汽車電子架構(gòu)不斷演進(jìn)，未來(lái)最貴的車載半導(dǎo)體會(huì)是什么？

上表為 Drive AGX Pegasus 主要集成電路表，未計(jì)算圖靈 GPU 的價(jià)格。這其中使用了 18 個(gè) PHY，4 個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)芯片，以太網(wǎng)交換機(jī)芯片內(nèi)部也都有 PHY，且所占的成本比例（即晶圓面積）也最高。價(jià)值遠(yuǎn)在主運(yùn)算單元之上。目前車載以太網(wǎng) PHY，最常見的是博通、NXP 和 Marvell，其他還有德州儀器、Microchip（即收購(gòu)來(lái)的 Micrel 和 Microsemi）、中國(guó)臺(tái)灣瑞昱、高通收購(gòu)的 Atheros。萬(wàn)兆以太網(wǎng) PHY 基本上被 Marvell 收購(gòu)的 Aquantia 壟斷，Aquantia 已經(jīng)被 Marvell 以 4.52 億美元收購(gòu)。車載 10Gbps PHY 只有 Aquantia 的 AQV107。以太網(wǎng)交換機(jī)芯片和以太 PHY 除了在計(jì)算單元使用外，座艙部分也是大量使用，奔馳最新的 S 級(jí)座艙使用 4 片 Marvell 的 88EA6321，至少 4 個(gè) PHY。在中央網(wǎng)關(guān)和每一個(gè)分域網(wǎng)關(guān)也需要一個(gè)以太交換機(jī)，ADAS 部分可能還需要一個(gè) PCIe 交換機(jī)。未來(lái)一部車當(dāng)中至少有 5 片以太網(wǎng)交換機(jī)芯片，多的可能達(dá)到 10 片 -12 片以上，以太 PHY 至少需要 10 片，多得可能達(dá) 15 片。總價(jià)值遠(yuǎn)超主 SoC。主要廠家有 Marvell、博通、Microchip、瑞昱和 NXP。市場(chǎng)潛力大，門檻高，幾乎不可能有新玩家出現(xiàn)，格局非常穩(wěn)定。前兩者市場(chǎng)占有率估計(jì)超過(guò) 60%。

目前 100M 車載以太網(wǎng)主要是 100BASE-T1，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)背后主要是博通。在 2011 年，寶馬、現(xiàn)代、NXP、飛思卡爾、HARMAN、意法半導(dǎo)體、博通發(fā)起 OABR （OPEN Alliance BroadR-Reach）車載以太網(wǎng)聯(lián)盟， OPEN 是 OnePair Ethernet Network 的縮寫，OABR 已經(jīng)由 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)化，并命名為 100BASE-T1。傳統(tǒng)的百兆以太網(wǎng)的名字是 100BASE-TX，二者在物理層上差別很大。二者最顯著的區(qū)別就是，100BASE-T1 在物理連接上使用了一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)全雙工的信息傳輸，而 100BASE-TX 則使用了兩對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)全雙工，一對(duì)用于收，另一對(duì)用于發(fā)。

100BASE-T1 利用所謂的回音消除技術(shù)（echo cancellation）實(shí)現(xiàn)了在一對(duì)雙絞線上的全雙工通信?；匾粝夹g(shù)的大概過(guò)程是這樣的，作為發(fā)送方的節(jié)點(diǎn)將自己要發(fā)送的差分電壓加載到雙絞線上，而作為接收者的節(jié)點(diǎn)則將雙絞線上的總電壓減去自己發(fā)出去的電壓，做減法得到的結(jié)果就是發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電壓。BroadR-Reach 是 Broadcom 公司針對(duì)自己車載以太網(wǎng)產(chǎn)品的專用商標(biāo)。因此可以認(rèn)為 100BASE-T1=OABR=BroadR-Reach。? ?

上圖為網(wǎng)絡(luò) OSI 7 層模型，物理層 IC 是傳輸界面 IC，也可以叫收發(fā)器 IC。PHY 連接一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備（MAC）到一個(gè)物理媒介，如光纖或銅纜線。典型的 PHY 包括 PCS（Physical Coding Sublayer，物理編碼子層）和 PMD（PhysicalMedia Dependent，物理介質(zhì)相關(guān)子層）。PCS 對(duì)被發(fā)送和接受的信息加碼和解碼，目的是使接收器更容易恢復(fù)信號(hào)。物理層不是指具體的物理設(shè)備，也不是指信號(hào)傳輸的物理媒體，而是指在物理媒體之上為上一層（數(shù)據(jù)鏈路層）提供一個(gè)傳輸原始比特流的物理連接。物理層規(guī)定：為傳輸數(shù)據(jù)所需要的物理鏈路創(chuàng)建、維持、拆除，而提供具有機(jī)械的，電子的，功能的和規(guī)范的特性。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，物理層確保原始的數(shù)據(jù)可在各種物理媒體上傳輸。以以太網(wǎng)為例，數(shù)據(jù)鏈路層分為上層 LLC（Logical Links Control，邏輯鏈路控制），和下層的 MAC（媒體訪問(wèn)控制），MAC 主要負(fù)責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC 協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層；在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC 協(xié)議首先判斷輸入的信息并是否發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，如果沒(méi)有錯(cuò)誤，則去掉控制信息發(fā)送至 LLC（邏輯鏈路控制）層。? ?

界面 IC 是混合 IC，包含有模擬和數(shù)字。眾所周知，模擬 IC 處理的信號(hào)都具有連續(xù)性，可以轉(zhuǎn)換為正弦波研究，而數(shù)字 IC 處理的是非連續(xù)性信號(hào)，都是脈沖方波。模擬電路比較注重經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)門檻高，學(xué)習(xí)周期 10-15 年，數(shù)字電路則有 EDA 工具輔助，學(xué)習(xí)周期 3-5 年。模擬 IC 強(qiáng)調(diào)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(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)就具備長(zhǎng)久的生命力。

生命周期長(zhǎng)達(dá) 10 年以上的模擬 IC 產(chǎn)品也不在少數(shù)。如音頻運(yùn)算放大器 NE5532，生命周期超過(guò) 50 年，現(xiàn)在還在用。數(shù)字 IC 多采用 CMOS 工藝，而模擬 IC 少采用 CMOS 工藝。因?yàn)槟M IC 通常要輸出高電壓或者大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)其他元件，而 CMOS 工藝的驅(qū)動(dòng)能力很差。此外，模擬 IC 最關(guān)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(duì)于數(shù)字電路來(lái)說(shuō)是沒(méi)有噪音和失真的，數(shù)字電路設(shè)計(jì)者完全不用考慮這些因素。此外由于工藝技術(shù)的限制，模擬電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)所不用考慮的。因此模擬 IC 的設(shè)計(jì)者必須熟悉幾乎所有的電子元器件。

另一個(gè)門檻是 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(guò)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(guò)時(shí)鐘恢復(fù)把時(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(wèn)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對(duì)會(huì)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(guò)濾掉，如何設(shè)置，沒(méi)有電腦輔助，全靠經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)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)，生命周期一般都在 20 年以上。界面 IC 廠家的歷史都非常悠遠(yuǎn)，最少都在 10 年以上，大部分超過(guò) 20 年，大部分都擁有自己的晶圓廠，因?yàn)檫@些芯片成本在推出幾年后，99%都來(lái)自制造。中國(guó)這種廠家極少。?

以太網(wǎng)交換機(jī)的工作基礎(chǔ)是以太網(wǎng)信息包結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)信息包為固定格式，但長(zhǎng)度可變，在信息包中帶有目的 MAC 地址、源 MAC 地址、信息長(zhǎng)度等若干內(nèi)容。目前使用較多的以太網(wǎng)交換機(jī)都是 Layer 2（OSI 的第二層）交換機(jī)，即基于以太網(wǎng) MAC 地址進(jìn)行交換。

以太網(wǎng)交換機(jī)控制電路收到一個(gè)以太包（從某一端口）后，立即查找其內(nèi)存中的地址對(duì)照表（MAC 端口號(hào)），以確認(rèn)該目的 MAC 的 NIC 掛在哪一個(gè)端口上，然后將該包送到該端口上，如果該目的 MAC 地址是首次出現(xiàn)，則廣播到所有端口。以太網(wǎng)交換機(jī)是根據(jù)以太網(wǎng)包中的源 MAC 地址來(lái)更新“MAC 地址—端口號(hào)表”的，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)打開后，其上面的 NIC（即 PHY）會(huì)定期發(fā)出空閑包或信號(hào)，以太網(wǎng)交換機(jī)可據(jù)此得知其存在及 MAC 地址，所謂自動(dòng)地址學(xué)習(xí)就是指此意。

所謂自動(dòng)年齡更新（Auto-aging），指的是若一定時(shí)間內(nèi)未見已出現(xiàn)的 MAC 地址發(fā)出包，則將此 MAC 地址從“MAC—端口號(hào)表”中清除，此 MAC 地址重新出現(xiàn)時(shí)將會(huì)被當(dāng)作新地址處理。如果收到 1 個(gè)包，查了目標(biāo) mac，沒(méi)查到相應(yīng)的條目怎么辦？會(huì)從所有口發(fā)出，這個(gè)動(dòng)作也叫做泛洪，即廣播。

汽車以太網(wǎng)交換機(jī)自然要復(fù)雜的多，TSN 的眾多標(biāo)準(zhǔn)都是靠以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)的。

我們重點(diǎn)來(lái)看出鏡率僅次于 802.1AS 的 802.1Qbv。

汽車控制數(shù)據(jù)可以分為三種，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。ScheduledTraffic 如底盤控制數(shù)據(jù)，沒(méi)有任何的妥協(xié)余地，必須按照嚴(yán)格的時(shí)間要求送達(dá)，有些是只需要盡力而為的如娛樂(lè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可以靈活掌握。汽車行業(yè)一般要求底盤系統(tǒng)延遲不超過(guò) 5 毫秒，最好是 2.5 毫秒或 1 毫秒，這也是車載以太網(wǎng)與通用以太網(wǎng)最大不同之處，要求低延遲。

在 TSN 標(biāo)準(zhǔn)里，數(shù)據(jù)則被分為 4 級(jí)，最高的預(yù)計(jì)延遲時(shí)間僅為 100 微秒。

低延遲的核心標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE802.1Qbv 時(shí)間感知隊(duì)列。

在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置時(shí)隊(duì)列分為 Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic 三種，對(duì)于 Schedule 而言則直接按照原定的時(shí)間規(guī)劃通過(guò)，其它則按優(yōu)先級(jí)，Best-effort 通常排在最后。Qbv 主要為那些時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其必須確保非常低的抖動(dòng)和延時(shí)。Qbv 確保了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換。

汽車以太網(wǎng)交換機(jī)方面，主要有 Marvell、博通和 NXP。Microchip 收購(gòu)的 Micrel 和中國(guó)臺(tái)灣瑞昱也有一席之地。瑞昱已經(jīng)成功進(jìn)入大眾供應(yīng)鏈。