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車載網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)——TSN
隨著汽車行業(yè)的不斷進(jìn)步，車載以太網(wǎng)技術(shù)已成為推動(dòng)汽車智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。它不僅能夠支持高速數(shù)據(jù)傳輸，還提供了多種協(xié)議和應(yīng)用形式的支持，如TSN/TTE、TCP/IP、DOIP、SOME/IP等，這使得車載以太網(wǎng)在智能駕駛和智能座艙的應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)物理層的改造，引入了100BASE-T1和1000BASE-T1標(biāo)準(zhǔn)，車載以太網(wǎng)成功降低了電磁干擾和布線成本，同時(shí)滿足了汽車行業(yè)對(duì)高數(shù)據(jù)傳輸速率、高可靠性、低電磁輻射、低功耗及同步實(shí)時(shí)性的高標(biāo)準(zhǔn)要求。
常規(guī)以太網(wǎng)vs汽車以太網(wǎng)物理層技術(shù)，來源：巨世安防
從發(fā)展階段來看，車載以太網(wǎng)的應(yīng)用經(jīng)歷了從最初的車載診斷系統(tǒng)和ECU軟件刷新，到整合子系統(tǒng)支持智能座艙和輔助駕駛的應(yīng)用，再到將來的主干網(wǎng)絡(luò)整合各個(gè)控制系統(tǒng)，形成跨域的汽車網(wǎng)絡(luò)。這一過程中，TSN技術(shù)的引入，作為車載網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)高可靠性和低時(shí)延的關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)志著車載以太網(wǎng)技術(shù)邁向了新的發(fā)展階段。TSN技術(shù)通過精準(zhǔn)的流量調(diào)度，確保了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，這不僅技術(shù)成熟，而且具有顯著的成本效益，使其在多個(gè)領(lǐng)域成為下一代網(wǎng)絡(luò)承載技術(shù)的重要演進(jìn)方向。
在汽車通信領(lǐng)域，隨著車載以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的不斷增加，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為了一種重要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得通過增加交換機(jī)的數(shù)量來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)變得簡單，對(duì)于ECU的頻繁變化提供了極大的靈活性。TSN交換芯片在這一過程中扮演著核心角色，它能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交換芯片的兼容，同時(shí)增加了時(shí)間同步和輸出接口整型邏輯，有效地實(shí)現(xiàn)了TSN交換。這一進(jìn)展不僅凸顯了車載以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，也預(yù)示著它在未來汽車通信網(wǎng)絡(luò)中的核心地位。
什么是以太網(wǎng)交換芯片？
交換芯片和物理層芯片的區(qū)別，來源：山西證券研究所
以太網(wǎng)交換設(shè)備由以太網(wǎng)交換芯片、CPU、PHY、PCB、接口/端口子系統(tǒng)等組成，其中以太網(wǎng)交換芯片和CPU為最核心部件。以太網(wǎng)交換芯片是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的關(guān)鍵組件，特別是在交換機(jī)的核心部件中發(fā)揮著至關(guān)重要的角色。它們不僅是專為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用優(yōu)化的專用集成電路，而且還具有處理和轉(zhuǎn)發(fā)大量數(shù)據(jù)及報(bào)文的專業(yè)能力。這些芯片由接口模塊、內(nèi)容處理模塊、進(jìn)出口數(shù)據(jù)包修改模塊、MMU模塊、L2和L3處理器、安全模塊等多個(gè)部分組成，每個(gè)部分協(xié)同工作以保持高效的數(shù)據(jù)處理能力。此外，以太網(wǎng)交換芯片的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)因其復(fù)雜性而顯得特別重要，內(nèi)部的邏輯通路由數(shù)百個(gè)特性集合組成，這些集合在一起，使得芯片能夠?qū)崿F(xiàn)其高性能。
以太網(wǎng)交換設(shè)備的工作原理包括數(shù)據(jù)包通過端口進(jìn)入芯片后的一系列處理步驟：數(shù)據(jù)包頭字段的匹配、安全檢測(cè)、流分類、以及最終的二層交換或三層路由。經(jīng)過這一系列處理，數(shù)據(jù)包根據(jù)其優(yōu)先級(jí)或其他參數(shù)被放入不同的隊(duì)列中，等待通過調(diào)度器的調(diào)度，最終從相應(yīng)的端口發(fā)送出去。這一過程不僅確保了數(shù)據(jù)的高效傳輸，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的管理和控制。
隨著技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)交換芯片的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，特別是在車載網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。各域控制器通過以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互成為可能。在自動(dòng)駕駛技術(shù)的推動(dòng)下，車載以太網(wǎng)的需求量快速增長，市場(chǎng)格局呈現(xiàn)高度集中的趨勢(shì)。以太網(wǎng)技術(shù)不僅用于連接動(dòng)力總成、底盤控制、車身、娛樂和ADAS等核心域控制器，而且還支持高級(jí)自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn)，這使得車載以太網(wǎng)技術(shù)的滲透率不斷提升。
以太網(wǎng)交換芯片的市場(chǎng)前景
中國大陸以太網(wǎng)交換芯片市場(chǎng)規(guī)模，來源：中汽中心
中國車載以太網(wǎng)交換芯片市場(chǎng)規(guī)模，來源：Mouser
全球汽車以太網(wǎng)交換芯片市場(chǎng)前7強(qiáng)生產(chǎn)商排名及市場(chǎng)占有率(2022年)，來源：Mouser
全球汽車以太網(wǎng)交換芯片市場(chǎng)正經(jīng)歷快速增長，受益于新能源汽車智能化的推進(jìn)和對(duì)數(shù)據(jù)傳輸量的爆發(fā)式需求。根據(jù)Mouser提供的數(shù)據(jù)，主要生產(chǎn)商包括Broadcom、Marvell、Microchip Technology等，其中2022年，這些頂尖廠商占有了全球市場(chǎng)約22.0%的份額。汽車局域網(wǎng)(LAN)作為當(dāng)前最主要的細(xì)分產(chǎn)品，占據(jù)了約79.1%的市場(chǎng)份額。
從2016年的318.5億元增長到2020年的368.0億元，全球以太網(wǎng)交換芯片市場(chǎng)展現(xiàn)出穩(wěn)健的增長，年均復(fù)合增長率為3.6%。預(yù)計(jì)到2025年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到434.0億元，展現(xiàn)3.4%的年均復(fù)合增長率。市場(chǎng)參與者既包括專注于商用產(chǎn)品的博通、美滿等，也有如思科、華為這樣通過自研芯片滿足自身需求的廠商。
汽車以太網(wǎng)交換芯片的市場(chǎng)需求隨著智能汽車技術(shù)的發(fā)展而急劇增加。未來智能汽車的以太網(wǎng)端口數(shù)量預(yù)計(jì)將從目前的約10個(gè)增加到100個(gè)以上，這為車載以太網(wǎng)芯片帶來了巨大的增長潛力。特別是在中國，預(yù)計(jì)到2025年車載以太網(wǎng)交換芯片市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到137億元，2021-2025年的年均復(fù)合增長率高達(dá)63.1%。
從需求端看，智能駕駛和智能座艙對(duì)車載以太網(wǎng)交換機(jī)芯片的需求日益增長。例如，奔馳S級(jí)車型至少配備5個(gè)以太網(wǎng)交換芯片。據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心的數(shù)據(jù)，2021年中國大陸的市場(chǎng)規(guī)模為107億元，預(yù)計(jì)至2025年將達(dá)到178億元，年均復(fù)合增長率約為13.5%。
芯片的價(jià)值量也是一個(gè)重要考慮。以NXP和Ti的產(chǎn)品為例，單車的SERDES+PHY+交換芯片價(jià)值量平均約為$119，再加上網(wǎng)關(guān)芯片后，總價(jià)值量約為$179（約1250元）。到2030年，預(yù)計(jì)L4級(jí)別的車型將搭載超過100顆以太網(wǎng)芯片，屆時(shí)單車以太網(wǎng)+SERDES芯片的價(jià)值量可能達(dá)到$680（約4760元）。
?車載以太網(wǎng)交換芯片主要玩家
在全球車載以太網(wǎng)交換機(jī)市場(chǎng)中，雖然由幾家國外巨頭主導(dǎo)，但隨著車輛智能化和網(wǎng)絡(luò)化需求的增加，市場(chǎng)正逐漸向更廣泛的技術(shù)創(chuàng)新和供應(yīng)鏈多元化發(fā)展。以下是對(duì)車載以太網(wǎng)交換機(jī)市場(chǎng)和相關(guān)技術(shù)企業(yè)的進(jìn)一步探討。
首先，美滿電子和博通作為第一梯隊(duì)，代表了市場(chǎng)上對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)產(chǎn)品的需求。美滿電子的88Q5050芯片不僅在汽車安全性方面設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)，還促進(jìn)了車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，其與NVIDIA DRIVE Pegasus平臺(tái)的合作，標(biāo)志著先進(jìn)的車載以太網(wǎng)技術(shù)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用。博通BCM8958X系列產(chǎn)品展示了其在網(wǎng)絡(luò)帶寬和處理能力方面的技術(shù)實(shí)力，為未來汽車架構(gòu)提供全面的網(wǎng)絡(luò)解決方案，強(qiáng)化了軟件定義車輛的發(fā)展。
第二梯隊(duì)的企業(yè)，如微芯、恩智浦和瑞昱，雖然在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上不及第一梯隊(duì)，但他們通過提供特定的解決方案和優(yōu)化成本效益比來滿足市場(chǎng)需求。恩智浦的整體解決方案聚焦于汽車領(lǐng)域，瑞昱則通過高性價(jià)比滿足大眾市場(chǎng)的需求，展示了市場(chǎng)競爭中的多樣性。
第三梯隊(duì)則以中國本土企業(yè)為主，國科天迅的TAS2010芯片的成功研發(fā)和應(yīng)用，標(biāo)志著中國在車載以太網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域取得的重大進(jìn)步。這不僅體現(xiàn)了國家集成電路產(chǎn)業(yè)自主可控戰(zhàn)略的成效，也展現(xiàn)了國內(nèi)企業(yè)在高新技術(shù)研發(fā)方面的實(shí)力和潛力。此外，TAS2010芯片在一汽紅旗E-QM5電動(dòng)車上的應(yīng)用，驗(yàn)證了其在實(shí)際車輛中的可靠性和性能，為國產(chǎn)化車載以太網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用開辟了新路徑。昆高新芯、物芯科技和盛科通信等企業(yè)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和以太網(wǎng)交換芯片設(shè)計(jì)方面的持續(xù)投入和創(chuàng)新，不僅增強(qiáng)了我國在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的競爭力，也為行業(yè)提供了更為豐富和可靠的產(chǎn)品選擇。
車載以太網(wǎng)交換芯片部分玩家，來源：與非研究院
總結(jié)：國內(nèi)外以太網(wǎng)芯片的技術(shù)差距
國內(nèi)外以太網(wǎng)芯片參數(shù)對(duì)比，來源：各公司官網(wǎng)
隨著技術(shù)的發(fā)展，車載以太網(wǎng)芯片正朝高交換容量、多端口配置方向進(jìn)化。以太網(wǎng)聯(lián)盟預(yù)測(cè)，智能汽車單車以太網(wǎng)端口將超過100個(gè)。例如，Marvell的BrightlaneQ622x系列中央汽車以太網(wǎng)交換機(jī)，專為汽車Zonal架構(gòu)設(shè)計(jì)，交換容量高達(dá)90Gbps。盡管如此，與海外龍頭廠商相比，國內(nèi)在交換容量、端口速率等方面存在技術(shù)差距。目前，主要海外公司所發(fā)布的芯片產(chǎn)品的交換容量已經(jīng)達(dá)到 25.6Tbps以上。博通和英偉達(dá)在 2022 年推出了面向超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的 51.2Tbps 超高容量產(chǎn)品，美滿和思科在 2023 年發(fā)布了 51.2Tbps 的新品。這些產(chǎn)品單一端口支持最大速率均達(dá)到800G，并且采用了 7nm 及以下的芯片制程工藝。與之相比，公司已量產(chǎn)芯片產(chǎn)品在交換容量、端口速率等方面存在代際差異，最大端口速率僅達(dá)到 400G，交換容量僅2.4Tbps，而芯片制程工藝仍停留在 28nm 水平。
車載以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也面臨挑戰(zhàn)，如TSN技術(shù)雖提供高可靠性和低時(shí)延通信解決方案，但協(xié)議復(fù)雜，汽車行業(yè)缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。此外，隨著技術(shù)的深入應(yīng)用，對(duì)安全性、兼容性及系統(tǒng)集成的要求提高，需要不斷創(chuàng)新和優(yōu)化技術(shù)解決方案。
總的來看，全球以太網(wǎng)交換芯片市場(chǎng)正處快速增長期，尤其在汽車行業(yè)，技術(shù)進(jìn)步和新能源汽車發(fā)展推動(dòng)高速、高性能交換芯片需求，帶來市場(chǎng)機(jī)遇。預(yù)計(jì)國內(nèi)本土廠商將逐漸發(fā)力高端產(chǎn)品，積極追趕國際一線梯隊(duì)的腳步。
關(guān)注往期文章：以太網(wǎng)物理層芯片PHY《產(chǎn)研：艱難的替代——車載以太網(wǎng)PHY芯片（一)》，以及以太網(wǎng)Serdes芯片《產(chǎn)研：艱難的替代——車載以太網(wǎng)SerDes芯片(二)》
