汽車(chē)芯片的下一波革命或將發(fā)生在這一通信領(lǐng)域

以太網(wǎng)（Ethernet，IEEE 802.3 標準）應用市場(chǎng)廣闊，自 1973 年誕生以來(lái)，已經(jīng)歷 40 多年的發(fā)展歷程。因其具備技術(shù)成熟、高度標準化、帶寬高及低成本等諸多優(yōu)勢，成為了應用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，覆蓋家庭網(wǎng)絡(luò )及用戶(hù)終端，企業(yè)及園區網(wǎng)，運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )，大型數據中心和服務(wù)提供商等應用領(lǐng)域，在全球范圍內形成了以太網(wǎng)生態(tài)系統，是當今信息世界最重要的基礎設施，需要通過(guò)以太網(wǎng)通信的終端設備都可以采用以太網(wǎng)物理層芯片（PHY 芯片）及相關(guān)設備實(shí)現通信。

以太網(wǎng)協(xié)議采用星形拓撲或線(xiàn)性總線(xiàn)，這是 IEEE 802.3 標準的基礎，在 OSI（Open System Interconnection）七層（物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層、會(huì )話(huà)層、表示層和應用層）網(wǎng)絡(luò )結構中，以太網(wǎng)協(xié)議在物理層和數據鏈路層工作。以太網(wǎng)將數據鏈路層的功能劃分到了兩個(gè)不同的子層，分別是邏輯鏈路控制層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（Media Access Control，MAC）層。

本文主要關(guān)注物理層，OSI 物理層規范規定的是連接傳輸介質(zhì)的相關(guān)器件標準，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(xiàn)個(gè)數、引線(xiàn)排列順序，以及固定方式和材質(zhì)等機械性能指標；電氣特性是指介質(zhì)及接口電壓、電流指標；功能特性是指物理層器件需要實(shí)現的功能，例如，如何處理數據流，使用哪種編碼方式，以及規定幀格式等。

根據以太網(wǎng)聯(lián)盟創(chuàng )建的路線(xiàn)圖，將以太網(wǎng)應用分為五大類(lèi)：工業(yè)自動(dòng)化，車(chē)載以太網(wǎng)，企業(yè)應用，電信運營(yíng)商，數據中心。具體來(lái)看，包括信息通信（路由器、交換機、無(wú)線(xiàn)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），監控設備（安防攝像頭），以及汽車(chē)系統中的輔助駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)、攝像頭、激光雷達、行車(chē)記錄儀等。

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 )七層架構的最底層，是有線(xiàn)傳輸通信芯片，用以實(shí)現不同設備之間的連接。具體而言，PHY 芯片連接數據鏈路層的設備到物理媒介，并為設備之間的數據通信提供傳輸媒介，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 是全數字器件。它們通常有以下三種集成結構：1、CPU 內部集成了 MAC 和 PHY，這種比較少見(jiàn)；2、CPU 內部集成了 MAC，PHY 是獨立芯片，這種比較常見(jiàn)；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 設計業(yè)內，PHY 芯片的研發(fā)門(mén)檻是比較高的，這是因為 PHY 芯片要將數字信號轉換為模擬信號，并把它發(fā)送到通信介質(zhì)上，同時(shí)，從接收到的模擬信號中恢復出數字信號，再傳輸到上層芯片處理。因此，PHY 芯片是一個(gè)復雜的數?；旌舷到y，芯片中包含高性能 SerDes、ADC/DAC、高精度 PLL 等 AFE 設計，還包括濾波算法和信號恢復等 DSP 設計，其中，模擬電路主要負責模擬信號與數字信號之間的轉換，，數字電路負責數字信號的處理，實(shí)現降噪、干擾抵消、均衡、時(shí)鐘恢復等功能。因此，這種芯片研發(fā)需要深厚的數字、模擬、算法等全方位的技術(shù)經(jīng)驗，還需要產(chǎn)品設計團隊高效配合，不是一般的工程師能夠完成的。

新時(shí)期，新應用

近些年，各種數字化終端設備大規模普及，通信、計算、存儲、監控等各種應用和網(wǎng)絡(luò )逐漸融合。

據 IDC 預測，未來(lái) 3 年全球算力規模將以超過(guò) 50% 的速度增長(cháng)，到 2025 年整體規模將達到 3300EFlops，2025 年全球物聯(lián)網(wǎng)設備數將超過(guò) 400 億臺，產(chǎn)生的數據量接近 80ZB，超過(guò)一半的數據需要依賴(lài)終端或者邊緣的計算能力進(jìn)行處理。

以太網(wǎng)作為應用最廣的局域網(wǎng)傳輸技術(shù)，在傳輸可靠性、穩定性等方面具有明顯優(yōu)勢，可以為物聯(lián)網(wǎng)設備、操作系統和軟件運行提供基礎網(wǎng)絡(luò )層。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和人工智能發(fā)展帶來(lái)的數據傳輸量不斷攀升，以太網(wǎng)應用將在現有基礎上不斷擴展。

在這樣的大背景下，PHY 芯片作為以太網(wǎng)傳輸的基礎芯片，隨著(zhù)各種應用數據量的爆發(fā)式增長(cháng)，其市場(chǎng)規模也在持續上漲。

據中國汽車(chē)技術(shù)研究中心預測，2022~2025 年，全球以太網(wǎng) PHY 芯片市場(chǎng)規模將保持 25% 以上的年復合增長(cháng)率，到 2025 年，有望突破 300 億元。

汽車(chē)市場(chǎng)是重點(diǎn)突破方向

隨著(zhù)以新能源汽車(chē)為代表的當代汽車(chē)向電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化方向發(fā)展，傳統汽車(chē)使用的總線(xiàn)（CAN、LIN、FlexRay、MOST）在成本、性能上越來(lái)越難以滿(mǎn)足現代化汽車(chē)的需求，而以太網(wǎng)在汽車(chē)應用中的優(yōu)勢逐漸凸顯出來(lái)。車(chē)載以太網(wǎng) PHY 芯片有望在新能源汽車(chē)智能化發(fā)展趨勢帶動(dòng)下實(shí)現大規模應用。

下面介紹一下汽車(chē)以太網(wǎng)優(yōu)勢的具體表現。

當代汽車(chē)中使用的電子控制和通信系統越來(lái)越多，如發(fā)動(dòng)機電控系統、自動(dòng)變速器控制系統、防抱死制動(dòng)系統（ABS）、自動(dòng)巡航系統（ACC）和車(chē)載多媒體系統等。這些系統之間、系統和汽車(chē)的顯示儀表之間、系統和汽車(chē)故障診斷系統之間都需要進(jìn)行大量的數據交換，這種情況下，就不能用導線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的連接和信息傳輸方式，因為這樣裝配非常復雜，且故障率會(huì )很高。這時(shí)，就需要用到汽車(chē)總線(xiàn)。

汽車(chē)總線(xiàn)是用于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中底層設備或儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò )，是車(chē)用網(wǎng)絡(luò )與車(chē)載設備控制系統的集成。

傳統汽車(chē)總線(xiàn) LIN 和 CAN，雖然市場(chǎng)占有率很可觀(guān)，但是，它們的傳輸速率已經(jīng)不能滿(mǎn)足逐漸增多的電氣設備的要求，MOST 總線(xiàn)雖然在傳輸速率上有很大提升，但其環(huán)形拓撲結構阻礙了在整車(chē)中的普及，FlexRay 總線(xiàn)的數十兆傳輸速率、循環(huán)冗余網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和同步能力很優(yōu)秀，但是，FlexRay 網(wǎng)絡(luò )的負載率及其難以實(shí)現預期的傳輸速率、價(jià)格昂貴等因素使它僅能用于信息娛樂(lè )系統。

此外，汽車(chē)內部電子電氣（E/E）元器件的數量和復雜度大幅提升，單輛車(chē) ECU 數量已經(jīng)從 20-30 個(gè)增加到 100 多個(gè)，部分車(chē)型線(xiàn)束長(cháng)度已高達 2.5 英里，E/E 架構已經(jīng)不能滿(mǎn)足汽車(chē)智能化時(shí)代的發(fā)展需求，因此，車(chē)載網(wǎng)絡(luò )轉向域控制和集中控制的趨勢越來(lái)越明顯，總線(xiàn)也需要向高帶寬方向發(fā)展。

車(chē)載以太網(wǎng)在傳統以太網(wǎng)技術(shù)的基礎上進(jìn)行了一系列優(yōu)化和改良，使之更為貼合車(chē)內通信需求。

車(chē)載以太網(wǎng)針對車(chē)內通信需求研發(fā)出了一種用以太網(wǎng)連接車(chē)內電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)。車(chē)載以太網(wǎng)技術(shù)率先應用于智能駕駛和智能座艙，并在未來(lái)實(shí)現對整車(chē)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(xiàn)束輕量化是以太網(wǎng)相較于其它總線(xiàn)的另一大優(yōu)點(diǎn)。減輕汽車(chē)自重是節能的基本途徑，而選用輕質(zhì)材料是實(shí)現汽車(chē)輕量化最有效的方法，線(xiàn)束的復雜性使其成為汽車(chē)結構中僅次于底盤(pán)和發(fā)動(dòng)機的第三重部件。部分傳統總線(xiàn)線(xiàn)纜厚重，且需要額外的屏蔽以保護其不受電磁干擾，而車(chē)載以太網(wǎng)使用單對非屏蔽雙絞線(xiàn)及更小型的連接器，與傳統總線(xiàn)相比可減少 80% 的線(xiàn)束成本和 30% 的布線(xiàn)重量?？赏ㄟ^(guò)使用回聲抵消技術(shù)在單線(xiàn)對上實(shí)現雙向通信，以滿(mǎn)足智能化對高帶寬的需求。

傳統以太網(wǎng)一般采用 4 對線(xiàn)，而車(chē)載以太網(wǎng)只有 1 對線(xiàn)，這就導致同樣傳輸速率下，車(chē)載以太網(wǎng) PHY 芯片的設計和實(shí)現難度成倍增加，這也是目前各大廠(chǎng)商技術(shù)和產(chǎn)品優(yōu)勢和競爭力的焦點(diǎn)。

車(chē)載總線(xiàn)技術(shù)對比

架構的改變和自動(dòng)駕駛傳感器帶來(lái)的大量數據處理需求，使得帶寬成為下一代汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的關(guān)鍵。與傳統車(chē)載總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不同，車(chē)載以太網(wǎng)可以提供帶寬密集型應用所需的更高數據傳輸能力，同時(shí)，其先天技術(shù)優(yōu)勢可以滿(mǎn)足汽車(chē)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(chē)網(wǎng)絡(luò )架構，特斯拉在 Model 3 和 Model Y 中已經(jīng)采用域控制結構。

自動(dòng)駕駛級別越高，車(chē)內通信對高速率網(wǎng)絡(luò )的需求就越迫切，L3 以上的自動(dòng)駕駛，需要在車(chē)內搭配 2.5/5/10G 以太網(wǎng)，而到了 L4/L5 自動(dòng)駕駛，車(chē)內需要引入 10G+以太網(wǎng)。因此，高速車(chē)載以太網(wǎng)是實(shí)現 L3 及以上自動(dòng)駕駛必不可少的配置。

據以太網(wǎng)聯(lián)盟預測，隨著(zhù)汽車(chē)智能化應用需求推動(dòng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，未來(lái)智能汽車(chē)單車(chē)以太網(wǎng)端口將超過(guò) 100 個(gè)，這為車(chē)載以太網(wǎng)芯片提供了巨大的發(fā)展空間。以 Aquantia 汽車(chē)的 ADAS 以太網(wǎng)架構為例，每一個(gè)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(gè) PHY 芯片以連接到 ADAS 域的交換機上，每個(gè)交換機節點(diǎn)也需要配置若干個(gè) PHY 芯片。

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(chǎng)被少數企業(yè)把持著(zhù)，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展和積累，這些廠(chǎng)商憑借資金、技術(shù)、客戶(hù)資源、品牌等優(yōu)勢，掌握了大部分市場(chǎng)份額。據中國汽車(chē)技術(shù)研究中心統計，博通、美滿(mǎn)電子、瑞昱、德州儀器、恩智浦和微芯穩居前列，全球前五大以太網(wǎng) PHY 芯片廠(chǎng)商的市場(chǎng)份額占比高達 91%。目前，中國大陸的 PHY 芯片市場(chǎng)基本被這些國際巨頭主導，市占率達 87%。

近些年，中國本土廠(chǎng)商的技術(shù)能力一直在提升過(guò)程中，有望憑借本土快速響應能力占據更多市場(chǎng)份額。目前，國內主要以太網(wǎng) PHY 芯片廠(chǎng)商包括裕太微，景略半導體，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(chǎng)商中，裕太微是領(lǐng)先企業(yè)，能夠大規模供應千兆以太網(wǎng) PHY 芯片，是國內首家在車(chē)載 PHY 芯片領(lǐng)域通過(guò) OPEN Alliance IOP 認證的企業(yè)，其 2.5G PHY 芯片已量產(chǎn)，在技術(shù)實(shí)力和規模上處于國內領(lǐng)先地位，2021 年，裕太微產(chǎn)品在以太網(wǎng) PHY 芯片市場(chǎng)份額為 2%。景略半導體的核心團隊源于美滿(mǎn)電子，主要為車(chē)載、工業(yè)、企業(yè)應用提供以太網(wǎng) PHY 芯片，其車(chē)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，是國內較早實(shí)現 TSN 交換芯片流片的企業(yè)，TSN 芯片即將進(jìn)入量產(chǎn)階段。