汽車電子架構都離不開基礎技術車載以太網(wǎng)

無論是軟件定義汽車，還是分布式ECU抑或是自適應Autosar，都離不開智能汽車時代的基礎技術車載以太網(wǎng)，對于硬件工程師來說，車載以太網(wǎng)物理層和交換機是其最關注的芯片，這也是利潤率遠超過高算力芯片的領域，也是基本上被歐美企業(yè)壟斷的領域。

上圖是整個車載以太網(wǎng)的7層OSI模型與標準分布圖，我們最常提到的是TSN或EAVB，而物理層標準鮮少有人提及。因為絕大多數(shù)工程師都不會和物理層打交道。

很多人都在說域控制器、服務導向架構、分布式計算或軟件定義汽車，殊不知關鍵的1G車載以太網(wǎng)物理層芯片在2020年才SOP，而多G帶寬的車載以太網(wǎng)物理層標準才剛剛在去年完成，SOP還得一年或兩三年左右。沒有這個芯片，什么域控制器、服務導向架構、分布式計算或軟件定義汽車都是空中樓閣。

全面使用域控制器、服務導向架構、分布式計算或軟件定義汽車都需要以太網(wǎng)做骨干網(wǎng)，也就是多G以太網(wǎng)，而第一個支持多G車載以太網(wǎng)物理層的芯片在2020年11月才正式推出，量產(chǎn)估計要到2021年底或2022年初，也有可能到2022年底才量產(chǎn)。使用單一域控制器，也離不開1G車載以太網(wǎng)物理層芯片，而1G車載以太網(wǎng)物理層芯片量產(chǎn)是在2019年。 首先一個問題，為什么要獨立制定一個車載以太網(wǎng)物理層標準？沿用傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理層不更好么？

傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)最大不同是傳統(tǒng)以太網(wǎng)需要2-4對線，車載以太網(wǎng)只需一對，且是非屏蔽的，僅此一項，可以減少70-80%的連接器成本，可以減少30%的重量。這是車載以太網(wǎng)誕生的最主要原因。同時也是為了滿足車內(nèi)的EMC電磁干擾。

常見汽車傳輸界面特性一覽表。

四個車載以太網(wǎng)物理層標準，車載以太網(wǎng)野心勃勃，10Base-T1S是試圖取代傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡的。第一個1000Base-T1標準的物理層芯片是Marvell的88Q2112，雖然其推出時間是2015年10月，但在2019年才量產(chǎn)，典型應用如英偉達的旗艦盒子Pegasus。 特斯拉最新的HW3.0使用Marvell的88EA1512，是20年前的傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理層標準。2020年10月，Marvell推出第三代產(chǎn)品，實際上88Q2112有兩代，第一代沒有量產(chǎn)，只是占個第一的位置。

所以Marvell第三代型號是88Q222xM。 第三代特別增加對Open Alliance TC10，用于睡眠模式和喚醒。能夠滿足最嚴苛的ASIL-D級標準，在AEC-Q100溫度上達到1級標準，也就是最高可承受125°高溫，通常物理層芯片都是2級標準，即105°高溫。除了Marvell，還有德州儀器、博通能提供1000Base-T1標準的物理層芯片。臺灣Realtek有支持1000Base-T1標準物理層的交換機芯片。

博通在NGBase-T1的物理層芯片領域拔得頭籌，2020年11月，博通宣布推出BCM8989X 和BCM8957X，BCM8989X是業(yè)內(nèi)第一個對應NGBase-T1（即IEEE 802.3ch）標準的MACsec 物理層芯片，到目前為止，博通是唯一能提供NGBase-T1芯片的廠家。BCM8957X則是業(yè)內(nèi)第一個支持10Mbps 到10Gbps速率的L2/L3級車載以太網(wǎng)交換機芯片。特斯拉與博通在下一代FSD芯片上有合作，但不大可能將多G物理層嵌入FSD中，因為物理層芯片一般都是獨立的。

還有一個IEEE 802.3cy，也就是10G以上車載以太網(wǎng)物理層標準，分別支持25、50、100G。 IEEE的車載以太網(wǎng)物理層基本上是全部照搬OPEN Alliance的標準，OPEN Alliance是非盈利性的汽車行業(yè)和技術聯(lián)盟，旨在鼓勵大規(guī)模使用以太網(wǎng)作為車聯(lián)網(wǎng)標準。OPEN Alliance成員單位利用以太網(wǎng)的可擴展性和靈活性實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)低成本通信，減少通訊復雜性。以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡也是實現(xiàn)未來自動駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車功能的重要組成部分。自建立以來，OPEN Alliance的成員單位已增至近400家。 10BASE-T1S即IEEE 802.3cg也就是 OPEN Alliance 的TC14 ，100BASE-T1即IEEE802.3bw也就是OPEN Alliance TC1，100/1000BASE-T1 ECU測試標準即OPEN Alliance的TC8， 1000BASE-T1即IEEE802.3bp也就是OPEN Alliance 的TC12，2.5/5/10GBASE-T1即IEEE802.3ch也就是OPEN Alliance 的TC15標準。

OPEN Alliance有18家發(fā)起（Promote）會員單位，2011年11月，寶馬、博通和NXP成立OPEN Alliance，后來還有Marvell（原是Adopter會員，后提升）、通用、豐田、沃爾沃、大眾、捷豹路虎（曾經(jīng)是，目前退出）、現(xiàn)代、博世、瑞薩、大眾、雷諾（曾經(jīng)是，目前退出）、大陸汽車、奔馳（曾經(jīng)是，目前退出）、三星哈曼（曾經(jīng)是，目前退出）、現(xiàn)代、中國臺灣瑞昱（曾經(jīng)是，目前退出）。Promoter會員單位只能有原始的三家邀請才能成為Promoter會員單位。

另外每年交1500美元就能成為的Adopter會員，其中包括20家中國企業(yè)（可能有遺漏），這20家中國企業(yè)是：北汽、北京汽車研究總院、北汽福田、華晨汽車、一汽集團、航盛電子、臺灣HTC、惠州華陽、豪恩、恒潤科技、東軟、寧波卡倍億、泛亞汽車、臺灣和碩、沈陽東信創(chuàng)智、深圳鵬毅實業(yè)、臺灣凌陽創(chuàng)新、臺灣凌陽科技、信利光電、信利半導體。雖然IEEE制定了標準，但車載以太網(wǎng)ECU測試標準是OPEN Alliance制定的。這里面涵蓋了行業(yè)的全部有影響力的企業(yè)。

物理層標準再分為三層，即PCS、PMA和PMD。

PMA比較關鍵，變化也比較多。PCS子層負責3B2T（千兆車載以太網(wǎng)）編碼，它可以把從GMII口接收到的8位并行的數(shù)據(jù)轉換成10位并行的數(shù)據(jù)輸出。因為10比特的數(shù)據(jù)能有效地減小直流分量，降低誤碼率，另外采用3B2T編碼便于在數(shù)據(jù)中提取時鐘和進行首發(fā)同步。可以把PCS兩頭看成GMII接口和TBI接口。PMA子層進一步將PCS子層的編碼結果向各種物理媒體傳送，主要是負責完成串并轉換。

PCS層以125M的速率并行傳送10位代碼到PMA層，由PMA層轉換為1.25Gbps的串行數(shù)據(jù)流進行發(fā)送，以便實際能得到1Gbps的千兆以太網(wǎng)傳送速率?？梢园裀MA子層的兩頭分別看做TBI接口和SGMII接口。PMD子層將對各種實際的物理媒體完成接口，完成真正的物理連接。 因為是非屏蔽單對線，擔心有RF泄露，因此美國FCC會對此類產(chǎn)品做檢驗。車載以太網(wǎng)的測試是大麻煩，直到2021年2月，泰科才第一個推出滿足IEEE 802.3ch MultiGBASE-T1規(guī)范的車載以太網(wǎng)測試系統(tǒng)。

全雙工通信及 PAM3 信令為在真實世界條件下驗證 ECU 增加了復雜度。大多數(shù)串行標準都在單工模式下工作，一次只有一臺設備通信，有些通信標準對發(fā)送和接收使用一條單獨的鏈路，而在汽車以太網(wǎng)中，主設備和從設備可以通過同一條鏈路同時通信。因此，來自主設備的信號與來自從設備的信號相互疊加。主設備知道它發(fā)送的是哪些數(shù)據(jù)，它可以從疊加的信號中確定從設備的信號，反之亦然。盡管收發(fā)機是為處理這種情況而設計的，但在示波器上隔離信號，進行信號完整性測試或協(xié)議解碼幾乎是不可能的。

測試需要昂貴的硬件和軟件，還要有足夠強的學習能力，幾乎沒有人熟悉這個領域。這個在開發(fā)后期需要頻繁測試調整，租一套設備測試幾乎是不可能的。硬件昂貴，像高帶寬的示波器是很昂貴的，13G的示波器，大概200萬人民幣左右，硬件工程師得人手一個，可不是只買一個就行得，110G的示波器價格是百萬美元。頻譜儀，射頻信號源，網(wǎng)絡分析儀這些一旦上G帶寬，都是數(shù)百萬元價格。

主要測試內(nèi)容如上表。物理層芯片是一個技術門檻非常高的領域，全球只有NXP、博通、Marvell、瑞昱、Microchip、德州儀器六家能夠完成，因為物理層芯片是模擬領域。物理層芯片在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，收到MAC過來的數(shù)據(jù)（對物理層芯片來說，沒有幀的概念，對它來說，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址，數(shù)據(jù)還是CRC），每4bit就增加1bit的檢錯碼，然后把并行數(shù)據(jù)轉化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則（10Based-T的NRZ編碼或100based-T的曼徹斯特編碼）把數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)槟M信號把數(shù)據(jù)送出去。

網(wǎng)線上的到底是模擬信號還是數(shù)字信號呢？答案是模擬信號，因為它傳出和接收是采用的模擬的技術。雖然它傳送的信息是數(shù)字的，并不是傳送的信號是數(shù)字的。 眾所周知，模擬IC處理的信號都具有連續(xù)性，可以轉換為正弦波研究，而數(shù)字IC處理的是非連續(xù)性信號，都是脈沖方波。模擬電路比較注重經(jīng)驗，設計門檻高，學習周期10-15年；數(shù)字電路則有EDA工具輔助，學習周期2-3年。模擬IC強調的是高信噪比、低失真、低耗電、高可靠性和穩(wěn)定性。產(chǎn)品一旦達到設計目標就具備長久的生命力，生命周期長達30年以上的模擬IC產(chǎn)品也不在少數(shù)。

如運算放大器NE5532，生命周期超過50年，現(xiàn)在還在用。 數(shù)字IC多采用低壓CMOS工藝，而模擬IC少采用CMOS工藝。因為模擬IC通常要輸出高電壓或者大電流來驅動其他元件，而CMOS工藝的驅動能力很差。此外，模擬IC最關鍵的是低失真和高信噪比，這兩者都是在高電壓下比較容易做到的。而CMOS工藝主要用在5V以下的低電壓環(huán)境，并且持續(xù)朝低電壓方向發(fā)展。

對于數(shù)字電路來說是沒有噪音和失真的，數(shù)字電路設計者完全不用考慮這些因素。此外由于工藝技術的限制，模擬電路設計時應盡量少用或不用電阻和電容，特別是高阻值電阻和大容量電容，只有這樣才能提高集成度和降低成本。某些射頻IC在電路板的布局也必須考慮在內(nèi)，而這些是數(shù)字IC設計所不用考慮的。因此模擬IC的設計者必須熟悉幾乎所有的電子元器件特性，非15年以上經(jīng)驗不可。

另一個門檻是CDR，即時鐘數(shù)據(jù)恢復，對于高速的串行總線來說，一般情況下都是通過數(shù)據(jù)編碼把時鐘信息嵌入到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流里，然后在接收端通過時鐘恢復把時鐘信息提取出來，并用這個恢復出來的時鐘對數(shù)據(jù)進行采樣，因此時鐘恢復電路對于高速串行信號的傳輸和接收至關重要。

對于高速的串行總線來說，一般情況下都是通過數(shù)據(jù)編碼把時鐘信息嵌入到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流里，然后在接收端通過時鐘恢復把時鐘信息提取出來，并用這個恢復出來的時鐘對數(shù)據(jù)進行采樣，因此時鐘恢復電路對于高速串行信號的傳輸和接收至關重要。 CDR接口的主要設計挑戰(zhàn)是抖動，即實際數(shù)據(jù)傳送位置相對于所期望位置的偏移。總抖動（TJ）由確定性抖動（DJ）和隨機抖動（RJ）組成。

大多數(shù)抖動是確定的，其分量包括碼間干擾、串擾、占空失真和周期抖動（例如來自開關電源的干擾）。而隨機抖動是半導體發(fā)熱問題的副產(chǎn)品，無法科學預測，只能憑經(jīng)驗猜測。傳送參考時鐘、傳送PLL、串化器和高速輸出緩沖器都對會傳送抖動造成影響。一般來說對低頻的抖動容忍度很高，PLL電路能夠很好地跟蹤，恢復出來的時鐘和被測信號一起抖動。高頻比較麻煩，要設置PLL電路過濾掉，如何設置，沒有電腦輔助，全靠經(jīng)驗，沒有15年左右的經(jīng)驗是做不好的。

原文標題：車載以太網(wǎng)物理層芯片扼住汽車電子架構的咽喉

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責任編輯：haq