗是不行的,得有众多外围厂家配合,而外围厂家自然会选择市场上出货量最大的芯片来配合,如此一来就形成滚雪球效应,两者互相增强,这也是NXP网关一家独大的主要原因。对新兴厂家来说则是噩梦,没有人会为其配套开发软件。完全自主开发不现实,成本高昂,且芯片厂家技术能力不可能面面俱到,必须有第三方配合。

 

其次,网关芯片的通讯技术与物理层关系紧密,这是隶属模拟领域的知识,需要经验丰富的模拟芯片专家,需要几十年的技术积累,这也是为何没有初创网关芯片厂家的原因。此外,网关芯片牵涉复杂的时钟基准和ADC,这也是完全靠经验积累的领域,时钟的Jitter抖动消除的经验差不多是玄学。

 

再次,网关芯片需要数量庞大的物理层和交换机芯片配合,最好是一个厂家能全部包揽,这只有NXP能勉强做到。

 

最后,这么关键的芯片自然需要ASIL-D级安全认证。

 

恩智浦S32G-VNP-GLDBOX开发平台

 

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上图为NXP最新网关框架图,即S32G-VNP-GLDBOX开发平台,核心芯片S32G274A。所有关键芯片NXP都能提供。包括5路LIN,物理层是TJA1024和TJA1021,1路FlexRay,物理层是TJA1801,16路常规CAN,物理层包括TJA1024、TJA1043、TJA1643。一个9口的以太网交换机SJA1110A,7路百兆,2路千兆,还有3个独立的千兆以太网,合计12路。百兆以太网(802.3bw或TC10标准)物理层可以用NXP的TJA1100HN,车规级千兆以太网(802.3bp或TC12标准)物理层NXP还没有对应产品,一般会用Marvell的88Q2112。特别添加M.2接口,对应AI加速器可能用到的SSD。S32G2系列有4款芯片,最高为S32G274。

 

S32G274A内部框架图

 

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上图为S32G274A内部框架图,包含4个ARM Cortex-A53@1.0GHz核心,3个Cortex-M7@400MHz核心。Arm Cortex-M7作为MCU做对实时性要求更高的控制,例如动力域的Classic Autosar应用,而Cortex-A53由于高的主频和处理能力则主要用于算法的运行,例如跑信息娱乐或ADAS域基于QNX的Adaptive Autosar应用。只有S32G274A具备4个A53,S32G233A和S32G254A都是两个A53。S32G234M则没有ARM核。

 

S32G274的软件架构图

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S32G的低延迟通信引擎 (LLCE) 主要负责CAN、LIN 和FlexRay的通讯。LLCE 在校验和认证帧的过程中offload 主核的负载,并可基于片上的硬件安全模块 (HSE)处理帧的加密、解密过程。固件通过AUTOSAR MCAL (MCU抽象层,直接驱动硬件,需MCU厂家提供支持)集成到 AUTOSAR 通信堆栈中,NXP提供CAN_LLCE、LIN_LLCE和FR_LLCE的驱动程序。用于LLCE的AUTOSAR驱动程序与标准通信的CAN/LIN/FR驱动程序并行运行。NXP LLCE 固件支持用户创建的高级扩展。

 

数据包转发引擎(PFE),PFE可大幅降低主机内核对以太网数据包的处理负载,比通过纯软件的处理方式具有更高的性能和更低的功耗。PFE具有2 Gbit/s的数据包转发速度且几乎不会对主机内核带去负载。

 

瑞萨R-Car S4网关芯片系统架构图

 

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上图为瑞萨S4的系统架构图,基本也是下一代汽车的电子架构图。

 

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上图为瑞萨设想的终极汽车电子架构即Zonal架构,瑞萨称之为汽车服务器架构,所有的运算都集中在中央服务器,通常有两个计算单元,一个是针对智能驾驶的,一个是针对Infotainment的,类似于目前服务器的概念,所有的应用通过超过1Gbps的以太网传输给服务器,服务器完成所有运算再将结果反馈给底盘或Infotainment的MCU。R-CAR S4是瑞萨最新的网关芯片,已获得本田量产车使用,以日系抱团的习惯,日系车会全面采用S4。S4于2022年2季度正式量产。

 

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上图为瑞萨S4的内部框架图,这是今年才量产的新产品,比S32G2系列要晚大约两年推出。S4性能显然更强,S4内含4个Cortex-A55内核,基准频率1.2GHz,最高运行频率2.5GHz,最高算力约27KDMIPS,是ARM于2012年10月推出的A53内核的升级产品。A53的算力是2.3DMIPS/MHz,A55是2.7DMIPS/MHz。算力方面S4相对S32有压倒优势,S32G274A的CPU算力大约9.2KDMIPS,不过按基准频率,S4大约是12.9KDMIPS,差距不算大。实时系统运算核是ARM的R系列旗舰R52,相对于M系列,R系列算力强很多,瑞萨只用了1个R52内核,运行频率1.0GHz,算力高达5300DMIPS。比3个运行频率400MHz的M7核算力还要高。MCU系统用了两个瑞萨的G4MH核,也就是RH850的内核。

 

外围方面,S4更强大,具备两个PCIe4.0接口,S32G2是3.0版。以太网方面,S4最高支持2.5Gbps的接口有三个,S32G2是1个。S4也有对老旧的EAVB的支持。支持16路CAN-FD,S32G2是4路。LPDDR也是4代,频率达3200MHz,也支持UFS。

 

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瑞萨S4中大量复用了RH850和R-CAR V3的IP,合计IP复用达88%,这大大减少了老客户的工作量,牢牢绑定日系老客户。对新客户来说则没什么诱惑力。

 

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瑞萨不再用网关的概念而是汽车计算服务器系统,上图就是瑞萨的汽车计算服务器系统架构,以太网交换机和物理层都不是瑞萨的强项,需要第三方支持。瑞萨也推荐Marvell的88Q2112,这是802.3bp标准的千兆车载以太网物理层芯片的最常见型号,也差不多是唯一可选择的型号。两路2.5Gbps显然是支持两个服务器计算单元,另外一路2.5Gbps是智能驾驶传感器网络的骨干网。

 

瑞萨的网关产品路线图

 

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S4的四大特色

 

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S4系统包含一系列外围芯片,这也是瑞萨持续收购模拟和混合芯片厂家的成果之一。2021年2月8日,瑞萨以49亿欧元(折合59亿美元)收购了英国IC设计公司Dialog,Dialog主要产品是电源管理IC(为苹果定做,占69%)、AC/DC功率转换、低功率蓝牙以及数字音频CODEC。苹果为其第一大客户,占其收入的66%。2021年之前,瑞萨已收购过两家混合信号IC公司,即IDT和Intersil,花费分别是67亿美元和32亿美元。IDT擅长时钟电路,两个时钟IC都由IDT提供,即RC21012和5P35023。Intersil擅长Buck整流,ISL78235AARZ就是Intersil提供。刚收购的Dialog则提供两个PMIC。
下篇会详细介绍德州仪器的DRA829、英飞凌的TC377T和意法半导体的SPC58H。