汽車芯片的下一波革命或?qū)l(fā)生在這一通信領(lǐng)域

在IC設(shè)計業(yè)內(nèi),PHY芯片的研發(fā)門檻是比較高的,這是因為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?

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本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫”,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),主要包括機械特性,電氣特性和功能特性。機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,電信運營商,數(shù)據(jù)中心。具體來看,包括信息通信(路由器、交換機、無線終端、中繼器),智能電子(機頂盒、LED顯示屏、網(wǎng)絡(luò)打印機、智能電視),工業(yè)控制(礦業(yè)、工業(yè)相機等),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、行車記錄儀等。

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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是獨立芯片,這種比較常見;3、CPU不集成MAC和PHY,MAC和PHY采用獨立芯片或者集成芯片。

在IC設(shè)計業(yè)內(nèi),PHY芯片的研發(fā)門檻是比較高的,這是因為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)?;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,還包括濾波算法和信號恢復(fù)等DSP設(shè)計,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,還需要產(chǎn)品設(shè)計團隊高效配合,不是一般的工程師能夠完成的。

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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算能力進行處理。

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)之間都需要進行大量的數(shù)據(jù)交換,這種情況下,就不能用導(dǎo)線進行點對點的連接和信息傳輸方式,因為這樣裝配非常復(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。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)計和實現(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。

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04

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、毫米波雷達、超聲波雷達等)都需要部署一個PHY芯片以連接到ADAS域的交換機上,每個交換機節(jié)點也需要配置若干個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,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)體的核心團隊源于美滿電子,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)較早實現(xiàn)TSN交換芯片流片的企業(yè),TSN芯片即將進入量產(chǎn)階段。

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