PCIe总线在汽车新架构中的潜在机会

编译自GRL

先进的计算系统正在推动现代汽车行业的需求和创新。2023年全球智能汽车市场的价值已达到575亿美元，预计到2032年将以17%的复合年增长率增长，达到2657亿美元。然而，系统故障或意外故障仍然是开发人员必须克服的主要障碍，以发挥这一市场潜力。值得庆幸的是，PCI Express® (PCIe®)架构支持的功能安全(Function Safety, FuSA)可以帮助减轻这些致命危险。

PCIe在冗余架构中的固有功能可以提供卓越的错误检测、纠正和报告功能，符合当今严格的安全标准。事实上，ABI Research的“PCI Express市场垂直机会”报告预测，汽车存储和非存储功能中PCIe应用的总可寻址市场(Total Addressable Market, TAM)将以53%的复合年增长率(Compound Annual Growth Rate, CAGR)从2022年的7797万美元增长到2030年的惊人的36.1亿美元。

在利用最先进的技术来提高驾驶舒适度的汽车数字驾驶舱中，需要处理和存储数TB的数据。数据记录的监管要求强调了对可靠的高速数据存储解决方案的需求。目前，PCIe技术因其易于集成和部署以及更快的上市时间而受到青睐。在实施存储解决方案时，数据传输和存储是关键考虑因素，同时还需要考虑遵守数据处理的保护和保密法规。

PCIe具有可扩展性和虚拟化功能，可以构建模块化处理架构。通过在PCIe接口上增加更多通道，可以提高数据交换速率，而无需彻底改造整个应用程序。此功能允许以最少的处理器交互实现高传输速率。此外，开发人员还可以从虚拟化支持和扩展功能（如单根IO虚拟化SR-IOV和地址转换服务ATS）中受益，这些功能还可以解决安全性问题。

汽车IVI（车载信息娱乐）应用通常使用基于通用闪存(Universal Flash Storage, UFS)接口的存储解决方案，这是由于最初为移动设备设计的SoC已适应汽车环境。UFS已成为智能手机中基于eMMC的存储的继任者。

基于PCIe的解决方案在顺序和随机读写操作方面都明显优于基于UFS的解决方案（见图1），因此在下一代汽车IVI平台中得到广泛采用。对于数据存储和访问，PCIe接口在存储解决方案中提供了无与伦比的数据传输速度。基于NVMe架构构建的汽车级固态硬盘(Solid State Drive, SSD)完全满足这一要求，可提供最高的数据传输速度。此外，PCIe接口协议比其他接口效率高得多，与UFS相比，具有额外的低延迟优势。

图1：基于UFS和基于PCIe的存储解决方案之间的性能差异（来源：PCI-SIG®）

由于来自高清摄像头、雷达和激光雷达的多达20个传感器输入的大量数据，保证高速驾驶安全需要强大的计算能力和实时数据处理能力。通过强大的计算能力，高级驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)可以实时准确地处理大量数据，从而准确预测车辆周围环境并实现精确感知。PCIe技术通过提供低延迟连接和处理能力，在满足这些计算需求方面发挥着至关重要的作用。

市场压力和新法规也推动了对半导体技术的需求。然而，开发人员仍必须努力缩短开发周期、增强网络安全性和高级功能，才能成功集成半导体。PCIe支持集中式分区架构的能力再次使其成为一种强大而多功能的解决方案，可以适应不断变化的系统复杂性和严格的网络安全标准。

尽管汽车制造商竞相追赶全球竞争对手的快速步伐，但严格的汽车安全标准和测试仍导致新车技术落后5至7年。不过，中国制造商正在努力将这一差距缩小到3至5年。

PCIe能够支持从x1到x16的灵活链路宽度，因此汽车制造商可以缩短汽车应用开发时间并快速适应新技术要求。此外，PCIe的内置功能（如错误检测和报告）以及广泛的可互操作现成组件生态系统进一步简化了开发流程并缩短了上市时间。

集中式区域架构将车辆功能整合到数量更少、功能更强大的电子控制单元(Electronic Control Units, ECUs)中。这简化了管理并简化了软件更新，同时降低了复杂性和维护成本。更少的ECUs还意味着更高的通信效率和增强的系统性能。这种集中式架构与ADAS、无线(Over-The-Air, OTA)更新和增强的车辆连接等现代智能汽车组件无缝衔接。

随着汽车制造商不断解决传统防盗措施（如射频远程解锁系统）中的安全漏洞，黑客不可避免地将注意力转向利用车辆内部接口中的漏洞。新的法规已在不断制定以解决这一问题。例如，联合国第155号网络安全法规要求在整个汽车价值链中实施网络安全管理系统，确保保护软件、系统、组件和知识产权。

自2024年7月起，联合国第155号法规在法律上要求汽车制造商遵守法规，这是参与欧盟市场的先决条件。借助完整性和数据加密(Integrated Drive Electronics, IDE)等功能，PCIe可确保对通过PCIe链路传输的数据包进行硬件级加密和完整性检查，从而为针对内部接口的复杂攻击提供额外的保护层。