車內(nèi)通信芯片研究：車載以太網(wǎng)向著高帶寬、多端口演進(jìn)，相關(guān)芯片市場快速增長

佐思汽研發(fā)布了《2023年汽車車內(nèi)通信及網(wǎng)絡(luò)接口芯片行業(yè)研究報(bào)告》。

根據(jù)通信連接形態(tài)的不同，汽車通信應(yīng)用分為無線通信和有線通信。

汽車通信應(yīng)用示意圖

來源：汽車知識(shí)棧

汽車電子電氣系統(tǒng)是以通信網(wǎng)絡(luò)為載體，將車內(nèi)電子設(shè)備通過線束連接在一起。隨著汽車E/E架構(gòu)的演進(jìn)和車內(nèi)功能的復(fù)雜度提升，汽車中的傳感器數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致車載數(shù)據(jù)量激增，這對整車實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)處理能力有了很高的要求。因此，高帶寬、低時(shí)延、高可靠性的車載以太網(wǎng)會(huì)更適合未來E/E架構(gòu)的長期演進(jìn)以及高速車內(nèi)通信需求。

在Zonal架構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)功能集中化之后，車內(nèi)ECU大量減少。此時(shí)，中央計(jì)算平臺(tái)對控制器的算力要求極高，而對區(qū)域控制器的算力要求相對較低。為了滿足車內(nèi)功能安全的要求、中央與區(qū)域控制器之間大量的數(shù)據(jù)傳輸遷移以及軟件算法的交互，車載以太網(wǎng)將成為Zonal架構(gòu)中的數(shù)據(jù)主干鏈路。

隨著汽車E/E架構(gòu)的演進(jìn)，車載以太網(wǎng)（圖中紅線）將成為骨干網(wǎng)絡(luò)

注：1TPCE指“1個(gè)雙絞線的百兆以太網(wǎng)”；RTPGE指“簡化的雙絞線千兆以太網(wǎng)”。來源：Keysight

當(dāng)以太網(wǎng)作為未來汽車的車載骨干網(wǎng)絡(luò)時(shí)，各區(qū)域控制器之間的信息交互通過以太網(wǎng)交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)。目前Marvell、Broadcom、恩智浦等車載網(wǎng)絡(luò)通信芯片廠商紛紛提出下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

Aquantia未來ADAS系統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

來源：Marvell

以Aquantia（已被Marvell收購）預(yù)測未來ADAS系統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為例，其中有兩個(gè)中央計(jì)算單元(GPU/CPU)，通過三個(gè)交換機(jī)來連接所有的攝像機(jī)和傳感器，全車采用以太網(wǎng)連接。每一個(gè)傳感器都需要部署一個(gè)PHY芯片，每個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)也需要配置若干個(gè)PHY 芯片，以輸入從傳感器端傳輸過來的數(shù)據(jù)。車載以太網(wǎng)涉及到冗余備份設(shè)計(jì)，需要硬件功能做到主備或并行處理，來自攝像頭和傳感器的數(shù)據(jù)被發(fā)送到一個(gè)中央計(jì)算單元中，而另一個(gè)中央計(jì)算單元?jiǎng)t用作備份，在第一個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)接管汽車的控制權(quán)。

車載以太網(wǎng)向著高帶寬、多端口方向演進(jìn)

車載以太網(wǎng)芯片主要包括物理層接口PHY芯片和以太網(wǎng)交換機(jī)芯片。PHY芯片主要基于物理層進(jìn)行數(shù)/模信號的轉(zhuǎn)換，而不對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；交換機(jī)芯片是基于數(shù)據(jù)鏈路層對傳輸數(shù)據(jù)做處理，包括數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)和交換、過濾和分類。

隨著汽車E/E架構(gòu)演進(jìn)，車載以太網(wǎng)芯片的滲透率不斷提升，中國車載以太網(wǎng)芯片市場快速增長。以PHY芯片市場為例，當(dāng)前車載以太網(wǎng)PHY芯片的主要應(yīng)用于中央計(jì)算系統(tǒng)、ADAS系統(tǒng)及IVI系統(tǒng)等領(lǐng)域，按照各系統(tǒng)單車PHY芯片平均用量以及PHY芯片均價(jià)測算，2022年中國乘用車市場車載以太網(wǎng)PHY芯片市場規(guī)模為58億元。未來隨著車內(nèi)以太網(wǎng)進(jìn)一步向車內(nèi)其他領(lǐng)域滲透，單車芯片用量不斷增多，且高速率PHY芯片的占比逐步提升，會(huì)抵消單一型號芯片價(jià)格的下降。預(yù)計(jì)到2025年，中國乘用車市場的車載以太網(wǎng)PHY芯片市場規(guī)模將達(dá)到218.7億元。

車載以太網(wǎng)向著高帶寬、多端口方向演進(jìn)

來源：以太網(wǎng)聯(lián)盟

汽車E/E架構(gòu)的演進(jìn)方向和速度影響著未來車載以太網(wǎng)的發(fā)展方向和速度，為了能夠跟上自動(dòng)駕駛技術(shù)的高速發(fā)展，滿足智能座艙內(nèi)的多功能交互等數(shù)據(jù)傳輸需求，未來車載以太網(wǎng)將往高帶寬、多端口配置的方向發(fā)展。

自動(dòng)駕駛推動(dòng)10G+車載以太網(wǎng)的發(fā)展

智能汽車的自動(dòng)駕駛技術(shù)越來越成熟，汽車對于巨量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和靈敏度的要求也越來越高。此外，自動(dòng)駕駛上路還會(huì)有巨量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，要想實(shí)現(xiàn)攝像頭、激光雷達(dá)等傳感器的高清數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)存儲(chǔ)起來，對車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求就會(huì)更高。

自動(dòng)駕駛級別越高，車內(nèi)通信對高速率網(wǎng)絡(luò)的需求就越大。L3以上的自動(dòng)駕駛需求，車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)開始大量引入2.5/5/10G車載以太網(wǎng)。而到最后L4/L5的自動(dòng)駕駛汽車，車內(nèi)以太網(wǎng)的數(shù)量還會(huì)增加，很多都會(huì)引入10G+的標(biāo)準(zhǔn)。因此，高速車載以太網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)L3以上自動(dòng)駕駛必不可少的需求。

絕大多數(shù)主流或新勢力車企已經(jīng)提前布局了“中央集中式”的E/E架構(gòu)，并且車型量產(chǎn)將集中在2023-2025年量產(chǎn)落地，要想在2025年實(shí)現(xiàn)Zonal架構(gòu)，10G的帶寬是必須的。而在萬兆級車載以太網(wǎng)芯片市場，目前能提供10G+的以太網(wǎng)交換機(jī)廠商只有Marvell和博通兩家。

Marvell 中央汽車以太網(wǎng)交換機(jī)Q6223框圖

來源：Marvell

2023年6月，Marvell推出了Brightlane Q622x系列中央汽車以太網(wǎng)交換機(jī)，這款以太網(wǎng)交換機(jī)是專門為汽車Zonal架構(gòu)而設(shè)計(jì)。其中區(qū)域交換機(jī)將來自汽車物理區(qū)域內(nèi)的設(shè)備（如處理器、傳感器、執(zhí)行器和存儲(chǔ)系統(tǒng)等）的流量聚合到一起，通過高速以太網(wǎng)連接至中央計(jì)算交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互。

Brightlane Q622x系列交換機(jī)是單芯片設(shè)備，具體包含了Q6222和Q6223兩款產(chǎn)品：

Brightlane Q6223帶寬達(dá)90 Gbps，幾乎是當(dāng)前可用汽車交換機(jī)容量的2倍。采用非阻塞12端口設(shè)計(jì)，可以從8個(gè)集成10GSerDes端口、4個(gè)集成2.5G SerDes端口和2個(gè)可用的集成1000Base-T1 PHY中進(jìn)行配置；

Brightlane Q6222包含9個(gè)60 Gbps端口，以及有5個(gè)集成10G SerDes端口、4個(gè)集成2.5G SerDes端口和2個(gè)集成1000Base-T1 PHY可供選擇。

車載以太網(wǎng)端口數(shù)量隨著汽車E/E架構(gòu)的演進(jìn)而增加

隨著汽車E/E架構(gòu)演進(jìn)，車載以太網(wǎng)滲入率逐漸提高，未來以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)芯片的需求也將增加，智能汽車單車以太網(wǎng)端口將超過100個(gè)。

但到目前為止，量產(chǎn)的車?yán)锩鎺б蕴W(wǎng)的端口數(shù)都不是太多，基本上都是用在IVI系統(tǒng)、車載通信系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)和域控制器等子系統(tǒng)上，還未形成以以太網(wǎng)為骨干的整車級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。未來隨著Zonal架構(gòu)車型的量產(chǎn)落地，車載以太網(wǎng)在整車網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)中的用量將大幅上升，此時(shí)，車內(nèi)車載以太網(wǎng)的通信端口數(shù)量也會(huì)隨之增加。

芯片廠商方面，包括博通、恩智浦等國際大廠發(fā)出的新產(chǎn)品或更新迭代產(chǎn)品中，其通信端口數(shù)也呈現(xiàn)越來越多的趨勢。

部分車載以太網(wǎng)相關(guān)芯片供應(yīng)商產(chǎn)品端口數(shù)對比

來源：佐思汽研《2023年汽車車內(nèi)通信及網(wǎng)絡(luò)接口芯片行業(yè)研究報(bào)告》

2022年5月，博通推出了一款高帶寬單片汽車以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備BCM8958X，這款交換機(jī)共有16個(gè)以太網(wǎng)端口，其中有6個(gè)具有10Gbps能力（具有SRIOV的XFI或PCIe x1 4.0 接口），以及集成的1000BASE-T1和100BASE-T1 PHY。

博通BCM8958X的接口配置

來源：博通官網(wǎng)