汽車芯片市場(chǎng)集中度最高的領(lǐng)域：SerDes介紹

SerDes即串行與解串行，汽車領(lǐng)域每一顆攝像頭至少需要一片串行器，至少需要0.25片解串行。每一塊顯示屏都需要一片串行和一片解串行芯片。2023年全球市場(chǎng)規(guī)模大約25-30億美元，市場(chǎng)規(guī)模雖不大，但成長(zhǎng)強(qiáng)勁，驅(qū)動(dòng)原因自不必說(shuō)，特別是國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)，內(nèi)卷嚴(yán)重，攝像頭數(shù)量和像素都在飛速增加，顯示屏數(shù)量和分辨率也是飛速增加。400萬(wàn)像素以上ADAS和360全景攝像頭領(lǐng)域，ADI（主要源自2021年209億美元收購(gòu)美信的產(chǎn)品線）完全壟斷市場(chǎng)，400萬(wàn)像素以下的360全景市場(chǎng)，ADI也是完全壟斷，只有ADAS市場(chǎng)，德州儀器有少量份額。顯示屏領(lǐng)域，德州儀器大約占70%的市場(chǎng)，ADI的份額很低。顯示領(lǐng)域還有索尼的GVIF，主要用在日系車上，日系車汽車電子遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于全球，特別是中國(guó)，因此索尼GVIF市場(chǎng)份額極低。還有基本上只有寶馬一個(gè)客戶的Inova的APIX3?；旧现挥斜捡Y一個(gè)客戶的Valens。

SerDes在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

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SerDes不僅在汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在機(jī)器人、醫(yī)療、視頻采集領(lǐng)域也是廣泛應(yīng)用，在服務(wù)器領(lǐng)域也應(yīng)用甚廣，服務(wù)器領(lǐng)域價(jià)值更高，芯片價(jià)格高達(dá)數(shù)千乃至上萬(wàn)美元，基本上被博通壟斷。

信號(hào)傳輸分為并行與串行兩種，在高速狀態(tài)下，并行口的幾根數(shù)據(jù)線之間存在串?dāng)_，而并行口需要信號(hào)同時(shí)發(fā)送同時(shí)接收，任何一根數(shù)據(jù)線的延遲都會(huì)引起問題。而串行只有一根數(shù)據(jù)線，不存在信號(hào)線之間的串?dāng)_，而且串行還可以采用低壓差分信號(hào)，可以顯著提高它的抗干擾性，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。盡管并行可以一次傳多個(gè)數(shù)據(jù)位，但時(shí)鐘頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于串行，此外串行的傳輸介質(zhì)通常是同軸電纜，連接器是FARKA，并行的傳輸介質(zhì)和連接器成本都高于串行，所以目前串行傳輸是高速傳輸?shù)氖走x。

在傳輸前將數(shù)據(jù)格式整形為串行，在接收后將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為并行，這就是SerDes。它有兩個(gè)芯片，發(fā)送端叫Serializer，接收端叫Deserializer。SerDes不傳送時(shí)鐘信號(hào)，這也是SerDes最特別的地方，SerDes在接收端集成了CDR(Clock Data Recovery)電路，利用CDR從數(shù)據(jù)的邊沿信息中抽取時(shí)鐘，并找到最優(yōu)的采樣位置。這也是最難的地方，因?yàn)樗鼈鬏數(shù)氖?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)，需要的技術(shù)卻是模擬技術(shù)。

CDR，即時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)，對(duì)于高速的串行總線來(lái)說(shuō)，一般情況下都是通過數(shù)據(jù)編碼把時(shí)鐘信息嵌入到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流里，然后在接收端通過時(shí)鐘恢復(fù)將時(shí)鐘信息提取出來(lái)，并用這個(gè)恢復(fù)出來(lái)的時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，因此時(shí)鐘恢復(fù)電路對(duì)于高速串行信號(hào)的傳輸和接收至關(guān)重要。CDR接口的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是抖動(dòng)，即實(shí)際數(shù)據(jù)傳送位置相對(duì)于所期望位置的偏移?？偠秳?dòng)(TJ)由確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)組成。大多數(shù)抖動(dòng)是確定的，其分量包括碼間干擾、串?dāng)_、占空失真和周期抖動(dòng)(例如來(lái)自開關(guān)電源的干擾)。而通常隨機(jī)抖動(dòng)是半導(dǎo)體發(fā)熱問題的副產(chǎn)品，且很難預(yù)測(cè)。傳送參考時(shí)鐘、傳送PLL、串化器和高速輸出緩沖器都會(huì)對(duì)傳送抖動(dòng)造成影響。一般來(lái)說(shuō)對(duì)低頻的抖動(dòng)容忍度很高，PLL電路能夠很好地跟蹤，恢復(fù)出來(lái)的時(shí)鐘和被測(cè)信號(hào)一起抖動(dòng)。高頻比較麻煩，要設(shè)置PLL電路過濾掉，如何設(shè)置，沒有電腦輔助，全靠經(jīng)驗(yàn)，沒有10年左右的經(jīng)驗(yàn)是做不好的。

這也使得界面IC的護(hù)城河非常寬闊，可以允許非常小的廠家存在，它可能只有一款產(chǎn)品，但生命力異常頑強(qiáng)。典型的就是基本上只有寶馬一個(gè)客戶的Inova，以及基本上只有奔馳一個(gè)客戶的Valens。

攝像頭領(lǐng)域，GMSL在高像素領(lǐng)域占據(jù)壟斷地位，GMSL（Gigabit Multi-Media Serial Link）就是ADI的串行解串行技術(shù)。

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ADI或者說(shuō)美信的GMSL技術(shù)最早出現(xiàn)在1999年，2004年推出第一款產(chǎn)品，目前第三代GMSL已經(jīng)完成開發(fā)，正在開發(fā)的GMSL3X，可以看作3.5代GMSL。

四代GMSL性能對(duì)比

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一代GMSL有兩個(gè)版本，以先進(jìn)版的一代為準(zhǔn)。

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目前市面上主要是GMSL2，而GMSL3最高可支持1500萬(wàn)像素?；旧螱MSL2/3的產(chǎn)品Datasheet都需要簽署NDA，外界很難拿到相關(guān)資料。GMSL4似乎是想和傳統(tǒng)的PCIe/USB競(jìng)爭(zhēng)，跨出車用領(lǐng)域。

GMSL需要支持使用同軸線和雙絞線，低成本雙絞線電纜的高頻衰減是一個(gè)很嚴(yán)重的問題，高頻衰減造成接收信號(hào)出現(xiàn)明顯的碼間干擾(ISI)，進(jìn)而難以恢復(fù)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，導(dǎo)致誤碼率(BER)升高。發(fā)送器和接收器采取一定形式的線路均衡，可大幅降低ISI并恢復(fù)嚴(yán)重劣化的數(shù)據(jù)，確保可靠工作。

真正影響信號(hào)可靠傳輸?shù)牟皇撬p本身，而是信道的衰減隨頻率變化。高低頻信號(hào)的衰減差最終會(huì)導(dǎo)致碼間干擾（Inter-Symbol Interference，ISI）。字面理解，碼間干擾就是不同碼元相互干擾，比如說(shuō)，A時(shí)刻傳輸?shù)摹?”信號(hào)疊加到了B時(shí)刻傳輸?shù)摹?”信號(hào)上，使B時(shí)刻的信號(hào)幅度從0變?yōu)?.2。為什么高低頻信號(hào)的衰減差就會(huì)導(dǎo)致碼間干擾呢？因?yàn)樾盘?hào)高頻分量的損失會(huì)使得信號(hào)邊沿變緩，從而導(dǎo)致信號(hào)展寬。展寬后的信號(hào)可能會(huì)跨越多個(gè)單位時(shí)間間隔（1UI），就會(huì)出現(xiàn)上文提到的A時(shí)刻的信號(hào)疊加到B時(shí)刻上。信道的衰減越大，信號(hào)的展寬就越嚴(yán)重，疊加到其他時(shí)刻的信號(hào)上的比例也會(huì)越大。換句話說(shuō)，SerDes系統(tǒng)需要真正解決并不是信號(hào)的衰減，而是高低頻信號(hào)的衰減差。解決辦法主要是加重和均衡，這完全靠豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，全球能做到的只有德州儀器和ADI，博通應(yīng)該也能，但似乎對(duì)汽車領(lǐng)域缺乏興趣，服務(wù)器的SerDes更有利潤(rùn)。

GMSL一代是固定均衡，二代是自適應(yīng)均衡AEQ，三代加入了前饋均衡（Feed Forward Equalizer，F(xiàn)FE）。自適應(yīng)均衡器使 GMSL2 鏈路能夠抵抗噪聲、串?dāng)_和反射。均衡器放大高頻信號(hào)，當(dāng)與電纜的頻率響應(yīng)相結(jié)合時(shí)，接收器可以恢復(fù)具有更高保真度的寬帶信號(hào)。均衡器具有 12 種不同的補(bǔ)償級(jí)別，芯片會(huì)自動(dòng)檢測(cè)輸入信號(hào)的質(zhì)量，自適應(yīng)地設(shè)置最佳的均衡值，使 SerDes系統(tǒng)能夠處理長(zhǎng)達(dá)30m的同軸電纜和15m的STP電纜長(zhǎng)度。在解串器每次上電時(shí)做一次自適應(yīng)補(bǔ)償，以大約1Hz的速率調(diào)用以跟蹤溫度和電壓變化，所以即便線束存在老化、溫漂、線束個(gè)體差異等實(shí)際差異時(shí)，AEQ 都能夠自動(dòng)選擇出最佳的補(bǔ)償?shù)燃?jí)。另外，技術(shù)人員也可以讀取上電以后的AEQ的補(bǔ)償值，如果明顯高于正常值，可以判斷當(dāng)前傳輸通道可能存在短路、松動(dòng)、彎曲等異常情況。

預(yù)加重是一種在發(fā)送端對(duì)輸入信號(hào)高頻分量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男盘?hào)處理方式。隨著信號(hào)速率的增加，信號(hào)在傳輸過程中受損很大，為了在接收終端能得到比較好的信號(hào)波形，就需要對(duì)受損的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，預(yù)加重技術(shù)的思想就是在傳輸線的始端增強(qiáng)信號(hào)的高頻成分，以補(bǔ)償高頻分量在傳輸過程中的過大衰減。

GMSL2鏈路在串行器和解串器中均包含一個(gè)回聲消除電路，以實(shí)現(xiàn)高速視頻數(shù)據(jù)和雙向控制數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸。其實(shí)這個(gè)技術(shù)在車載以太網(wǎng)里面也使用了，原理相同，都是為了實(shí)現(xiàn)單一信道的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

目前串行器方面，主要是MAX9295和MAX96717。解串器方面，在360環(huán)視領(lǐng)域，MAX96712可以對(duì)應(yīng)4個(gè)400萬(wàn)像素，是目前最主流的產(chǎn)品，4個(gè)200萬(wàn)像素主要是MAX96722/MAX96724/MAX96716F。GMSL3代產(chǎn)品目前主要只有MAX96792/MAX96793，可以對(duì)應(yīng)4個(gè)800萬(wàn)像素，速率高達(dá)12Gbps。目前，德州儀器最高的是DS90UB9702，Line速率為7.55Gbps，最大速率10Gbps。

座艙內(nèi)部從ECU傳輸?shù)斤@示面板領(lǐng)域的SerDes則基本上被德州儀器壟斷，即FPD-LINK，F(xiàn)PD-Link是基于LVDS物理層之上的一種通信標(biāo)準(zhǔn)。它的英文全稱是Flat Panel Display Link，是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司于1996年提出的。FPD-Link I代芯片組將寬并行的RGB總線串行化為4或5對(duì)LVDS信號(hào)。目前最新的是第四代即FPD-LINK IV。

面板顯示領(lǐng)域與攝像頭不同，攝像頭基本上都是MIPI CSI-2，目前圖像輸出接口主要有DP/eDP、MIPI DSI、OLDI、HDMI多種形式，DP/eDP是未來(lái)發(fā)展方向，可以支持8K顯示屏。面板接口方面主流還是LVDS，少數(shù)高分辨率采用DP。而LVDS是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司為克服以TTL電平方式傳輸寬帶高碼率數(shù)據(jù)時(shí)功耗大，電磁干擾大等缺點(diǎn)而研制的一種數(shù)字視頻信號(hào)傳輸方式。2011年德州儀器以65億美元收購(gòu)了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司，這也是德州儀器為什么在汽車顯示面板領(lǐng)域SerDes占據(jù)霸主地位的原因。ADI也在面板顯示領(lǐng)域發(fā)力，挑戰(zhàn)德州儀器的霸主地位。ADI的產(chǎn)品線也足夠?qū)拸V。

國(guó)內(nèi)喜歡多屏，用解串行可以輕易做到一機(jī)四屏。

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不對(duì)稱分割也能做到。

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還可以雙屏同顯示框圖。

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德州儀器在此領(lǐng)域技術(shù)最為先進(jìn)，擁有SuperFrame技術(shù)，即DS90Ux941。車內(nèi)多達(dá)5到7屏，使用多個(gè)應(yīng)用處理器 (AP)來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)顯示器或者開發(fā)可驅(qū)動(dòng)多個(gè)顯示屏的 AP 會(huì)需要很高的成本。借助 DS90Ux941AS-Q1 的功能可實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的IVI系統(tǒng)設(shè)計(jì)，只需一個(gè)AP即可將內(nèi)容傳送到兩個(gè)對(duì)稱或非對(duì)稱顯示屏。在這些系統(tǒng)中，AP 接收兩個(gè)視頻幀并將其合并為一個(gè)超級(jí)幀，而DS90Ux941AS-Q1可分離超級(jí)幀，并將生成的幀轉(zhuǎn)發(fā)到兼容的FPD-Link III 解串器和所連接的顯示屏。

圖片來(lái)源：德州儀器

兩個(gè)屏不夠的話，還可以三個(gè)屏，即DS90UH983。

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一個(gè)視頻流是超級(jí)幀格式，一個(gè)是常規(guī)格式，經(jīng)過DS90UH983可以分離出三個(gè)視頻，再加上解串行對(duì)應(yīng)三個(gè)屏幕。

座艙SoC到顯示面板領(lǐng)域，SerDes地位非常穩(wěn)固。攝像頭領(lǐng)域SerDes面臨車載以太網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，不過目前車載以太網(wǎng)物理層成本太高，特別是千兆或萬(wàn)兆，而座艙芯片也較少支持萬(wàn)兆以太網(wǎng)。高像素領(lǐng)域，車載以太網(wǎng)沒有優(yōu)勢(shì)，低分辨率領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)也不明顯，5-8年內(nèi)還是SerDes。

審核編輯：劉清