2020年09月25日 | 汽车电子架构不断演进，未来最贵的车载半导体会是什么？

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。   

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。

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。