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作者：暢秋
以太網（Ethernet，IEEE 802.3標準）應用市場廣闊，自1973年誕生以來，已經歷40多年的發(fā)展歷程。因其具備技術成熟、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技術，覆蓋家庭網絡及用戶終端，企業(yè)及園區(qū)網，運營商網絡，大型數據中心和服務提供商等應用領域，在全球范圍內形成了以太網生態(tài)系統(tǒng)，是當今信息世界最重要的基礎設施，需要通過以太網通信的終端設備都可以采用以太網物理層芯片（PHY芯片）及相關設備實現通信。
以太網協(xié)議采用星形拓撲或線性總線，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、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層）網絡結構中，以太網協(xié)議在物理層和數據鏈路層工作。以太網將數據鏈路層的功能劃分到了兩個不同的子層，分別是邏輯鏈路控制層和介質訪問控制（Media Access Control，MAC）層。
本文主要關注物理層，OSI物理層規(guī)范規(guī)定的是連接傳輸介質的相關器件標準，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、引線個數、引線排列順序，以及固定方式和材質等機械性能指標；電氣特性是指介質及接口電壓、電流指標；功能特性是指物理層器件需要實現的功能，例如，如何處理數據流，使用哪種編碼方式，以及規(guī)定幀格式等。
根據以太網聯盟創(chuàng)建的路線圖，將以太網應用分為五大類：工業(yè)自動化，車載以太網，企業(yè)應用，電信運營商，數據中心。具體來看，包括信息通信（路由器、交換機、無線終端、中繼器），智能電子（機頂盒、LED顯示屏、網絡打印機、智能電視），工業(yè)控制（礦業(yè)、工業(yè)相機等），監(jiān)控設備（安防攝像頭），以及汽車系統(tǒng)中的輔助駕駛、智能網聯、攝像頭、激光雷達、行車記錄儀等。
?01、PHY芯片是互聯的關鍵
以太網物理層芯片（PHY）工作于OSI網絡七層架構的最底層，是有線傳輸通信芯片，用以實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。
網絡接口電路一般由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；2、CPU內部集成了MAC，PHY是獨立芯片，這種比較常見；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)送到通信介質上，同時，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芯片是一個復雜的數?；旌舷到y(tǒng)，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，實現降噪、干擾抵消、均衡、時鐘恢復等功能。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經驗，還需要產品設計團隊高效配合，不是一般的工程師能夠完成的。
02、新時期，新應用
近些年，各種數字化終端設備大規(guī)模普及，通信、計算、存儲、監(jiān)控等各種應用和網絡逐漸融合。
據IDC預測，未來3年全球算力規(guī)模將以超過50%的速度增長，到2025年整體規(guī)模將達到3300EFlops，2025年全球物聯網設備數將超過400億臺，產生的數據量接近80ZB，超過一半的數據需要依賴終端或者邊緣的計算能力進行處理。
以太網作為應用最廣的局域網傳輸技術，在傳輸可靠性、穩(wěn)定性等方面具有明顯優(yōu)勢，可以為物聯網設備、操作系統(tǒng)和軟件運行提供基礎網絡層。隨著物聯網和人工智能發(fā)展帶來的數據傳輸量不斷攀升，以太網應用將在現有基礎上不斷擴展。
在這樣的大背景下，PHY芯片作為以太網傳輸的基礎芯片，隨著各種應用數據量的爆發(fā)式增長，其市場規(guī)模也在持續(xù)上漲。
據中國汽車技術研究中心預測，2022~2025年，全球以太網PHY芯片市場規(guī)模將保持25%以上的年復合增長率，到2025年，有望突破300億元。
?03、汽車市場是重點突破方向
隨著以新能源汽車為代表的當代汽車向電動化、網聯化、智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)汽車使用的總線（CAN、LIN、FlexRay、MOST）在成本、性能上越來越難以滿足現代化汽車的需求，而以太網在汽車應用中的優(yōu)勢逐漸凸顯出來。車載以太網PHY芯片有望在新能源汽車智能化發(fā)展趨勢帶動下實現大規(guī)模應用。
下面介紹一下汽車以太網優(yōu)勢的具體表現。
當代汽車中使用的電子控制和通信系統(tǒng)越來越多，如發(fā)動機電控系統(tǒng)、自動變速器控制系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、自動巡航系統(tǒng)（ACC）和車載多媒體系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和汽車的顯示儀表之間、系統(tǒng)和汽車故障診斷系統(tǒng)之間都需要進行大量的數據交換，這種情況下，就不能用導線進行點對點的連接和信息傳輸方式，因為這樣裝配非常復雜，且故障率會很高。這時，就需要用到汽車總線。
汽車總線是用于車載網絡中底層設備或儀表互聯的通信網絡，是車用網絡與車載設備控制系統(tǒng)的集成。
傳統(tǒng)汽車總線LIN和CAN，雖然市場占有率很可觀，但是，它們的傳輸速率已經不能滿足逐漸增多的電氣設備的要求，MOST總線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中的普及，FlexRay總線的數十兆傳輸速率、循環(huán)冗余網絡拓撲結構和同步能力很優(yōu)秀，但是，FlexRay網絡的負載率及其難以實現預期的傳輸速率、價格昂貴等因素使它僅能用于信息娛樂系統(tǒng)。
此外，汽車內部電子電氣（E/E）元器件的數量和復雜度大幅提升，單輛車ECU數量已經從20-30個增加到100多個，部分車型線束長度已高達2.5英里，E/E架構已經不能滿足汽車智能化時代的發(fā)展需求，因此，車載網絡轉向域控制和集中控制的趨勢越來越明顯，總線也需要向高帶寬方向發(fā)展。
車載以太網在傳統(tǒng)以太網技術的基礎上進行了一系列優(yōu)化和改良，使之更為貼合車內通信需求。
車載以太網針對車內通信需求研發(fā)出了一種用以太網連接車內電子單元的新型局域網技術。車載以太網技術率先應用于智能駕駛和智能座艙，并在未來實現對整車通信技術的逐步替代，是近些年以太網技術發(fā)展的重要方向之一。
線束輕量化是以太網相較于其它總線的另一大優(yōu)點。減輕汽車自重是節(jié)能的基本途徑，而選用輕質材料是實現汽車輕量化最有效的方法，線束的復雜性使其成為汽車結構中僅次于底盤和發(fā)動機的第三重部件。部分傳統(tǒng)總線線纜厚重，且需要額外的屏蔽以保護其不受電磁干擾，而車載以太網使用單對非屏蔽雙絞線及更小型的連接器，與傳統(tǒng)總線相比可減少80%的線束成本和30%的布線重量?？赏ㄟ^使用回聲抵消技術在單線對上實現雙向通信，以滿足智能化對高帶寬的需求。
傳統(tǒng)以太網一般采用4對線，而車載以太網只有1對線，這就導致同樣傳輸速率下，車載以太網PHY芯片的設計和實現難度成倍增加，這也是目前各大廠商技術和產品優(yōu)勢和競爭力的焦點。
04、車載總線技術對比
架構的改變和自動駕駛傳感器帶來的大量數據處理需求，使得帶寬成為下一代汽車網絡技術的關鍵。與傳統(tǒng)車載總線網絡不同，車載以太網可以提供帶寬密集型應用所需的更高數據傳輸能力，同時，其先天技術優(yōu)勢可以滿足汽車對高可靠性、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網絡架構，特斯拉在Model 3和Model Y中已經采用域控制結構。
自動駕駛級別越高，車內通信對高速率網絡的需求就越迫切，L3以上的自動駕駛，需要在車內搭配2.5/5/10G以太網，而到了L4/L5自動駕駛，車內需要引入10G+以太網。因此，高速車載以太網是實現L3及以上自動駕駛必不可少的配置。
據以太網聯盟預測，隨著汽車智能化應用需求推動車聯網技術不斷發(fā)展，未來智能汽車單車以太網端口將超過100個，這為車載以太網芯片提供了巨大的發(fā)展空間。以Aquantia汽車的ADAS以太網架構為例，每一個傳感器（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PHY芯片以連接到ADAS域的交換機上，每個交換機節(jié)點也需要配置若干個PHY芯片。
?05、中國本土PHY芯片企業(yè)在發(fā)力
目前，全球以太網PHY芯片市場被少數企業(yè)把持著，經過多年發(fā)展和積累，這些廠商憑借資金、技術、客戶資源、品牌等優(yōu)勢，掌握了大部分市場份額。據中國汽車技術研究中心統(tǒng)計，博通、美滿電子、瑞昱、德州儀器、恩智浦和微芯穩(wěn)居前列，全球前五大以太網PHY芯片廠商的市場份額占比高達91%。目前，中國大陸的PHY芯片市場基本被這些國際巨頭主導，市占率達87%。
近些年，中國本土廠商的技術能力一直在提升過程中，有望憑借本土快速響應能力占據更多市場份額。目前，國內主要以太網PHY芯片廠商包括裕太微，景略半導體，昆高新芯，國科天訊，物芯科技，鑫瑞技術，以及睿普康等。
在這些廠商中，裕太微是領先企業(yè)，能夠大規(guī)模供應千兆以太網PHY芯片，是國內首家在車載PHY芯片領域通過OPEN Alliance IOP認證的企業(yè)，其2.5G PHY芯片已量產，在技術實力和規(guī)模上處于國內領先地位，2021年，裕太微產品在以太網PHY芯片市場份額為2%。景略半導體的核心團隊源于美滿電子，主要為車載、工業(yè)、企業(yè)應用提供以太網PHY芯片，其車載千兆PHY芯片即將量產。昆高新芯能提供千兆以太網PHY和TSN芯片，是國內較早實現TSN交換芯片流片的企業(yè)，TSN芯片即將進入量產階段。
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